Introduktion til SSE/AVX-instruktionssæt

I denne lektion udforsker vi effektive instruktionssæt, der er udviklet til parallel behandling: SSE og AVX. Disse udvidelser gør det muligt for CPU'en at udføre den samme operation på flere datastykker samtidigt.

Denne teknik, der kaldes Single Instruction, Multiple Data (SIMD), er afgørende for at gøre opgaver som grafikgengivelse, videnskabelige beregninger og videobehandling hurtigere.

Forestil dig, at du skal lægge to lister med tal sammen. En traditionel skalarprocessor lægger dem sammen ét par ad gangen:

• Det første tal + det første tal
• Det andet tal + det andet tal
• ... og så videre.

En vektorprocessor, der bruger SIMD, kan lægge flere par sammen i én instruktion, hvilket er betydeligt hurtigere for store datasæt.

SSE står for Streaming SIMD Extensions. SSE blev introduceret af Intel og tilføjede 128 bit brede registre og instruktioner til x86-processorer.

Det betyder, at en SSE-instruktion kan behandle 128 bit data på én gang. For kommatal med enkeltpræcision, hvor hvert tal fylder 32 bit, gør det det muligt at behandle fire tal samtidigt.

SSE bruger et dedikeret sæt på 16 XMM-registre, navngivet fra XMM0 til XMM15. Hvert XMM-register er 128 bit bredt.

• De kan indeholde fire 32-bit-kommatal med enkeltpræcision.
• Eller to 64-bit-kommatal med dobbeltpræcision.
• Eller seksten 8-bit-heltal.

Disse registre er adskilt fra registrene til generelle formål, f.eks. EAX og EBX.

Lad os se på en grundlæggende SSE-instruktion: MOVAPS. Denne instruktion flytter justerede pakkede kommatal med enkeltpræcision. Den indlæser 128 bit data fra hukommelsen i et XMM-register.

Prøv at køre dette eksempel, som bruger NASM-syntaks til Linux x86-64:

AVX, eller Advanced Vector Extensions, er en videreudvikling af SIMD-behandling. AVX udvider SIMD-registrene til 256 bit, så der behandles dobbelt så meget data pr. instruktion som med SSE.

AVX introducerede også et nyt instruktionskodningsskema, VEX-præfikset, samt ikke-destruktive operationer. Det betyder, at destinationsregistre som standard ikke overskriver kilderegistre.

AVX introducerede 16 nye YMM-registre, fra YMM0 til YMM15. Hvert YMM-register er 256 bit bredt.

• Et YMM-register kan indeholde otte 32-bit-kommatal med enkeltpræcision.
• Eller fire 64-bit-kommatal med dobbeltpræcision.

De nederste 128 bit i hvert YMM-register overlapper det tilsvarende XMM-register. For eksempel er den nederste halvdel af YMM0 XMM0.

AVX-modstykket til MOVAPS er VMOVAPS. Præfikset 'V' angiver en VEX-kodet AVX-instruktion. Denne instruktion flytter justerede pakkede kommatal med enkeltpræcision, men nu 256 bit ad gangen.

Her er et eksempel, der viser, hvordan du indlæser 8 kommatal i et YMM-register:

Selvom både SSE og AVX er SIMD-udvidelser, indeholder AVX væsentlige forbedringer:

• Registerstørrelse: SSE bruger 128-bit XMM-registre, mens AVX bruger 256-bit YMM-registre.
• Datagennemløb: AVX kan behandle dobbelt så meget data pr. instruktion som SSE.
• Ikke-destruktive operationer: Mange AVX-instruktioner tillader et format med tre operander, så kildeoperanderne bevares.
• VEX-præfiks: AVX-instruktioner bruger et VEX-præfiks, som muliggør mere fleksibel kodning og fremtidige udvidelser.

Vi har introduceret SSE og AVX, effektive SIMD-instruktionssæt, der gør det muligt for CPU'en at udføre operationer på flere dataelementer samtidigt. Du har lært om:

• Begrebet SIMD og fordelene ved parallel behandling.
• SSE med 128-bit XMM-registre (XMM0-XMM15).
• AVX med 256-bit YMM-registre (YMM0-YMM15).
• Grundlæggende instruktioner til databevægelse som MOVAPS og VMOVAPS.

En forståelse af disse instruktionssæt er afgørende for optimering af ydeevnen i dataintensive opgaver.