CPU之多媒體指令集詳細介紹
2020-07-16 13:10:57
供稿：網友
CPU依靠指令來計算和控制系統，每款CPU在設計時就規定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和AMD的3DNow!等都是CPU的擴展指令集，分別增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會把CPU的擴展指令集稱為"CPU的指令集"。
1、精簡指令集的運用
在最初發明計算機的數十年里，隨著計算機功能日趨增大，性能日趨變強，內部元器件也越來越多，指令集日趨復雜，過于冗雜的指令嚴重的影響了計算機的工作效率。后來經過研究發現，在計算機中，80％程序只用到了20％的指令集，基于這一發現，RISC精簡指令集被提了出來，這是計算機系統架構的一次深刻革命。RISC體系結構的基本思路是：抓住CISC指令系統指令種類太多、指令格式不規范、尋址方式太多的缺點，通過減少指令種類、規范指令格式和簡化尋址方式，方便處理器內部的并行處理，提高VLSI器件的使用效率，從而大幅度地提高處理器的性能。
RISC指令集有許多特征，其中最重要的有：
•指令種類少，指令格式規范：RISC指令集通常只使用一種或少數幾種格式。指令長度單一（一般4個字節），并且在字邊界上對齊，字段位置、特別是操作碼的位置是固定的。
•尋址方式簡化：幾乎所有指令都使用寄存器尋址方式，尋址方式總數一般不超過5個。其他更為復雜的尋址方式，如間接尋址等則由軟件利用簡單的尋址方式來合成。
•大量利用寄存器間操作：RISC指令集中大多數操作都是寄存器到寄存器操作，只以簡單的Load和Store操作訪問內存。因此，每條指令中訪問的內存地址不會超過1個，訪問內存的操作不會與算術操作混在一起。
•簡化處理器結構：使用RISC指令集，可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設計，不必使用大量專用寄存器，特別是允許以硬件線路來實現指令操作，而不必像CISC處理器那樣使用微程序來實現指令操作。因此RISC處理器不必像CISC處理器那樣設置微程序控制存儲器，就能夠快速地直接執行指令。
•便于使用VLSI技術：隨著LSI和VLSI技術的發展，整個處理器（甚至多個處理器）都可以放在一個芯片上。RISC體系結構可以給設計單芯片處理器帶來很多好處，有利于提高性能，簡化VLSI芯片的設計和實現?；赩LSI技術，制造RISC處理器要比CISC處理器工作量小得多，成本也低得多。
•加強了處理器并行能力：RISC指令集能夠非常有效地適合于采用流水線、超流水線和超標量技術，從而實現指令級并行操作，提高處理器的性能。目前常用的處理器內部并行操作技術基本上是基于RISC體系結構發展和走向成熟的。
正由于RISC體系所具有的優勢，它在高端系統得到了廣泛的應用，而CISC體系則在桌面系統中占據統治地位。而在如今，在桌面領域，RISC也不斷滲透，預計未來，RISC將要一統江湖。
2、CPU的擴展指令集
對于CPU來說，在基本功能方面，它們的差別并不太大，基本的指令集也都差不多，但是許多廠家為了提升某一方面性能，又開發了擴展指令集，擴展指令集定義了新的數據和指令，能夠大大提高某方面數據處理能力，但必需要有軟件支持。
•MMX 指令集
MMX（Multi Media eXtension，多媒體擴展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一項多媒體指令增強技術。MMX指令集中包括有57條多媒體指令，通過這些指令可以一次處理多個數據，在處理結果超過實際處理能力的時候也能進行正常處理，這樣在軟件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益處在于，當時存在的操作系統不必為此而做出任何修改便可以輕松地執行MMX程序。但是，問題也比較明顯，那就是MMX指令集與x87浮點運算指令不能夠同時執行，必須做密集式的交錯切換才可以正常執行，這種情況就勢必造成整個系統運行質量的下降。
•SSE指令集
SSE（Streaming SIMD Extensions，單指令多數據流擴展）指令集是Intel在Pentium III處理器中率先推出的。其實，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾經通過各種渠道公布過所謂的KNI（Katmai New Instruction）指令集，這個指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多傳媒稱之為MMX指令集的下一個版本，即MMX2指令集。究其背景，原來"KNI"指令集是Intel公司最早為其下一代芯片命名的指令集名稱，而所謂的"MMX2"則完全是硬件評論家們和媒體憑感覺和印象對"KNI"的 評價，Intel公司從未正式發布過關于MMX2的消息。
而最終推出的SSE指令集也就是所謂勝出的"互聯網SSE"指令集。SSE指令集包括了70條指令，其中包含提高3D圖形運算效率的50條SIMD（單指令多數據技術）浮點運算指令、12條MMX 整數運算增強指令、8條優化內存中連續數據塊傳輸指令。理論上這些指令對目前流行的圖像處理、浮點運算、3D運算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒體應用起到全面強化的作用。SSE指令與3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技術的絕大部分功能，只是實現的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通過SIMD和單時鐘周期并行處理多個浮點數據來有效地提高浮點運算速度。
SSE2指令集
SSE2(Streaming SIMD Extensions 2，Intel官方稱為SIMD 流技術擴展 2或數據流單指令多數據擴展指令集 2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基礎上發展起來的。相比于SSE，SSE2使用了144個新增指令，擴展了MMX技術和SSE技術，這些指令提高了廣大應用程序的運行性能。隨MMX技術引進的SIMD整數指令從64位擴展到了128 位，使SIMD整數類型操作的有效執行率成倍提高。雙倍精度浮點SIMD指令允許以 SIMD格式同時執行兩個浮點操作，提供雙倍精度操作支持有助于加速內容創建、財務、工程和科學應用。除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增強，通過支持多種數據類型(例如，雙字和四字)的算術運算，支持靈活并且動態范圍更廣的計算功能。SSE2指令可讓軟件開發員極其靈活的實施算法，并在運行諸如MPEG-2、MP3、3D圖形等之類的軟件時增強性能。Intel是從Willamette核心的Pentium 4開始支持SSE2指令集的，而AMD則是從K8架構的SledgeHammer核心的Opteron開始才支持SSE2指令集的。
SSE3指令集
SSE3(Streaming SIMD Extensions 3，Intel官方稱為SIMD 流技術擴展 3或數據流單指令多數據擴展指令集 3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基礎上發展起來的。相比于SSE2，SSE3在SSE2的基礎上又增加了13個額外的SIMD指令。SSE3 中13個新指令的主要目的是改進線程同步和特定應用程序領域，例如媒體和游戲。這些新增指令強化了處理器在浮點轉換至整數、復雜算法、視頻編碼、SIMD浮點寄存器操作以及線程同步等五個方面的表現，最終達到提升多媒體和游戲性能的目的。Intel是從Prescott核心的Pentium 4開始支持SSE3指令集的，而AMD則是從2005年下半年Troy核心的Opteron開始才支持SSE3的。但是需要注意的是，AMD所支持的SSE3與Intel的SSE3并不完全相同，主要是刪除了針對Intel超線程技術優化的部分指令。
•3D Now!(3D no waiting)指令集
3DNow！是AMD公司開發的SIMD指令集，可以增強浮點和多媒體運算的速度，并被AMD廣泛應用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）處理器上。3DNow!指令集技術其實就是21條機器碼的擴展指令集。
與Intel公司的MMX技術側重于整數運算有所不同，3DNow!指令集主要針對三維建模、坐標變換 和效果渲染等三維應用場合，在軟件的配合下，可以大幅度提高3D處理性能。后來在Athlon上開發了Enhanced 3DNow!。這些AMD標準的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因為受到Intel在商業上以及Pentium III成功的影響，軟件在支持SSE上比起3DNow!更為普遍。Enhanced 3DNow!AMD公司繼續增加至52個指令，包含了一些SSE碼，因而在針對SSE做最佳化的軟件中能獲得更好的效能。
