處理器的大腦!小編帶您讀懂CPU指令集

    泡泡網(wǎng)CPU頻道4月26日 在我們對一款CPU進(jìn)行全面的了解的時候，我們看看大多數(shù)人都遺漏了什么。很多人一般先從處理器的架構(gòu)開始，看看該處理器采用了什么架構(gòu)，相比上一代或者競爭對手的CPU在架構(gòu)上都有什么改進(jìn)或者優(yōu)勢。

    其次，再看這款CPU與同檔次的處理器的主頻孰高孰低，默認(rèn)高主頻的處理器一般是采用較好的晶圓來制造的，穩(wěn)定性更好，再次是看該處理器的緩存容量有多少（尤其是Intel的處理器非常依賴緩存），緩存充當(dāng)處理器與緩存之間的橋梁，起到一定的數(shù)據(jù)緩沖作用。

全面了解處理器

    最后我們要看該處理器采用的制程，一般制程越先進(jìn)，發(fā)熱量越低，而相對越好超，而比較關(guān)注節(jié)能性能的網(wǎng)友，還會著重看該處理器的功耗為多少。那么我們看完這些參數(shù)是不是漏了些什么呢？

    其實(shí)仔細(xì)想想，我們會恍然大悟，還有該處理器支持的指令集。處理器單靠里面的硬件電路是不會計算的，必須依靠指令來計算和控制系統(tǒng)。

● CPU指令集至關(guān)重要

    每款CPU設(shè)計的時候就制定了一套與內(nèi)部電路配合的指令系統(tǒng)，從具體運(yùn)用看，我們可以在很多CPU身上看到的就有MMX（Multi Media Extended）、SSE（Streaming SIMD Extensions）、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4（分為SSE4.1與SSE4.2兩代，AMD的SSE4A包含在SSE4里面，這個后面會提到），另外還有AMD的3D NOW！系列。

    這些指令集可謂大大增強(qiáng)了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力，下面就讓我們逐個了解下。

● MMX增強(qiáng)多媒體表現(xiàn)

    MMX（Multi Media eXtension，多媒體擴(kuò)展指令集）指令集是英特爾于1996年推出，主要用于多媒體指令增強(qiáng)。

支持MMX指令集的奔騰處理器

    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(shù)據(jù)，在處理結(jié)果超過實(shí)際處理能力的時候也能進(jìn)行正常處理。MMX的益處在于，當(dāng)時存在的操作系統(tǒng)不必為此而做出任何修改便可以輕松地執(zhí)行MMX程序。

    支持MMX的處理器擁有8個MMX寄存器，每個有64-bit（8byte）的容量。MMX僅支持整數(shù)操作，支持1/2/4/8-bytes數(shù)據(jù)。那即是說，一個MMX寄存器能夠儲存8/4/2/1個操作。這造成了MMX指令集與x87浮點(diǎn)運(yùn)算指令不能夠同時執(zhí)行，必須做密集式的交錯切換才可以正常執(zhí)行，這種情況就勢必造成整個系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的下降。目前AMD和和英特爾處理器都支持這一指令集。

● 3D NOW!加速三維渲染

    3DNow!指令集是由AMD提出的，廣泛應(yīng)用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）處理器上。3DNow!跟后面提到的SSE非常類似，但也有一些不同。它擁有 8個新的寄存器，卻是64-bit的，并非128-bit。這樣，它只能存儲兩個浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，而非四個。

K6處理器開始具有3D NOW!指令集

    3DNow！可以執(zhí)行操作：相加/相乘 /相除運(yùn)算，精確或者近似平分根。3DNow!指令集技術(shù)其實(shí)就是21條機(jī)器碼的擴(kuò)展指令集。3DNow!指令集主要針對三維建模、坐標(biāo)變換 和效果渲染等三維應(yīng)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(fā)了Enhanced 3DNow!。

● SSE加快處理多媒體應(yīng)用

    SSE全拼是Streaming SIMD Extension，中文名稱為SIMD擴(kuò)展流。SIMD英文全稱為 Single  Istruction Multiple Data（單指令多數(shù)據(jù)），即一條指令可以完成多個操作。SSE是為提供處理器浮點(diǎn)性能而開發(fā)的擴(kuò)展指令集。

    SSE指令集包括了70條指令，其中包含單指令多數(shù)據(jù)浮點(diǎn)計算、以及額外的SIMD整數(shù)和高速緩存控制指令。其優(yōu)勢包括：更高分辨率的圖像瀏覽和處理、高質(zhì)量音頻、MPEG2視頻、同時MPEG2加解密；語音識別占用更少CPU資源；更高精度和更快響應(yīng)速度。

SSE與MMX指令集

    SSE指令與3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技術(shù)的絕大部分功能，只是實(shí)現(xiàn)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(diǎn)數(shù)據(jù)來有效地提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度。

    SSE(Streaming SIMD Extensions)是英特爾在AMD的3D Now!發(fā)布一年之后，在其計算機(jī)芯片Pentium III中引入的指令集，是MMX的超集。AMD后來在Athlon XP中加入了對這個指令集的支持。這個指令集增加了對8個128位寄存器XMM0-XMM7的支持，每個寄存器可以存儲4個單精度浮點(diǎn)數(shù)。使用這些寄存器的程序必須使用FXSAVE和FXRSTR指令來保持和恢復(fù)狀態(tài)。但是在Pentium III對SSE的實(shí)現(xiàn)中，浮點(diǎn)數(shù)寄存器又一次被新的指令集占用了，但是這一次切換運(yùn)算模式不是必要的了，只是SSE和浮點(diǎn)數(shù)指令不能同時進(jìn)入CPU的處理線而已。

● SSE2 更精確處理浮點(diǎn)數(shù)

    SSE2是英特爾為了應(yīng)對AMD的3Dnow!+指令集，在SSE的基礎(chǔ)上開發(fā)了SSE2，增加了一些指令，使得其處理器性能有大幅度提高。

SSE2最早在奔4引入

    最早在Pentium 4處理器的最初版本中引入，AMD后來在Opteron 和Athlon 64處理器中也加入了SSE2的支持。到P4設(shè)計結(jié)束為止，Intel增加了一套包括144條新建指令的SSE2指令集。SSE2涉及了多重的數(shù)據(jù)目標(biāo)上立刻執(zhí)行一單個的指令（即SIMD）。最重要的是SSE2能處理128位和兩倍精密浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算。

    處理更精確浮點(diǎn)數(shù)的能力使SSE2成為加速多媒體程序、3D處理工程以及工作站類型任務(wù)的基礎(chǔ)配置。

    SSE2指令集添加了對64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)的支持，以及對整型數(shù)據(jù)的支持，也就是說這個指令集中所有的MMX指令都是多余的了，同時也避免了占用浮點(diǎn)數(shù)寄存器。這個指令集還增加了對CPU快取的控制指令。AMD對它的擴(kuò)展增加了8個XMM寄存器，但是需要切換到64位模式（AMD64）才可以使用這些寄存器。Intel后來在其EM64T架構(gòu)中也增加了對AMD64的支持。

● SSE3促進(jìn)五個應(yīng)用

    SSE3指令集是規(guī)模最小的指令集，此前MMX包含有57條命令，SSE包含有50條命令，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。此外Intel害針對SSE3指令集作了一次額外擴(kuò)充，那就是SSSE3是，最早內(nèi)建于Core 2 Duo處理器中。

Intel Core 2 Duo處理器

    SSE3指令集共分為5個應(yīng)用層： 第一層是“數(shù)據(jù)傳輸”，只有一條指令：FISTTP，它有利于x87浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換成整數(shù)，并可以大大提高優(yōu)化的效率。 第二層是“數(shù)據(jù)處理”，指令共有五條，分別是ADDSUBPS，ADDSUBPD，MOVSHDUP，MOVSLDUP，MOVDDUP。這些指令可以簡化復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理過程，由于未來數(shù)據(jù)處理流量將會越來越大，因此Intel在這里應(yīng)用的指令集最多、達(dá)到了五條。 第三層是“特殊處理”，也只有一條：LDDQU。在這條指令主要針對視頻解碼，用來提高處理器對處理媒體數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性。 第四層是“優(yōu)化”，共有四條指令，分別是HADDPS，HSUBPS，HADDPD，HSUBPD，它們可以對程序起到自動優(yōu)化的作用，對處理3D圖形相當(dāng)有用。 第五層是“超線程性能增強(qiáng)”，共有兩條針對線程處理的指令：MONITOR， MWAIT，這有助于增加Intel超線程的處理能力、大大簡化了超線程的數(shù)據(jù)處理過程。

● SSE4.1改進(jìn)視頻處理

    SSE4.1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，用來加強(qiáng)視頻編輯等方面的應(yīng)用。另外，AMD也開發(fā)了屬于自己的SSE4a多媒體指令集，并內(nèi)建在Phenom與Opteron等K10架構(gòu)處理器中，不過相關(guān)應(yīng)用都差不多，并且無法與Intel的SSE4系列指令集相容。

緩慢的視頻處理

    據(jù)了解，在進(jìn)行視頻編碼時需要進(jìn)行動態(tài)預(yù)測(Motion Estimation)及差分編碼方式去除相鄰2張影像之相關(guān)性，這是一個非常復(fù)雜的運(yùn)算動作。在沒有SSE4指令集時，完成一個步驟需要以下指令語句：

　　for (int moveblock=0;moveblock<16;moveblock++)

　　for(int line=0; line<16; line++) // Does the 16 pixels large in 4 iteration

　　{

　　int i=0;

　　sum0+=abs( pBlock1[j]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+1]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+2]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+3]-pBlock2[i+3]); // Compare with 0 pixel offset

　　sum1+=abs(pBlock1[j+1]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+2]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+3]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+4]-pBlock2[i+3]); // Compare with 1 pixel offset

　　sum2+=abs(pBlock1[j+2]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+3]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+4]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+5]-pBlock2[i+3]); // Compare with 2 pixel offset

　　sum3+=abs(pBlock1[j+3]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+4]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+5]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+6]-pBlock2[i+3]); // Compare with 3 pixel offset

　　sum4+=abs(pBlock1[j+4]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+5]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+6]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+7]-pBlock2[i+3]); // Compare with 4 pixel offset

    sum5+=abs(pBlock1[j+5]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+6]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+7]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+8]-pBlock2[i+3]); // Compare with 5 pixel offset

    sum6+=abs(pBlock1[j+6]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+7]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+8]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+9]-pBlock2[i+3]); // Compare with 6 pixel offset

    sum7+=abs(pBlock1[j+7]-pBlock2)+abs(pBlock1[j+8]-pBlock2[i+1])+abs(pBlock1[j+9]-pBlock2[i+2])+abs(pBlock1[j+10]-pBlock2[i+3]); // Compare with 7 pixel offset

　　i=4;

　　j=moveblock+4;

　　…

　　… }

　　}

　　一大串的指令極度浪費(fèi)處理器資源，而在支持SSE4指令集的處理器上，只需要采用4 SAD運(yùn)算指令：

　　MPSADBW xmm0,xmm1,0

　　便完全代替了以上繁復(fù)的指令串，大幅提升動態(tài)預(yù)測(Motion Estimation)及差分編碼的運(yùn)算速度。

● SSE4.2優(yōu)化文本處理

    SSE4.2指令集相比SSE4.1新增了STTNI(STring & Text New Instructions)和ATA(Application Targeted Accelerators)兩個部分。此次的改進(jìn)不是針對多媒體而是加速對XML文本的字符串操作、存儲校驗(yàn)等。

漂亮的藝術(shù)字

    SSE4.2加入了七個新指令：CRC32、PCMPESTRI、PCMPESTRM、PCMPISTRI、PCMPISTRM、PCMPGTQ 與 POPCNT這樣一來，采用SSE4.2指令集的處理器，XML的解析速度最高是原來的3.8倍，而指令周期節(jié)省可以達(dá)到2.7倍。

    在ATA領(lǐng)域，SSE 4.2指令集對于大規(guī)模數(shù)據(jù)集中處理和提高通信效率也都會發(fā)揮應(yīng)有的作用，這些對于企業(yè)IT應(yīng)用是有幫助大有裨益的。

● SSE5融匯多條指令

    長久以來，Intel一直在處理器指令集方面具有霸主地位，而SSE5得出現(xiàn)就是AMD試圖改變這一切。SSE5初期規(guī)劃將加入超過100條新指令，其中最引人注目的就是三算子指令（3-Operand Instructions）及熔合乘法累積（Fused Multiply Accumulate）。

    三算子指令讓處理器可將一個數(shù)學(xué)或邏輯函式庫，套用到算子或輸入資料。借由增加算子的數(shù)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(dá)到更有效率的指令處理模式。提升為三運(yùn)算指令的運(yùn)算能力，是少數(shù) RISC 架構(gòu)的水平。

AMD對“推土機(jī)”處理器抱厚望

    熔合乘法累積讓允許建立新的指令，有效率地執(zhí)行各種復(fù)雜的運(yùn)算。熔合乘法累積可結(jié)合乘法與加法運(yùn)算，透過單一指令執(zhí)行多筆重復(fù)計算。透過簡化程式碼，讓系統(tǒng)能迅速執(zhí)行繪圖著色、快速相片著色、音場音效，以及復(fù)雜向量演算等效能密集的應(yīng)用作業(yè)。SSE5將很可能內(nèi)建于AMD下一代Bulldozer（推土機(jī)）核心。

    除了以上幾個常見到的指令集，還有兩個“非主流”指令集：AVX與FMA。

    AVX是Intel的SSE延伸架構(gòu)，如IA16至IA32般的把暫存器XMM 128bit提升至YMM 256bit，以增加一倍的運(yùn)算效率。此架構(gòu)支持了三運(yùn)算指令（3-Operand Instructions），減少在編碼上需要先復(fù)制才能運(yùn)算的動作。在微碼部分使用了LES LDS這兩少用的指令作為延伸指令Prefix。

    FMA是Intel的AVX擴(kuò)充指令集，是Fused Multiply Accumulate的簡寫，翻譯過來就是熔合乘法累積。

Intel Core i3-540

    Intel Core i3-540默認(rèn)主頻高達(dá)3.06GHz，基于雙核心四線程設(shè)計，采用最新32nm設(shè)計。功耗僅73W，并集成733MHz的顯示核心。支持MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, EM64T指令集。

● 總結(jié)

    現(xiàn)在我們算是對CPU中的指令集有了一番了解，在我們?nèi)蘸筇暨x處理器時，可不要忘了這個重要的參數(shù)。■<