CPU官方興奮劑！歷代Intel指令集回顧

2009年07月02日 07:49作者：張柏松編輯：張柏松文章出處：泡泡網(wǎng)原創(chuàng)

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????【泡泡網(wǎng)CPU頻道7月2日】?經(jīng)過多年的發(fā)展，多媒體指令集已經(jīng)成為CPU密不可分的一部分。每次有新的CPU出來，我們也習慣了用CPU-Z檢測一下它有沒有添加什么新的指令集。從我們的應用環(huán)境來看，3D影像越來越復雜，視頻編碼的壓縮率越來越高，都對CPU提出了更高的要求，可以想象，SSE這劑“興奮劑”，CPU只有一直服用下去了。

??? CPU中的指令集，雖然不起眼，但是在CPU的運算中有重要加速作用，尤其是編碼方面，若使用的軟件對CPU的指令集有優(yōu)化，那么CPU的運算效能較無指令集優(yōu)化運行速度有很大提升。SSE指令集作為Intel的頂梁柱，重要些不言而喻。每次的SSE指令集升級，都牽動著英特爾不少心血，除了自身研發(fā)指令集外，如何能讓眾多軟件支持新指令集是更為關鍵的問題。

Intel最優(yōu)異CPU：i7 965指令集

　　CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。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(xiàn)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，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"。

? 精簡指令集的運用

　　在最初發(fā)明計算機的數(shù)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(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在計算機中，80％程序只用到了20％的指令集，基于這一發(fā)現(xiàn)，RISC精簡指令集被提了出來，這是計算機系統(tǒng)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(tǒng)指令種類太多、指令格式不規(guī)范、尋址方式太多的缺點，通過減少指令種類、規(guī)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(guī)范：RISC指令集通常只使用一種或少數(shù)幾種格式。指令長度單一（一般4個字節(jié)），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(shù)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(shù)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(xiàn)指令操作，而不必像CISC處理器那樣使用微程序來實現(xiàn)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(zhí)行指令。

• 便于使用VLSI技術：隨著LSI和VLSI技術的發(fā)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(xiàn)。基于VLSI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(xiàn)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(fā)展和走向成熟的。

　　正由于RISC體系所具有的優(yōu)勢，它在高端系統(tǒng)得到了廣泛的應用，而CISC體系則在桌面系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)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(tǒng)江湖。

? Intel 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(fā)了擴展指令集，擴展指令集定義了新的數(shù)據(jù)和指令，能夠大大提高某方面數(shù)據(jù)處理能力，但必需要有軟件支持，下面我們來i7處理器看一看歷代Intel指令集都有哪些：

• 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(shù)據(jù)，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(tǒng)不必為此而做出任何修改便可以輕松地執(zhí)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(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)運行質量的下降。

?MMX指令集Intel代表處理器：Pentium MMX

? SSE指令集

　　SSE（Streaming SIMD Extensions，單指令多數(shù)據(jù)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(jīng)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(fā)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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)技術）浮點運算指令、12條MMX 整數(shù)運算增強指令、8條優(yōu)化內存中連續(xù)數(shù)據(jù)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(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數(shù)據(jù)來有效地提高浮點運算速度。

?SSE指令集Intel代表處理器：Pentium III

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? SSE2指令集

??? SSE2(Streaming SIMD Extensions 2，Intel官方稱為SIMD流技術擴展2或數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴展指令集2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基礎上發(fā)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(shù)指令從64位擴展到了128 位，使SIMD整數(shù)類型操作的有效執(zhí)行率成倍提高。雙倍精度浮點SIMD指令允許以 SIMD格式同時執(zhí)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(chuàng)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(shù)據(jù)類型(例如，雙字和四字)的算術運算，支持靈活并且動態(tài)范圍更廣的計算功能。SSE2指令可讓軟件開發(fā)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。

?SSE2指令集Intel代表處理器：老Pentium 4

?? SSE3指令集

??? SSE3(Streaming SIMD Extensions 3，Intel官方稱為SIMD流技術擴展3或數(shù)據(jù)流單指令多數(shù)據(jù)擴展指令集3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基礎上發(fā)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(shù)、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(xiàn)，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(yōu)化的部分指令。

?SSE3指令集Intel代表處理器：基于Prescott核心新Pentium 4

?? SSSE3指令集

　　SSSE3（Supplemental Streaming SIMD Extensions 3）內置于Intel公司微處理器中的多媒體關聯(lián)的擴張指令集。是擴張了SSE3的產(chǎn)品，于2006年7月首次裝載在Core 2 Duo處理器中。

??? SSE3裝載了用一個命令一口氣處理復數(shù)個數(shù)據(jù)的「SIMD」的處理方式，特別在處理語音和動畫關聯(lián)上能夠高速地發(fā)揮力量。SSSE3是在 SSE3命令的基礎上又添加了32個新命令的產(chǎn)品，其原名為TNI，是SSE4指令集的子集,包含有13條命令。目前SSSE3也是非常先進的指令集，增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。

?SSSE3指令集Intel代表處理器：65nm 酷睿2

?? SSE4指令集的兩個分支：SSE4.1 + SSE4.2

　　SSE4指令集被認為是2001年以來Intel最重要的指令集擴展，包含54條指令。 Intel在Penryn處理器中加入了對SSE4.1的支持，共增加了47條新指令，提升了處理器在圖形、3D圖像與游戲、視頻編碼與影音處理等方面的性能表現(xiàn)。本次在Nehalem處理器中，進一步支持了SSE4.2指令集。SSE4.2完整的實現(xiàn)了SSE4指令集，相對于SSE4.1加入了7條新指令。

?? SSE4.1指令集

　　45納米加入了SSE4.1指令集，令處理器的多媒體處理能力得到最大70%的提升。SSE4加入了6條浮點型點積運算指令，支持單精度、雙精度浮點運算及浮點產(chǎn)生操作，且IEEE 754指令 (Nearest, -Inf, +Inf, and Truncate) 可立即轉換其路徑模式，大大減少延誤，這些改變將對游戲及 3D 內容制作應用有重要意義。此外，SSE4加入串流式負載指令，可提高以圖形幀緩沖區(qū)的讀取數(shù)據(jù)頻寬，理論上可獲取完整的快取緩存行，即每次讀取64Bit而非8Bit，并可保持在臨時緩沖區(qū)內，讓指令最多可帶來8倍的讀取頻寬效能提升，對于視訊處理、成像以及圖形處理器與中央處理器之間的共享數(shù)據(jù)應用，有著明顯的效能提升。

　　SSE4指令集讓45nm Penryn處理器增加了2個不同的32Bit向量整數(shù)乘法運算單元，并加入8位無符號(Unsigned)最小值及最大值運算，以及16Bit及32Bit有符號 (Signed) 運算。在面對支持SSE4指令集的軟件時，可以有效的改善編譯器效率及提高向量化整數(shù)及單精度代碼的運算能力。同時，SSE4改良插入、提取、尋找、離散、跨步負載及存儲等動作，令向量運算進一步專門。

?SSE4.1指令集Intel代表處理器：45nm 酷睿2

?? SSE4.2指令集

??? 在Nehalem架構的Core i7處理器中，SSE4.2指令集被引入，加入了STTNI（字符串文本新指令）和ATA（面向應用的加速器）兩大優(yōu)化指令。

　　SSE4.2新加入的幾條新指令有兩類。第一類是字符串與文本新指令STTNI，STTNI包含了四條具體的指令。STTNI指令可以對兩個16位的數(shù)據(jù)進行匹配操作，以加速在XML分析方面的性能。據(jù)Intel表示，新指令可以在XML分析方面取得3.8倍的性能提升。

??? 第二類指令是面向應用的加速指令ATA。ATA包括冗余校驗的CRC32指令、計算源操作數(shù)中非0位個數(shù)的POPCNT指令，以及對于打包的64位算術運算的SIMD指令。CRC32指令可以取代上層數(shù)據(jù)協(xié)議中經(jīng)常用到的循環(huán)冗余校驗，據(jù)Intel表示其加速比可以達到6.5~18.6倍；POPCNT用于提高在DNA基因配對、聲音識別等包含大數(shù)據(jù)集中進行模式識別和搜索等操作的應用程序性能。 Intel也公布了支持新指令集的開發(fā)工具。這些工具涵蓋了主流的編譯開發(fā)環(huán)境。目前已明確支持SSE4.2的開發(fā)環(huán)境包括：Intel C++ Compiler 10.X、微軟的Visual Studio 2008 VC++、GCC 4.3.1、Sun Studio Express等。程序員可以直接使用高級編程語言編程，編譯器會自動生成優(yōu)化結果。當然程序員也可以用內嵌匯編的方式來達到目的。

?SSE4指令集Intel代表處理器：45nm i7