Программирование ХММ-расширения
Программирование ХММ-расширения
Новые сапоги всегда жмут.
Козьма Прутков
Необходимо отметить тот факт, что фирма Intel — не единственная из фирм, разрабатывающих микропроцессоры, активно работает над проблемой обработки больших массивов однородной информации. Не секрет, что постоянным соперником фирмы Intel по вопросам архитектуры микропроцессора является фирма AMD. Между ними по различным направлениям идет постоянная борьба за рынок компьютеров архитектуры х86. Мы не будем рассматривать ее хронологию, уделим внимание лишь тому, для чего и в какой форме в архитектуре микропроцессоров этих фирм появились средства для потоковой обработки данных с плавающей точкой или SSE (Streaming SIMD Extensions). Толчком к развитию SIMD-технологий (в том числе и целочисленных) стали задачи с большими объемами однородных исходных данных простой структуры. Основные области, где встречается такая информация, — Интернет и компьютерные игры. Именно здесь возникает множество задач по обработке звука, видео, графики. Если рассматривать современные компьютерные игры, то в них активно используются мощности со-
процессора для производства расчетов ЗО-объектов в трехмерном пространстве (отсюда, кстати, и название — 3DNow!). Архитектура и производительность стандартного сопроцессора не обеспечивают с нужной эффективностью эти расчеты. Фирмы — производители микропроцессоров активно начали поиск технологий, которые позволили бы увеличить производительность подсистемы для расчетов с плавающей точкой. Известно несколько путей повышения эффективности расчетов подобного рода: увеличение тактовой частоты, уменьшение задержек выполнения команд в сопроцессоре, конвейеризация вычислений с плавающей точкой, реализация SIMD-технологии, использование параллельных конвейерных устройств для расчетов с плавающей точкой. Среди этих путей фирмы Intel и AMD выбрали свои. Тактовую частоту работы микропроцессора постоянно повышают обе фирмы, чему мы являемся заинтересованными свидетелями. Что же касается подсистемы обработки данных с плавающей точкой, то архитектурно они реализованы по-разному. Так, фирма Intel пошла по пути конвейеризации вычислений с плавающей точкой и реализации SIMD-технологии вычислений с плавающей точкой. Фирма AMD работает над уменьшением задержек выполнения команд в сопроцессоре и над реализацией SIMD-технологии вычислений с плавающей точкой. Эти технологии реализованы в микропроцессорах Pentium III фирмы Intel и Atlon фирмы AMD, но они не совсем одинаковы. Архитектура целочисленного MMX-расширения у этих микропроцессоров совпадает (в семействе AMD целочисленное MMX-расширение появилось в микропроцессоре AMD Кб (ММХ)), что же касается архитектуры ХММ-расширения с плавающей точкой, то здесь различия более существенные начиная с их названий. Потоковое расширение с плавающей точкой микропроцессора Atlon называется 3DNo\v! и включает 21+5 команд. 21 команда расширения 3DNow! существовала в предыдущем микропроцессоре AMD K6-2-3DNow!, 5 команд этого расширения были введены дополнительно в расширение 3DNow! микропроцессора AMD Athlon. Потоковое расширение микропроцессора Pentium III фирмы Intel называется Streaming SIMD Extensions и включает 70 команд. Стоит отметить, что не все из этих 70 команд являются командами SSE-расширения: 50 команд относятся непосредственно к блоку SSE-расширения, то есть являются командами SIMD с плавающей точкой, 12 команд дополняют систему команд целочисленного MMX-расширения и 8 команд относятся к системе кэширования.
Велики различия в физической реализации расширений 3DNow! и Streaming SIMD Extensions. SSE-расширение фирмы Intel выполнено в виде отдельного блока, расширение 3DNow процессоров AMD реализовано на базе стандартного сопроцессора. Второе важное отличие — размерность регистров. Их количество совпадает для обоих расширений. Размерность регистров SSE-расширения — 128 бит, то есть 4x32 бита в формате короткого слова с плавающей точкой. Размерность регистров расширения 3DNow — 64 бита, то есть 2x32 бита в формате короткого слова с плавающей точкой. Таким образом, SSE-расширение процессоров Intel имеет вдвое больше регистров, чем 3DNow!-pacurapeHne процессоров AMD. Выводы из этого делайте сами. К примеру, задачи трехмерной графики активно работают с матрицами 4x4 (см. ниже). В процессе написания программы для 3DNow!-pacnrapeHra процессора AMD пропэаммист вынужден постоянно решать проблему нехватки регистров в 3DNow! со всеми вытекающими последствиями, в том числе и для красоты алгоритма. Реализация SSE-расширения
в виде отдельного блока увеличивает параллельность вычислений в процессоре, так как одновременно могут выполняться команды целочисленного устройства, сопроцессора и SSE-расширения. Читатель может возразить, что, несмотря на все эти недостатки, результаты тестов в различных изданиях говорят о том, что зачастую не наблюдается существенного различия в производительности микропроцессоров фирм Intel и AMD одного класса. На взгляд автора, это следствие I того, что фирме AMD удается компенсировать существующие архитектурные различия хорошей проработкой схемотехнических проблем микроархитектурного уровня. Дальнейшее изложение будет основано на базе ХММ-расширения Pentium III — то есть SSE-расширения.
Наибольшую выгоду от использования SSE-расширения Pentium получают задачи трехмерной графики, а также приложения 2D- и 2.50-графики, использующие векторную графику в фоновой части изображения. При желании программист может найти полезные особенности команд ХММ-расширения для использования их при разработке приложений из других предметных областей. Один из основных признаков, на которые стоит обратить внимание при выборе средств реализации, — наличие матричных преобразований, таких как умножение, транспонирование, сложение, вычитание матриц, умножение матрицы на вектор, световые преобразования, подобные преобразованиям между цветовыми моделями RGB и CMYK, и т. п.
В заключение этой части обсуждения отметим, что набор SIMD-инструкций ХММ-расширениия микропроцессора Intel (и AMD тоже) бесполезен без соответствующей программной поддержки. Далее рассмотрим, каким образом использовать ХММ-команды в программах на языке ассемблера. Следует отметить, что данный материал может быть полезен не только для программистов на языке ассемблера, но и для тех, кто пишет программу на языке высокого уровня. Благодаря ассемблерным вставкам или внешним ассемблерным процедурам программист может использовать возможности новых процессоров, не дожидаясь появления новой версии компилятора, поддерживающего эти возможности. Это также имеет место с Pentium III. Оперативно отслеживать процессорные новшества удается только компилятору С/С ++ фирмы Intel и макроассемблеру фирмы Microsoft, который поддерживает новые команды SSE начиная с версии 6.1 Id и выше. Но известно, что далеко не все программисты на С и ассемблере предпочитают эти компиляторы другим аналогичным средствам разработки. Что же делать таким программистам, в частности программирующим на ассемблере с использованием пакета TASM? Ответ один — выкручиваться. Как? Этому и будет посвя-гцено обсуждение ниже. Оно будет логически состоять из двух частей. В первой части мы сделаем вид, что ничего не происходит и транслятор TASM поддерживает любые команды процессора Pentium III. Во второй части мы действительно поможем TASM это сделать.
Вначале разберем порядок описания данных, которыми манипулируют ХММ-команды Pentium III, а затем рассмотрим несколько примеров их использования.
