Обработка изображений с использованием расширения процессора (стр. 2 из 4)

Новые SIMD-команды над целыми подчиняются соглашениям принятых в инструкциях MMX и работают над данными в MMX регистрах, а не в 128-разрядных SIMD регистрах с плавающей точкой.

Модель выполнения SIMD

Так как потоковое расширение SSE поддерживает операции над упакованными типами данных одинарной точности с плавающей точкой, и дополнительные SIMD команды над целыми, поддерживаются операции над упакованными типами данных (байт, слово или двойное слово).

Этот подход был выбран потому что большинство приложений обработки мультимедиа имеют следующие характеристики:

· существенна параллельность;

· широкий динамический уровень, отсюда базированы на переменных с плавающей точкой;

· регулярное и повторяющая выборка шаблонов из памяти;

· локализированные повторяющие операции выполняемые над данными;

· независимый процесс управления данными.

Потоковое Расширение SIMD доступно из всех режимов выполнения: Защищенного режима (Protected mode), реально адресуемого режима (Real-address mode), и виртуального режима 8086 (Virtual 8086 mode).

Формат данных в памяти

В SSE вводиться новый упакованный 128-разрядный тип данных который состоит из четырех чисел одинарной точности с плавающей точкой. Бит 0 это наименьше значащий - бит (LSB), и бит 127 это наибольше значащий - бит (MSB). Байты в новом формате данных имеют последовательные адреса памяти. Порядок как всегда немного странный, то есть байты с меньшими адресами имеют меньшее значение чем байты с старшими адресами

Формат данных SIMD регистра с плавающей точкой

Значение в SIMD регистрах с плавающей точкой имеет тот же формат, что и 128‑разрядные величины в памяти. Есть два режима доступа к памяти: 128-битный и 32-битный. Таблица 2-1 показывает точность и диапазон типа данных. Кодируется только дробная часть мантиссы. Бит целого будет 1 для всех чисел, за исключением 0 и ненормированного ограниченного числа. Показатель типа данных с обычной точностью кодируется в смещенный формат.

Таблица 2-1. Точность и диапазон SSE типа данных с плавающей точкой

Тип Данных	Длина	Точность(в битах)	Приблизительный диапазон нормированного числа
			Двоичное	Десятичное
С одинарной точностью	32	24	от 2-126 до 2-127	от 1.18*10-38 до 1.70*1038

Таблица 2-2 показывает кодирование для всех классов действительных чисел (то есть, ноль, ненормированное ограниченное число, нормированное ограниченное число, и ) и NaN[5] для типа данных с одинарной точностью. Она также показывает формат для вещественных неопределенных значений, то есть QNaN[6] и SNaN[7] которые используются некоторыми функциями SSE для активизации обработчика исключений.

При сохранении вещественных значений в памяти, значения с одинарной точностью сохраняются в памяти в 4 последовательных байтах. 128-битный режим доступа используется для 128-разрядной выборки из памяти, 128-разрядной пересылки между SSE регистрами с плавающей запятой и всеми логическими, распаковки и арифметическими командами. 32-битный режим доступа используется для 32‑разрядной выборки из памяти, 32-разрядной пересылки между SSE регистрами с плавающей запятой и скалярными арифметическими командами.

Таблица 2-2. Вещественные числа и кодирование NaN

SIMD регистр состояния и управления

Регистр состояния и управления используется для установки флагов обнаружения арифметических исключений, флагов режимов обработки арифметических исключений, режима округления, режима flush-to-zero и для просмотра флага состояния. Содержимое этого регистра может быть загруженно с помощью инструкций LDMXCSR и FXRSTOR и сохранено в памяти с помощью инструкций STMXCSR и FXSAVE.

Биты 0-5 (поле обнаружения исключений)содержат 6 флагов, которые служат признаками детектирования арифметических SIMD исключений с плавающей точкой (0-нет, 1-да). Исключение произойдет только после следующей команды SSE. Потоковое расширение SSE использует только один флаг исключения для каждой исключительной ситуации. Здесь не предоставляется возможность для уведомления об индивидуальных исключительных ситуациях внутри упакованных данных. В ситуации, когда происходит несколько идентичных исключительных ситуаций в одной инструкции, соответствующий флаг исключения обновляется и указывает, что хотя бы одно из этих условий произошло. По умолчанию эти флаги сбрасываются.

Биты 7-12 (поле маскирования исключений) определяют, как обрабатываются обнаруженные исключения. Если флаг установлен, то соответствующее исключение маскировано и обрабатывается процессором, который формирует приемлемый результат (в соответствии с процедурой, установленной по умолчанию) и продолжает выполнение программы. Если флаг сброшен, то вызывается программный обработчик для этого исключения. По умолчанию флаги устанавливаются в 1, значит что все исключения маскированы.

Биты 13-14 (RC) устанавливают режим округления результатов при выполнении SSE-команд над данными с плавающей точкой. По умолчанию устанавливается режим округление до ближайшего.

Бит 15 (FZ) используется для включения режима “Flush To Zero”. По умолчанию бит 15 установлен в 0, что выключает режим “Flush To Zero”.

Остальные биты регистра MXCSR (биты 16-31 и бит 6) определены как зарезервированные и установлены в 0; попытка записи не нулевых значений в эти биты, используя инструкцию FXRSTOR или LDMXCSR, вызовет исключение общего нарушения защиты (general protection exception).

Поле управления округлением

Поле управления округлением (RC) регистра MXCSR (биты 13 и 14) управляют как округляется результат инструкции с плавающей точкой.

Поддерживается четыре режима округления:

· округление до ближайшего

· до меньшего или равного

· до большего или равного

· и в сторону нуля (смотреть таблицу 2-3).

Округление до ближайшего - режим по умолчанию и он подходит для большинства приложений. Он обеспечивает наиболее точный и статистически несмещенную оценку правильного результата.

Таблица 2-3. Поле управления округлением (RC)

Режим округления	Установка полей RC	Описание
Округление до ближайшего	00B	Результатом округления берется наилучшее приближение до точного результата. Если два значения одинаково близки к точному результату, то берется четное значение (то есть, то значение у которого наименьший значащий разряд установлен в ноль)
Округление до меньшего или равного (в сторону -)	01B	Результат округления ближайшее, но не больше чем точное решение.
Округление до большего или равного (в сторону +)	10B	Результат округления ближайшее, но не меньше чем точное решение.
Округление в сторону нуля (усечение)	11B	Результат округления ближайшее, но не больше чем абсолютное значение точного решения.

Команды Потокового Расширения SIMD

Потоковое Расширение SIMD состоит из 70 команд, сгруппированных в следующие категории:

· Команды копирования данных

· Арифметические команды

· Команды сравнения

· Команды преобразования типов данных

· Логические команды

· Дополнительные целочисленные SIMD-команды

· Команды перестановки

· Команды управления состоянием

· Команды управления кэшированием

Операнды команд

Параллельные операции, как правило, действуют одновременно на все четыре 32-разрядных элемента данных в каждом из 128-разрядных операндов В именах команд, выполняющих параллельные операции, присутствует суффикс ps. Например, команда addps складывает 4 пары элементов данных и записывает полученные 4 суммы в соответствующие элементы первого операнда.

Скалярные операции действуют на младшие (занимающие разряды 0-31) элементы данных двух операндов Остальные три элемента данных в выходном операнде не изменяются (исключение составляет команда скалярного копирования movss). В имени команд, выполняющих скалярные операции, присутствует суффикс ss (например, команда addss).

Большинство команд имеют два операнда. Данные, содержащиеся в первом операнде, могут использоваться командой, а после ее выполнения, как правило, замещаются результатами. Данные во втором операнде используются в команде и после ее выполнения не изменяются. Далее в тексте входным называется второй операнд, а выходным – первый.

Для всех команд адрес операнда в памяти должен быть выровнен по 16-байтной границе, кроме не выровненных команд сохранения и загрузки.

Пример программы с использованием SSE

Программа выполняет изменение значения цветовых составляющих каждого пикселя картинки (загружаемой с жесткого диска) для применения эффекта размытия.

1. Изображение загружается (посредством диалогового окна) в компоненту «TImage».

2. (после выбора пунктов «операции - Размытие Г.») Проверяется на соответствие формату 24 бита на пиксель.

3. В специальном диалоговом окне, вводится опции (радиус зерна размытия), и запускается обработка изображения.

4. Рассчитывается зерно размытия картинки по установленным параметрам, где производится расчет (списка весов) в несколько этапов.

5. выделяется память для обработки изображения попиксельно, а также для обработки строк.

7. копируется изображение в память ЭВМ.

8. построчно производим эффект гауссово размытия к цветовым составляющим каждого пикселя.

9. теперь каждую колонку с помощью созданного списка весов создаем эффект размытия.

10. обработанные данные записываются в результативный компонент «TImage».