《CPU 知识详解》17、多 媒 体 指 令 集

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17、多媒体指令集

　　CPU 依靠指令来计算和控制系统，每款 CPU 在设计时，就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱，也是 CPU 的重要指标。指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

　　从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为“复杂指令集”和“精简指令集”两部分。

　　而从具体运用看，如 Intel 的 MMX（Multi Media Extended）、SSE、SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和 AMD 的 3DNow! 等都是 CPU 的扩展指令集，分别增强了 CPU 的多媒体、图形图象和 Internet 等的处理能力。我们通常会把 CPU 的扩展指令集称为“CPU 的指令集”。

　　1、精简指令集的运用

　　在最初发明计算机的数十年里，随着计算机功能日趋增大，性能日趋变强，内部元器件也越来越多，指令集日趋复杂，过于冗杂的指令，严重的影响了计算机的工作效率。后来经过研究发现，在计算机中，80％ 的程序，只用到了 20％ 的指令集。基于这一发现，“RISC 精简指令集”就被提了出来。这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC 体系结构的基本思路是：抓住“CISC 指令系统”的指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高 VLSI 器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。

　　RISC 指令集有许多特征，其中最重要的有：

　　指令种类少，指令格式规范——RISC 指令集通常只使用一种或少数几种格式。指令长度单一（一般 4 个字节），并且在字边界上对齐。字段位置、特别是操作码的位置是固定的。

　　寻址方式简化——几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不超过 5 个。其他更为复杂的寻址方式，如间接寻址等，则由软件利用简单的寻址方式来合成。

　　大量利用寄存器间操作——RISC 指令集的大多数操作，都是寄存器到寄存器的操作，只以简单的 Load 和 Store 操作访问内存。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过 1 个，访问内存的操作不会与算术操作混在一起。

　　简化处理器结构——使用 RISC 指令集，可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，而不必像 CISC 处理器那样，使用微程序来实现指令操作。因此，RISC 处理器不必像 CISC 处理器那样设置微程序控制存储器，就能够快速地直接执行指令。

　　便于使用 VLSI 技术——随着 LSI 和 VLSI 技术的发展，整个处理器（甚至多个处理器）都可以放在一个芯片上。RISC 体系结构可以给设计单芯片处理器带来很多好处，有利于提高性能，简化 VLSI 芯片的设计和实现。基于 VLSI 技术，制造 RISC 处理器要比 CISC 处理器工作量小得多，成本也低得多。

　　加强了处理器并行能力——RISC 指令集能够非常有效地适合于采用流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。目前常用的处理器内部并行操作技术，基本上是基于 RISC 体系结构发展和走向成熟的。

　　正由于 RISC 体系所具有的优势，它在高端系统得到了广泛的应用，而 CISC 体系则在桌面系统中占据统治地位。如今在桌面领域，RISC 也不断渗透，预计未来，RISC 将要一统江湖。

2、CPU 的扩展指令集

　　对于 CPU 来说，在基本功能方面，它们的差别并不太大，基本的指令集也都差不多。但是许多厂家为了提升某一方面性能，又开发了扩展指令集。扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必须要有软件的支持。

　　1) MMX 指令集

　　MMX（Multi Media eXtension，多媒体扩展指令集）指令集，是 Intel 公司于 1996 年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX 指令集中，包括有 57 条多媒体指令，通过这些指令，可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候，也能进行正常处理。这样，在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX 的益处在于，当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改，便可以轻松地执行 MMX 程序。但是，问题也比较明显，那就是 MMX 指令集与 x87 浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集式的交错切换，才可以正常执行。这种情况，就势必造成整个系统运行质量的下降。

　　2) SSE 指令集

　　SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）指令集，是 Intel 在 Pentium III 处理器中率先推出的。其实，早在 PIII 正式推出之前，Intel 公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的 KNI（Katmai New Instruction）指令集，这个指令集也就是 SSE 指令集的前身，并一度被很多传媒称之为 MMX 指令集的下一个版本，即 MMX2 指令集。究其背景，原来“KNI”指令集是 Intel 公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称，而所谓的“MMX2”则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对“KNI”的评价，而 Intel 公司从未正式发布过关于 MMX2 的消息。

　　最终推出的 SSE 指令集，也就是所谓胜出的“互联网 SSE”指令集。SSE 指令集包括了 70 条指令，其中包含提高 3D 图形运算效率的 50 条 SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12 条 MMX 整数运算增强指令、8 条优化内存中连续数据块传输指令。理论上，这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D 运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用，起到了全面强化的作用。SSE 指令与 3DNow! 指令彼此互不兼容，但 SSE 包含了 3DNow! 技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE 兼容 MMX 指令，它可以通过 SIMD 和单时钟周期，并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

　　后来 Intel 为了应对 AMD 的 3Dnow!+ 指令集，又在 SSE 的基础上，开发了 SSE2，增加了一些指令，使得其 P4 处理器性能有大幅度提高。到 P4 设计结束为止，Intel 增加了一套包括 144 条新建指令的 SSE2 指令集。像最早的 SIMD 扩展指令集，SSE2 涉及了多重的数据目标上立刻执行一单个的指令（即 SIMD，一个计算低工控最好的方法是让每指令执行更多的工作）。最重要的是，SSE2 能处理 128 位和两倍精密浮点数学运算。处理更精确浮点数的能力，使 SSE2 成为加速多媒体程序、3D 处理工程以及工作站类型任务的基础配置。但重要的是，软件是否能适当的优化利用它。

　　3) 3DNow! 指令集

　　由 AMD 公司提出的 3DNow! 指令集，应该说出现在 SSE 指令集之前，并被 AMD 广泛应用于其 K6-2、K6-3 以及 Athlon（K7）处理器上。3DNow! 指令集技术，其实就是 21 条机器码的扩展指令集。

　　与 Intel 公司的 MMX 技术侧重于整数运算有所不同，3DNow! 指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高 3D 处理性能。后来在 Athlon 上开发了 Enhanced 3DNow!。这些 AMD 标准的 SIMD 指令和 Intel 的 SSE 具有相同效能。因为受到 Intel 在商业上以及 Pentium III 成功的影响，软件在支持 SSE 上，比起 3DNow! 更为普遍。Enhanced 3DNow! AMD 公司继续增加至 52 个指令，包含了一些 SSE 码，因而在针对 SSE 做最佳化的软件中，能获得更好的效能。