使用IA-32平台提供的高级功能 (一)
zenglong 2014-07-12 03:09:32
英特尔处理器家族在IA-32指令集中提供了先进的数学处理能力，如果你的应用需要进行大量的数学运算的话，如音频和视频的处理，就可以利用下面要介绍的技术来提高应用程序的性能...
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本篇翻译对应汇编教程英文原著的第512页到第518页，对应原著第17章 (注意这里的页数不是页脚的页数，而是pdf电子档顶部，分页输入框中的页数，也就是包含了目录，前言部分的总页数，pdf电子档总页数是577，当前已翻译完的页数为518 / 577)。
英特尔处理器家族在IA-32指令集中提供了先进的数学处理能力，如果你的应用需要进行大量的数学运算的话，如音频和视频的处理，就可以利用下面要介绍的技术来提高应用程序的性能。
在之前的"汇编数据处理 (一)"到"汇编数据处理 (四) 数据处理结束篇"的这几篇文章中，我们介绍过SIMD(Single Instruction Multiple Data 单指令多数据模式)。该模式里的技术可以在单一的指令中处理多个数据，因此，适合于大量的复杂的数学运算，下面先对SIMD进行简单的回顾。
A Brief Review of SIMD -- SIMD的简单回顾
IA-32平台的SIMD主要由以下4个技术组成：
SIMD的主要优势就在于，可以在单一的指令中并行的执行多个数学运算，为了能实现并行的数学运算，MMX和SSE技术都提供了一些额外的寄存器，可以用于存储压缩的数据(也就是在单一的寄存器里存储多个数据)，这样，MMX和SSE的指令就可以对这些单一寄存器中的多个数据同时进行数学运算了。
下面先对MMX，SSE，SSE2及SSE3做个简要的概述。
MMX：
MMX技术主要是对整数类型的数据进行操作，该技术提供了三种新的整数类型：
可以看出来，FPU寄存器既可以存储MMX数据，又可以存储FPU浮点数据。
当FPU寄存器的exponent指数部分的二进制值全部被设置为1时，存储的就是MMX数据，这里提到的exponent是浮点数科学记数的组成部分，详情可以参考之前的"汇编数据处理 (三) 浮点数"的文章里的图1和图2。其他情况下存储的就是普通的双精度扩展格式的浮点数。
当FPU寄存器被用于存储MMX的数据时，FPU的Tag寄存器的值就会被破坏掉，也就是无法用Tag寄存器来检测FPU数据寄存器里的数据类型，有关Tag寄存器的作用可以参考之前的"高级数学运算 (一) FPU寄存器介绍"文章中的图1 。因此，在执行MMX相关的指令之前，最好先用FSAVE或FXSAVE指令将FPU寄存器的完整工作状态(包括数据寄存器的值)保存到内存里，当执行完MMX相关的指令后，再通过FRSTOR或FXRSTOR指令来恢复之前的FPU的工作状态。FSAVE与FRSTOR指令的详细用法可以参考之前的"高级数学运算 (四) 高级运算结束篇"的文章。另外，FSAVE，FRSTOR与FXSAVE，FXRSTOR指令的区别在于，前者只会保存和恢复FPU的状态，而后者则可以保存和恢复FPU，MMX以及SSE的状态。
当MMX相关的指令执行完毕后，还需要使用EMMS指令来清除FPU的Tag寄存器的值，这样，后面和FPU相关的浮点运算指令才能被正确执行。
MMX技术除了引入了64位的压缩整数类型外，还相应的引入了一些额外的指令，这些指令可以同时操作MMX寄存器里的多个整数，例如之前的"汇编数据处理 (二)"文章中提到的MOVQ指令等。
SSE：
SSE技术的主要目的是将SIMD的单指令多数据的操作模式给应用到浮点数上。我们在之前的"汇编数据处理 (四) 数据处理结束篇"的文章里，对SSE技术做过介绍，该技术引入了128位的压缩单精度浮点数类型(可以包含4个32位的单精度浮点值)，为了能容纳这种新的128位的数据类型，SSE技术中就引入了8个128位的XMM寄存器，这8个寄存器被命名为XMM0到XMM7 ，在SSE的浮点数学运算中就会使用到这些XMM寄存器。
SSE还相应的引入了一些新的指令，这些指令可以对压缩单精度浮点数里的4个浮点数同时进行运算。
SSE2：
SSE2是对SSE技术的扩展，它新增了5个新的数据类型：
SSE3技术并没有在SSE2的基础上新增什么额外的数据类型，只是提供了一些更加先进的数据处理指令。
Detecting Supported SIMD Operations 检测当前处理器所支持的SIMD技术：
在学习具体的MMX和SSE的指令之前，最好先弄清楚你的处理器到底支持哪些技术，下面将通过汇编程式来检测处理器是否支持MMX，SSE，SSE2或SSE3技术。
Detecting support 检测支持的SIMD技术：
通过CPUID指令就可以检测出当前处理器所支持的SIMD技术。
在之前的"汇编开发示例 (一)"的文章中，我们通过示例演示了CPUID指令的用法，不过在该示例里，我们只是用CPUID指令来获取处理器的供应商ID字符串信息，其实，该指令还可以获取到处理器的其他信息，我们可以通过设置EAX的值，来控制CPUID指令返回什么类型的信息。
当EAX的值为1时，CPUID指令将返回处理器的签名信息，这些签名信息会包含在ECX与EDX这两个寄存器里，这些寄存器的某些二进制位就可以用于检测当前处理器所支持的SIMD技术，如下表所示：
当上表中对应的二进制被设置时，则说明支持对应的功能，反之，清零时，则说明不支持对应的功能。在汇编程式里，可以通过TEST指令和eflags寄存器里的ZF标志位来进行检测。
要使用TEST对二进制位进行检测，还必须知道这些二进制位所对应的十六进制值，如下图所示：
图1
根据上图，要用TEST指令检测MMX功能的话，可以使用如下代码：
当eflags寄存器的ZF标志被设置时，则jz指令就会跳转到notfound处，表示当前处理器不支持MMX功能，类似的，检测SSE功能的汇编代码如下：
检测SSE2的汇编代码如下：
最后，检测SSE3的代码如下：
接下来，我们将上面的代码整合到自己的汇编程式里，就可以检测出当前处理器所支持的SIMD技术了。
SIMD feature program 检测SIMD的汇编程式：
下面的features.s程式就用于检测出处理器支持的SIMD技术：
上面的features.s程式会将检测到的处理器所支持的SIMD功能都显示出来，首先会通过movl $1, %eax指令将EAX设置为1，这样，随后执行的CPUID指令将返回处理器的签名信息，然后我们就可以通过TEST指令来对ECX和EDX里的相关二进制位进行检测，由于要进行4次检测，因此，有必要将ECX与EDX里的值分别存储到.bss段的ecxdata与edxdata的内存位置处。
此外，由于SIMD的功能是向上累积的，例如，假设处理器不支持MMX功能，那么其他的后面新增的SSE功能也就不支持，还比如，假设处理器不支持SSE2功能，那么后面新增的SSE3功能就肯定不支持，就不需要再进行SSE3的检测了，并且，上面的代码是以MMX，SSE，SSE2，SSE3的顺序来进行检测的，因此，在某个TEST指令进行检测后，如果不支持对应的功能，就可以直接通过jz done指令跳转到done结束位置。
在TEST指令进行检测后，如果支持对应的功能，就会通过printf的C库函数将支持某功能的字符串信息给显示出来，由于用到了C库函数，因此，在链接时，需要将C库文件及动态库的加载器给添加到链接参数里。
features.s程式的编译运行结果如下：
可以看出来，作者的处理器支持MMX，SSE，SSE2和SSE3的功能。
本篇就到这里，下一篇将介绍MMX技术中引入的汇编指令。
OK，休息，休息一下 o(∩_∩)o~~
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本篇翻译对应汇编教程英文原著的第512页到第518页，对应原著第17章 (注意这里的页数不是页脚的页数，而是pdf电子档顶部，分页输入框中的页数，也就是包含了目录，前言部分的总页数，pdf电子档总页数是577，当前已翻译完的页数为518 / 577)。
英特尔处理器家族在IA-32指令集中提供了先进的数学处理能力，如果你的应用需要进行大量的数学运算的话，如音频和视频的处理，就可以利用下面要介绍的技术来提高应用程序的性能。
在之前的"汇编数据处理 (一)"到"汇编数据处理 (四) 数据处理结束篇"的这几篇文章中，我们介绍过SIMD(Single Instruction Multiple Data 单指令多数据模式)。该模式里的技术可以在单一的指令中处理多个数据，因此，适合于大量的复杂的数学运算，下面先对SIMD进行简单的回顾。
A Brief Review of SIMD -- SIMD的简单回顾
IA-32平台的SIMD主要由以下4个技术组成：
-
Multimedia Extensions (MMX)
多媒体扩展技术 -
Streaming SIMD Extensions (SSE)
奔腾三处理器中引入的MMX的扩充指令集，或者叫做MMX的超集 -
Streaming SIMD Extensions Second Implementation (SSE2)
第二代SSE技术 -
Streaming SIMD Extension Third Implementation (SSE3)
第三代SSE技术
SIMD的主要优势就在于，可以在单一的指令中并行的执行多个数学运算，为了能实现并行的数学运算，MMX和SSE技术都提供了一些额外的寄存器，可以用于存储压缩的数据(也就是在单一的寄存器里存储多个数据)，这样，MMX和SSE的指令就可以对这些单一寄存器中的多个数据同时进行数学运算了。
下面先对MMX，SSE，SSE2及SSE3做个简要的概述。
MMX：
MMX技术主要是对整数类型的数据进行操作，该技术提供了三种新的整数类型：
-
64-bit packed byte integers (contains eight single-byte integer values)
64位压缩字节整数 (包含8个单字节整数值) -
64-bit packed word integers (contains four word integer values)
64位压缩字整数 (包含4个16位字大小的整数值) -
64-bit packed doubleword integers (contains two doubleword integer values)
64位压缩双字整数 (包含2个32位双字大小的整数值)
可以看出来，FPU寄存器既可以存储MMX数据，又可以存储FPU浮点数据。
当FPU寄存器的exponent指数部分的二进制值全部被设置为1时，存储的就是MMX数据，这里提到的exponent是浮点数科学记数的组成部分，详情可以参考之前的"汇编数据处理 (三) 浮点数"的文章里的图1和图2。其他情况下存储的就是普通的双精度扩展格式的浮点数。
当FPU寄存器被用于存储MMX的数据时，FPU的Tag寄存器的值就会被破坏掉，也就是无法用Tag寄存器来检测FPU数据寄存器里的数据类型，有关Tag寄存器的作用可以参考之前的"高级数学运算 (一) FPU寄存器介绍"文章中的图1 。因此，在执行MMX相关的指令之前，最好先用FSAVE或FXSAVE指令将FPU寄存器的完整工作状态(包括数据寄存器的值)保存到内存里，当执行完MMX相关的指令后，再通过FRSTOR或FXRSTOR指令来恢复之前的FPU的工作状态。FSAVE与FRSTOR指令的详细用法可以参考之前的"高级数学运算 (四) 高级运算结束篇"的文章。另外，FSAVE，FRSTOR与FXSAVE，FXRSTOR指令的区别在于，前者只会保存和恢复FPU的状态，而后者则可以保存和恢复FPU，MMX以及SSE的状态。
当MMX相关的指令执行完毕后，还需要使用EMMS指令来清除FPU的Tag寄存器的值，这样，后面和FPU相关的浮点运算指令才能被正确执行。
MMX技术除了引入了64位的压缩整数类型外，还相应的引入了一些额外的指令，这些指令可以同时操作MMX寄存器里的多个整数，例如之前的"汇编数据处理 (二)"文章中提到的MOVQ指令等。
SSE：
SSE技术的主要目的是将SIMD的单指令多数据的操作模式给应用到浮点数上。我们在之前的"汇编数据处理 (四) 数据处理结束篇"的文章里，对SSE技术做过介绍，该技术引入了128位的压缩单精度浮点数类型(可以包含4个32位的单精度浮点值)，为了能容纳这种新的128位的数据类型，SSE技术中就引入了8个128位的XMM寄存器，这8个寄存器被命名为XMM0到XMM7 ，在SSE的浮点数学运算中就会使用到这些XMM寄存器。
SSE还相应的引入了一些新的指令，这些指令可以对压缩单精度浮点数里的4个浮点数同时进行运算。
SSE2：
SSE2是对SSE技术的扩展，它新增了5个新的数据类型：
-
128-bit packed double-precision floating-point value (contains two double-precision values)
128位压缩双精度浮点数 (包含2个双精度浮点值) -
128-bit packed byte integer value (contains 16 single-byte integer values)
128位压缩字节整数 (包含16个单字节整数值) -
128-bit packed word integer value (contains eight word integer values)
128位压缩字整数 (包含8个16位字大小的整数值) -
128-bit packed doubleword integer value (contains four doubleword integer values)
128位压缩双字整数 (包含4个32位双字大小的整数值) -
128-bit packed quadword integer value (contains two quadword integer values)
128位压缩四字整数 (包含2个64位的四字大小的整数值)
SSE3技术并没有在SSE2的基础上新增什么额外的数据类型，只是提供了一些更加先进的数据处理指令。
Detecting Supported SIMD Operations 检测当前处理器所支持的SIMD技术：
在学习具体的MMX和SSE的指令之前，最好先弄清楚你的处理器到底支持哪些技术，下面将通过汇编程式来检测处理器是否支持MMX，SSE，SSE2或SSE3技术。
Detecting support 检测支持的SIMD技术：
通过CPUID指令就可以检测出当前处理器所支持的SIMD技术。
在之前的"汇编开发示例 (一)"的文章中，我们通过示例演示了CPUID指令的用法，不过在该示例里，我们只是用CPUID指令来获取处理器的供应商ID字符串信息，其实，该指令还可以获取到处理器的其他信息，我们可以通过设置EAX的值，来控制CPUID指令返回什么类型的信息。
当EAX的值为1时，CPUID指令将返回处理器的签名信息，这些签名信息会包含在ECX与EDX这两个寄存器里，这些寄存器的某些二进制位就可以用于检测当前处理器所支持的SIMD技术，如下表所示：
|
REGISTER 寄存器 |
Bit 二进制位 |
Feature 所支持的SIMD技术 |
|---|---|---|
| EDX | 23 |
Supports MMX instructions 支持MMX指令集 |
| EDX | 25 |
Supports SSE instructions 支持SSE指令集 |
| EDX | 26 |
Supports SSE2 instructions 支持SSE2指令集 |
| ECX | 0 |
Supports SSE3 instructions 支持SSE3指令集 |
当上表中对应的二进制被设置时，则说明支持对应的功能，反之，清零时，则说明不支持对应的功能。在汇编程式里，可以通过TEST指令和eflags寄存器里的ZF标志位来进行检测。
要使用TEST对二进制位进行检测，还必须知道这些二进制位所对应的十六进制值，如下图所示：
图1
根据上图，要用TEST指令检测MMX功能的话，可以使用如下代码：
test $0x00800000, %edx jz notfound |
当eflags寄存器的ZF标志被设置时，则jz指令就会跳转到notfound处，表示当前处理器不支持MMX功能，类似的，检测SSE功能的汇编代码如下：
test $0x02000000, %edx jz notfound |
检测SSE2的汇编代码如下：
test $0x04000000, %edx jz notfound |
最后，检测SSE3的代码如下：
test $0x00000001, %ecx jz notfound |
接下来，我们将上面的代码整合到自己的汇编程式里，就可以检测出当前处理器所支持的SIMD技术了。
SIMD feature program 检测SIMD的汇编程式：
下面的features.s程式就用于检测出处理器支持的SIMD技术：
# features.s - Determine MMX, SSE, SSE2, and SSE3 capabilities
.section .data
gotmmx:
.asciz "Supports MMX"
gotsse:
.asciz "Supports SSE"
gotsse2:
.asciz "Supports SSE2"
gotsse3:
.asciz "Supports SSE3"
output:
.asciz "%s\n"
.section .bss
.lcomm ecxdata, 4
.lcomm edxdata, 4
.section .text
.globl _start
_start:
nop
movl $1, %eax
cpuid
movl %ecx, ecxdata
movl %edx, edxdata
test $0x00800000, %edx
jz done
pushl $gotmmx
pushl $output
call printf
addl $8, %esp
movl edxdata, %edx
test $0x02000000, %edx
jz done
pushl $gotsse
pushl $output
call printf
addl $8, %esp
movl edxdata, %edx
test $0x04000000, %edx
jz done
pushl $gotsse2
pushl $output
call printf
addl $8, %esp
movl ecxdata, %ecx
test $0x00000001, %ecx
jz done
pushl $gotsse3
pushl $output
call printf
addl $8, %esp
done:
pushl $0
call exit
|
上面的features.s程式会将检测到的处理器所支持的SIMD功能都显示出来，首先会通过movl $1, %eax指令将EAX设置为1，这样，随后执行的CPUID指令将返回处理器的签名信息，然后我们就可以通过TEST指令来对ECX和EDX里的相关二进制位进行检测，由于要进行4次检测，因此，有必要将ECX与EDX里的值分别存储到.bss段的ecxdata与edxdata的内存位置处。
此外，由于SIMD的功能是向上累积的，例如，假设处理器不支持MMX功能，那么其他的后面新增的SSE功能也就不支持，还比如，假设处理器不支持SSE2功能，那么后面新增的SSE3功能就肯定不支持，就不需要再进行SSE3的检测了，并且，上面的代码是以MMX，SSE，SSE2，SSE3的顺序来进行检测的，因此，在某个TEST指令进行检测后，如果不支持对应的功能，就可以直接通过jz done指令跳转到done结束位置。
在TEST指令进行检测后，如果支持对应的功能，就会通过printf的C库函数将支持某功能的字符串信息给显示出来，由于用到了C库函数，因此，在链接时，需要将C库文件及动态库的加载器给添加到链接参数里。
features.s程式的编译运行结果如下：
$ as -o features.o features.s $ ld -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -lc -o features features.o $ ./features Supports MMX Supports SSE Supports SSE2 Supports SSE3 $ |
可以看出来，作者的处理器支持MMX，SSE，SSE2和SSE3的功能。
本篇就到这里，下一篇将介绍MMX技术中引入的汇编指令。
OK，休息，休息一下 o(∩_∩)o~~