SSE体系结构与编程.ppt

SSE编程,华南理工大学 陈虎 博士 ,什么是SIMD,SIMD(Single Instruction Multiple Data): 单指令流多数据流) 用一个控制器对一组数据（又称“数据向量”）中的每一个分别执行相同的操作来实现空间上的并行性 典型实例： Intel的MMX或SSE AMD的3D Now!,Intel的SSE技术,SSE指令集出现在Pentium III处理器中 包括了70条指令，其中50条SIMD浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条内存连续数据块传输指令。 SSE2指令集： 使用了144个新增指令 从64位扩展到了128 位 提供双精度操作支持,Intel的SSE技术,SSE3指令集 增加13条指令 超线程性能增强指令可以提升处理器的超线程处理能力 SSE4指令集 共包括16条指令 AVX (Advanced Vector Extensions)，预计2010年发布 数据宽度从128位扩展为256位 操作数从两个增加到三个,SSE2的寄存器结构,IA32 Basic Architecture：图10-1,SSE1、2的数据类型,数据总宽度为128位，可以表示成： 四个单精度浮点数 两个双精度浮点数 16个字节整数 8个16位整数 4个32位整数 2个64位整数,SSE指令,SSE指令按功能可以分成四组： 封装和标量单精度浮点指令 64位的SIMD整数指令 状态管理指令 缓存控制，预取和内存命令指令,浮点指令,数据移动指令（标量、成组） 寄存器到存储器 存储器到寄存器 寄存器之间 算术运算指令（标量、成组） 加、减、乘、除、平方根、最大、最小 比较指令（标量、成组） 混洗指令 转换指令 逻辑操作指令,整数指令,算术指令 最大、最小、平均值 数据移动指令 混洗指令 MXCSR管理指令 Cache和存储器控制指令,使用SSE指令的四种方法,编译器的自动矢量化 使用C+类库 使用编译器的内嵌原语(Intrinsics) 嵌入汇编语言,四种方式的比较,VC8.0的内嵌原语(intrinsics),什么内嵌原语： 一条或一组汇编指令 内嵌原语格式 _mm_ ：指令类别(add、sub) ：指令操作数的类型,内嵌原语的数据类型,p: 紧密，指令对寄存器中的每个元素进行运算 ep: 扩充紧密 s: 标量，只将寄存器中的第一个元素参与运算,其他说明数据类型的关键字有： s 单精度浮点数 d 双精度浮点数 i128 带符号128位整型 i64 带符号64位整型 u64 无符号64位整型 i32 带符号32位整型 u32 无符号32位整型 i8 带符号8位整型 u8 无符号8位整型,内嵌原语的类别,矩阵变换 读写控制寄存器 混洗 Cache控制 数据整型操作 存储操作,置位运算 读取运算 转换运算 比较操作 逻辑运算 算术运算,矩阵变换 例：_MM_TRANSPOSE4_PS(row0, row1, row2, row3) 作用：转置一个44的单精度或双精度元素矩阵,混洗操作 例:_MM_SHUFFLE(z, y, x, w) (z6) | (y4) | (x2) | w 说明: 从第一个操作数中选取两个数，从第二个操作数中选取两个数，形成一个结果字,支持Cache控制 _mm_prefetch：预取稍后运行需要的数据 _mm_stream_pi：把指定位置的数据存储到指定的地址,而不替换cache 整型原语 _mm_extract_pi16： 从4个字中提取一个字 _mm_insert_pi16： 插入一个字 _mm_max_pi16： 计算出最大值 _mm_min_pi16： 计算最小值 读写控制寄存器 _MM_SET_EXCEPTION_STATE：设置异常状态寄存器 _MM_GET_EXCEPTION_STATE：读取异常状态寄存器 可以操作寄存器还包括：EXCEPTION_MASK（异常屏蔽寄存器）、ROUNDING_MODE（舍入模式寄存器）、FLUSH_ZERO_MODE（清0模式寄存器）,存储操作 _mm_store_ss： 存储低位值 _mm_store_ps： 存储4个值,位址对齐 _mm_storer_ps： 存储4个值,顺序相反 读取运算 _mm_load_ss： 读取低值,同时清空其他3个高值 _mm_loadr_ps： 以相反的顺序读入4个值 设置运算 _mm_set_ss： 设置低位为1，同时清空其余三个高位值 _mm_set1_ps： 设置所有4个值为同一值 _mm_setzero_ps： 把所有4个值清零,转换运算 _mm_cvtss_si32：转换单精度浮点数为32位整数 _mm_cvttss_si32：转换单精度浮点数为32位整数（带截断操作） _mm_cvtpi16_ps ：转换16位有符号整数为单精度浮点数 比较原语 _mm_cmpeq_ss：是否相等 _mm_cmplt_ps：是否小于 _mm_cmpgt_ps：是否大于 逻辑运算 _mm_and_ps：与运算 _mm_or_ps：或运算 算术运算 _mm_add_ss：加法 _mm_sub_ps：减法 _mm_mul_ps：乘法,SSE程序实例,双精度三维变换原理,SSE程序实例,两种不同的数据结构 数组-结构(the array-of-structures format(AoS) ) 结构-数组（the structures-of-arrays data format(SoA) ),数组-结构(AoS ),结构-数组(SoA),SSE程序实例,for (int i = 0; i dm00); / 取出y(i)和y(i+1) ty = _mm_load_pd(vertex.y + i); mx1 = _mm_mul_pd(ty, WM-dm01); / 取出z(i)和z(i+1) tz = _mm_load_pd(vertex.z + i); mx2 = _mm_mul_pd(tz, WM-dm02); /x(i)=x(i)*m00+y(i)*m01+z(i)*m02+m03 /x(i+1)=x(i+1)*m00+y(i+1)*m01+z(i+1)*m02+m03 mx0 = _mm_add_pd(mx0, _mm_add_pd(mx1, _mm_add_pd(mx2, WM-dm03); /写入结果x(i),x(i+1) _mm_store_pd(vertex.x + i, mx0);,/ 计算y(i)和y(i+1) mx0 = _mm_mul_pd(tx, WM-dm10); /tx, ty, tz已经事先读入 mx1 = _mm_mul_pd(ty, WM-dm11); mx2 = _mm_mul_pd(tz, WM-dm12); mx0 = _mm_add_pd(mx0, _mm_add_pd(mx1, _mm_add_pd(mx2, WM-dm13); _mm_store_pd(vertex.y + i, mx0); / 计算z(i)和z(i+1) mx0 = _mm_mul_pd(tx, WM-dm20); mx1 = _mm_mul_pd(ty, WM-dm21); mx2 = _mm_mul_pd(tz, WM-dm22); mx0 = _mm_add_pd(mx0, _mm_add_pd(mx1, _mm_add_pd(mx2, WM-dm23); _mm_store_pd(vertex.z + i, mx0); /计算z(i)和z(i+1) mx0 = _mm_mul_pd(tx, WM-dm30); mx1 = _mm_mul_pd(ty, WM-dm31); mx2 = _mm_mul_pd(tz, WM-dm32); mx0 = _mm_add_pd(mx0, _mm_add_pd(mx1, _mm_add_pd(mx2, WM-dm33); _mm_store