На Web-узле компании Intel можно найти графические изображения, на которых видны преимущества использования инструкций SIMD в приложениях воссоздания трехмерных объектов (рис. 1). Инструкции KNI можно разделить на четыре логические категории - команды SIMD для работы с вещественными и с целыми числами, для управлени кэшированием и режимом работы процессора.

Команды SIMD FP для работы с вещественными числами

Рис. 2. Формат данных инструкций KNI, работающих с вещественными числами 
 

Рис. 3. Пакетный режим выполнения команд KNI 
 

Рис. 4. Скалярный режим выполнения комманд KNI

Набор инструкций KNI содержит группу универсальных команд SIMD FP, оперирующих с новым типом вещественных данных, для хранения которых предназначен набор новых регистров. За один такт инструкции SIMD FP успевают обработать четыре 32разрядных числа стандартной точности, используя для этого восемь новых 128-разрядных универсальных регистров с именами XMM0 - XMM7. Формат 32-разрядных данных стандартной точности с плавающей точкой соответствует стандарту IEEE754 (рис. 2). Стандартные сопроцессоры x87 представляют вещественные числа в виде 80-разрядных значений двойной точности, а процессоры Pentium III - в виде 32-разрядных значений стандартной точности. Поэтому в некоторых случаях, возможно, результаты работы ПО, будут мало отличаться, независимо от того, оптимизировано оно для инструкций KNI или нет. Команды KNI для вещественных чисел могут выполняться в одном из двух режимов - пакетном или скалярном. В пакетном режиме вычисления выполняются "вертикально", сразу над всеми четырьмя элементами 128-разрядных регистров (рис. 3). Мнемонические названия пакетных инструкций дополняются суффиксом ps (например, addps). В скалярном режиме вычисления выполняютс только над младшими элементами операндов (рис. 4). Старшие элементы операндов не участвуют в вычислениях (кроме команды присвоения). Мнемонические названия скалярных инструкций дополняются суффиксом ss (например, addss). В таблице 1 перечислены команды KNI для работы с вещественными числами, их назначение и синтаксис. Операндом - источником команды может быть один из регистров XMM или операнд в памяти. Целевым операндом должен быть один из регистров XMM.

Команды SIMD для работы с целыми числами

Команды KNI для целых чисел - это словно логическое расширение уже известного набора команд MMX (таблица 2). Как и команды MMX, инструкции SIMD оперируют с целыми числами, упакованными в 64-разрядном формате (рис. 5). Для хранения операндов используются те же "псевдорегистры" MMX c именами MM0MM7, которые располагаются в 80-разрядных регистрах сопроцессора. Но если раньше программисты были вынуждены обнулять регистры сопроцессора после выполнения инструкций MMX, чтобы в них не оставалось результатов целочисленных вычислений, то теперь (в соответствующем режиме процессора) об этом можно не заботиться. Мнемонические имена «целочисленных» инструкций SIMD содержат суффикс и префикс, указывающие на режим выполнения инструкции и тип операндов:

• Префикс p указывает на пакетный режим выполнения команды.
• Суффиксы b, w, d и q определяют тип данных, участвующих в вычислениях.
• Суффиксы s и u определяют наличие знака у операндов.

Технология SIMD определяет набор инструкций для управления кэшированием данных. Он позволяет повысить эффективность обращения к области временного хранения данных (кэшу) и уменьшить количество прямых обращений к памяти, а также выполнять предварительную загрузку данных в кэш (prefetch). В частности, инструкции оперативного сохранения (streaming store) позволяют записывать данные, которые будут нужны еще не скоро, сразу в память, не обновляя содержимое кэша. Инструкции movntq и movntps позволяют записывать в память содержимое регистров MMX и XMM, соответственно. Инструкция maskmovq позволяет выборочно, в соответствии с маской в самом старшем байте, записать байты регистра MMX в память. Регистр EDI содержит при этом целевой адрес для записи байтов. Для предварительного считывания областей памяти в кэш предназначены команды prefetcht0 (одновременное считывание в кэш первого и второго уровней), prefetcht1 и prefetcht2 (считывание только в кэш второго уровня), а также prefetchnta (считывание сразу в кэш первого уровня, минуя второй). Инструкция sfetch осуществляет принудительную синхронизацию данных в кэше и оперативной памяти. Это стоит сделать перед обработкой «потенциально опасных» фрагментов кода, которые могут вызвать уничтожение накопленных в кэше данных до того, как они попадут в оперативную память.

Команды SIMD для управления состоянием процессора 

Рис. 5. Форматы данных  
 

Рис. 6. Регистр MXCSR

Чтобы приложения и операционные системы могли использовать все поддерживаемые процессором Pentium III состояния, разработчики Intel создали несколько новых регистров и команд. Среди них регистр MXCSR (рис. 6), предназначенный для отслеживания исключений (exceptions), определения режима округления чисел и потери значимости. Флагами регистра MXCSR манипулируют с помощью команд ldmxcsr и stmxcsr. Перва предназначена для загрузки в регистр значений флагов, вторая - для выгрузки. Для того чтобы программное обеспечение корректно восприняло переход процессора из одного состояния в другое, информацию о содержимом регистров следует сохранить в памяти. Естественно, после перехода сохраненные значения нужно восстановить. Содержимое регистров XMM, FP/MMX и MXCSR помещается в область памяти объемом 512 байтов. Для сохранени и восстановления этой области используютс команды fxsave и fxrstor.

Полезные ресурсы Web

Воспользоваться преимуществами новых инструкций для "параллельных" вычислений можно только с помощью соответствующих средств разработки. Компания Intel предлагает компилятор C/C++, который распространяется в виде подключаемого к Microsoft Visual Studio модуля. Описание этого и других средств разработки можно найти на страницах Web-узла Intel (developer.intel.com/drg/Pentiumiii/tools/adr.htm). На этом же узле можно разжиться очень полезным обучающим мультимедийным приложением, посвященным возможностям инструкций SIMD и способам их использования.

"Целочисленные" команды KNI