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SSE

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SSE（英語：Streaming SIMD Extensions）是英特尔在AMD的3D Now!发布一年之后，在其计算机芯片Pentium III中引入的指令集，是繼MMX的擴充指令集。SSE指令集提供了70條新指令。AMD后来在Athlon XP中加入了对这个新指令集的支持。

SSE的暫存器

 

SSE加入新的8個128位元暫存器（XMM0～XMM7）。而AMD發表的x86-64延伸架構（又稱AMD64）再加入額外8個暫存器。除此之外還有一個新的32位元的控制／狀態暫存器（MXCSR）。不過只能在64位元的模式下才能使用額外8個暫存器。

每個暫存器可以容納4個32位元單精度浮點數，或是2個64位元雙精度浮點數，或是4個32位元整數，或是8個16位元短整數，或是16個字元。整數運算能夠使用正負號運算。而整數SIMD運算可能仍然要與8個64位元MMX暫存器一起執行。

因為作業系統必須要在進程切換的時候保護這些128位元的暫存器狀態，除非作業系統去啟動這些暫存器，否則預設值是不會去啟用的。這表示作業系統必須要知道如何使用FXSAVE與FXRSTOR指令才能儲存x87與SSE暫存器的狀態。而在當時IA-32的主流作業系統很快的都加入了此功能。

由於SSE加入了浮點支持，SSE就比MMX更加常用。而SSE2加入了整數運算支援之後讓SSE更加的有彈性，當MMX變成是多餘的指令集，SSE指令集甚至可以與MMX並行運作，在某些時候可以提供額外的性能增進。

第一個支援SSE的CPU是Pentium III，在FPU與SSE之間共用執行支援。當編譯出來的軟體能夠交叉的同時以FPU與SSE運作，Pentium III並無法在同一個周期中同時執行FPU與SSE。這個限制降低了指令管線的有效性，不過XMM暫存器能夠讓SIMD與純量浮點運算混合執行，而不會因為切換MMX／浮點模式而產生性能的折損。

SSE指令表

SSE提供純量與包裹式（packed）浮點指令。

浮點指令

  • 記憶體到暫存器／暫存器到記憶體／暫存器之間的資料搬移
    • 純量– MOVSS
    • 包裹式– MOVAPS, MOVUPS, MOVLPS, MOVHPS, MOVLHPS, MOVHLPS
  • 數學運算
    • 純量– ADDSS, SUBSS, MULSS, DIVSS, RCPSS, SQRTSS, MAXSS, MINSS, RSQRTSS
    • 包裹式– ADDPS, SUBPS, MULPS, DIVPS, RCPPS, SQRTPS, MAXPS, MINPS, RSQRTPS
  • 比較
    • 純量– CMPSS, COMISS, UCOMISS
    • 包裹式– CMPPS
  • 資料拆包（unpack）與隨機搬移（shuffle）
    • 包裹式– SHUFPS, UNPCKHPS, UNPCKLPS
  • 資料型態轉換
    • 純量– CVTSI2SS, CVTSS2SI, CVTTSS2SI
    • 包裹式– CVTPI2PS, CVTPS2PI, CVTTPS2PI
  • 逐位邏輯運算
    • 包裹式– ANDPS, ORPS, XORPS, ANDNPS

整數指令

  • 數學運算
    • PMULHUW, PSADBW, PAVGB, PAVGW, PMAXUB, PMINUB, PMAXSW, PMINSW
  • 資料搬移
    • PEXTRW, PINSRW
  • 其他
    • PMOVMSKB, PSHUFW

其他指令

  • MXCSR管理
    • LDMXCSR, STMXCSR
  • 快取與記憶體管理
    • MOVNTQ, MOVNTPS, MASKMOVQ, PREFETCH0, PREFETCH1, PREFETCH2, PREFETCHNTA, SFENCE

例子

下面这个例子演示了使用SSE的优点。向量加法在计算机图形中很常用，如果在x86平台上想将四对单精度浮点数相加，必须使用四对浮点相加指令。 

vec_res.x = v1.x + v2.x;
vec_res.y = v1.y + v2.y;
vec_res.z = v1.z + v2.z;
vec_res.w = v1.w + v2.w;

上面这段代码会被编译成4条x86 FADD指令。下面的伪代码展示用128位包裹式相加（packed-add）指令替代4个纯量相加指令。 

 movaps xmm0, [v1]          ;xmm0 = v1.w | v1.z | v1.y | v1.x 
 addps xmm0, [v2]           ;xmm0 = v1.w+v2.w | v1.z+v2.z | v1.y+v2.y | v1.x+v2.x               
 movaps [vec_res], xmm0

後續版本

SSE2

SSE2是Intel在Pentium 4處理器的最初版本中引入的，但是AMD后来在Opteron和Athlon 64處理器中也加入了SSE2的支持。SSE2指令集添加了对64位双精度浮点数的支持，以及对整型数据的支持，也就是说这个指令集中所有的MMX指令都是多余的了，同时也避免了占用浮点数寄存器。这个指令集还增加了对CPU快取的控制指令。AMD对它的扩展增加了8个XMM寄存器，但是需要切换到64位模式（x86-64/AMD64）才可以使用这些寄存器。Intel后来在其Intel 64架构中也增加了对x86-64的支持。

SSE3

SSE3是Intel在Pentium 4處理器的Prescott核心中引入的第三代SIMD指令集，AMD在Athlon 64的第五个版本，Venice核心中也加入了SSE3的支持。这个指令集扩展的指令包含寄存器的局部位之间的运算，例如高位和低位之间的加减运算；浮点数到整数的转换，以及对超线程技术的支持。

SSSE3

SSSE3是Intel針對SSE3指令集的一次額外擴充，最早內建於Core 2 Duo處理器中。

SSE4

SSE4是Intel在Penryn核心的Core 2 Duo與Core 2 Solo處理器時，新增的47條新多媒體指令集，現在SSE4版本更新至SSE4.2。

SSE4a

AMD也開發了屬於自己的SSE4a多媒體指令集，並內建在Athlon II與Opteron等K10架構處理器中，不過SSE4a無法與Intel的SSE4系列指令集相容。目前AMD新一代處理器已支援Intel的SSE4.1、SSE4.2指令集。

SSE5

SSE5是AMD為了打破Intel壟斷在處理器指令集的獨霸地位所提出的，SSE5初期規劃將加入超過100條新指令，其中最引人注目的就是三運算元指令（3-Operand Instructions）及熔合乘法累積（Fused Multiply Accumulate）。其中，三運算元指令讓處理器可將一個數學或邏輯函式庫，套用到運算元或輸入資料。藉由增加運算元的數量，一個x86指令能處理二至三筆資料，SSE5允許將多個簡單指令匯整成一個指令，達到更有效率的指令處理模式。提升為三運算指令的運算能力，是少數RISC架構的水準。熔合乘法累積讓允許建立新的指令，有效率地執行各種複雜的運算。熔合乘法累積可結合乘法與加法運算，透過單一指令執行多筆重複計算。透過簡化程式碼，讓系統能迅速執行繪圖著色、快速相片著色、音場音效，以及複雜向量演算等效能密集的應用作業。目前AMD已放棄下一代Bulldozer核心內建SSE5指令集，改內建Intel授權SSE4系列指令集。

AVX

AVX（Advanced Vector Extensions）是Intel的SSE延伸架構，如IA16至IA32般的把暫存器XMM 128bit提升至YMM 256bit，以增加一倍的運算效率。

FMA

  • FMA是Intel的AVX擴充指令集，如名稱上熔合乘法累積（Fused Multiply Accumulate）的意思一樣。

參見

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