Основные черты MMX-технологии

Главной особенностью MMX-технологии является новый принцип обработки информации - обработка по схеме SIMD (SINgle INsTRuction - MultIPle Data: один поток команд - много потоков данных). Этот вид обработки подразумевает, что с помощью одной команды выполняется одна и та же операция сразу над несколькими операндами, например, производится суммирование нескольких пар слагаемых. Такой подход требует поддержки как со стороны системы команд и форматов данных, так и на аппаратном уровне.

В микропроцессоре Pentium MMX появились четыре новых типа данных, приведенных на рисунке 15.2.

Для хранения этих данных в микропроцессоре были использованы 80‑разрядные регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, изображенных на рисунке 15.3.

Рисунок 15.2 - Структура данных MMX

Рисунок 15.3 -Отображение регистров MMX на регистры FPU

 

Многофункциональное использование регистров FPU требовало, чтобы их содержимое сохранялось в памяти компьютера при переходе от обработки чисел с плавающей запятой к обработке данных MMX и обратно, что несколько ухудшало производительностьмикропроцессора. Однако это позволило существовавшим в то время операционным системам использовать стандартные механизмы работы с регистрами FPU при сохранении и восстановлении регистров в процессе переключения задач и не потребовало каких-либо доработок ОС.

В систему команд микропроцессора Pentium MMX были включены 57 новых инструкций. Их использование было призвано, во-первых, уменьшить время выполнения мультимедийных приложений, а во-вторых, минимизировать конфликты в конвейере, который становился все более многоступенчатым, что приводило к существенным потерям в производительности из-за конфликтов.

Проиллюстрируем это на примере нескольких команд.

Команда PADDSB "Сложение со знаком с насыщением", приведенном на рисунке 15.4,) выполняет те действия, трудности реализации которых в классической архитектуре IA-32 мы обсуждали выше. Она выполняет сложение одновременно 8 пар однобайтовых операндов. Кроме того, если при выполнении сложения произошло переполнение, то результатом операции будет максимально возможное в этом формате число. Это избавляет программиста от необходимости использования после выполнения каждого сложения команд условных переходов, анализирующих признак переполнения результата, что, в свою очередь, благотворно сказывается на работе конвейера.

Рисунок 15.4 - Схема выполнения операции "Сложение со знаком с насыщением"

 

Команда PMADDWD "Умножение с накоплением" эффективна при выполнении вычислений, характерных для обработки звуковой и графической информации. Она одновременно перемножает четыре операнда формата "слово" (16 разрядов), попарно складывает результаты умножений двух младших и двух старших байт и получает два тридцатидвух разрядных ре зультата, приведенном на рисунке 15.5

 

 

Рисунок 15.5 - Схема выполнения операции "Умножение с накоплением"

 

Команда PMAXSB (реализована в блоке SSE микропроцессора Pentium III) выполняет нахождение максимума одновременно для восьми восьмиразрядных операндов, показанная на рисунке 15.6. Она позволяет не только выполнить операцию пакетами по 8 байт, но и избежать ветвлений, а следовательно, и "штрафов" за их неправильное предсказание.

Технология MMX получила свое развитие в микропроцессоре Pentium III с появлением специального блока SSE (STRamINg SIMDExtension - потоковое SIMD-расширение) обработки информации посхеме SIMD. Этот блок содержит отдельный регистровый файл из восьми 12восьмиразрядных регистров показанный на рисунке 15.7, что позволяет обрабатывать по схе ме SIMD числа с плавающей запятой (четыре тридцатидвух разрядных числа).

 

Рисунок 15.6 -Пример выполнения операции нахождения максимума

 

Рисунок 15.7 -Блок регистров SSE/SSE2

 

Числа с плавающей запятой имеют следующий формат:

- знак: 1 разряд;

- порядок (смещенный): 8 разрядов;

- мантисса: 23 разряда.

Расширено и количество форматов чисел с фиксированной точкой, обрабатываемых по схеме SIMD:

- 16 операндов х 8 разрядов;

- 8 операндов х 16 разрядов;

- 4 операнда х 32 разряда;

- 2 операнда х 64 разряда.

Для обработки чисел новых форматов в систему команд дополнительно введены 70 новых команд.

Блок SSE2, включенный в микропроцессор Pentium 4, реализует 144 новые команды. Из этих 144 инструкций 68 расширяют возможности старых SIMD-инструкций по работе с целыми числами, а 76 являются совершенно новыми. Среди последних - инструкции, позволяющие оперировать со 12восьмиразрядными числами (как целыми, так и вещественными с двойной точностью).

Операции SSE2 позволили существенно повысить эффективность применения микропроцессора при реализации трехмерной графики и современных интернет-приложений, обеспечении сжатия и кодирования аудио- и видеоданных и ряда других применений. В результате производительность процессора Pentium 4 при выполнении таких операций стала вдвое выше, чем Pentium III.

Отметим несколько новых по сравнению с MMX инструкций, вошедших в состав команд SSE/SSE2.

Команда ADDSUBPS выполняет сложение второго и четвертого элементов с одинарной точностью с одновременным вычитанием первого и третьего элементов. Эта инструкция полезна при работе с комплексными числами в случае использования соответствующего типа переменных.

Еще одна команда - HADDPS - осуществляет горизонтальное сложение элементов с одинарной точностью. Первый результат является суммой первого и второго элементов первого (исходного) операнда; второй результат - суммой третьего и четвертого элементов первого операнда; третий результат - суммой первого и второго элементов второго операнда (операнда назначения) и, наконец, четвертый результат - суммой третьего и четвертого элементов второго операнда, изображенные на рисунке 15.8.

 

Рисунок 15.8 - Схема выполнения операции HADDPS

 

Новые возможности в этом направлении обработки информации были обеспечены в технологии SSE3, внедренной в ядре Prescott процессора Pentium 4 добавлением набора из 13 инструкций, и в технологии SSE4 в микропроцессорах семейства INTel Core 2 Duo.

Контрольные вопросы:

1. Структура и архитектурные особенности микропроцессора Intel Pentium 4, завершающего линейку тридцатидвух разрядных микропроцессоров IA‑32.

2. Особенности микроархитектуры intel Pentium 4.

3. Организация новой системной шины FSB.

4. Обработка информации в блоке SSE2.