Содержание
Потоковое расширение SIMD (Streaming SIMD Extensions (Single Instruction, Multiple Data - одна команда, несколько элементов данных)) это обобщающее название всех новых возможностей процессоров, начиная с Pentium III, что созданы для повышения производительности в мультимедиа и информационных приложениях. Эти нововведения (включающие новые регистры, типы данных, и команды) объединяются с выполняемой моделью SIMD для повышения быстродействия приложений. Применение новых SIMD-команд значительно увеличивает производительность приложений, обрабатывающих данные с плавающей запятой, или приложений которые в основном используют алгоритмы с интенсивными вычислениями, выполняя повторяющие операции над большими массивами простых данных. Также от SSE выигрывают приложения, которым нужен постоянный доступ к большим размерам данных.
Новые SIMD-команды, реализованные в процессоре Pentium III, увеличивают производительность прикладных программ в следующих областях:
· видео
· комбинирование графики и видео
· обработка изображений
· звуковой синтез
· распознавание, синтез и компрессия речи
· телефония
· видео конференции
· 2D и 3D графика.
В феврале 1999 года Intel представила общественности процессор Pentium III, содержащий обновление технологии MMX, получившей название SSE (Streaming SIMD Extensions — поточные расширения SIMD). До этого момента инструкции SSE носили имя Katmai New Instructions (KNI), так как первоначально они были включены в процессор Pentium III с кодовым именем Katmai. Процессоры Celeron 533A и выше, созданные на основе ядра Pentium III, тоже поддерживают инструкции SSE. Более ранние версии процессора Pentium II, а также Celeron 533 и ниже (созданные на основе ядра Pentium II) SSE не поддерживают.
Инструкции SSE содержат 70 новых команд для работы с графикой и звуком в дополнение к существующим командам MMX. Фактически этот набор инструкций кроме названия KNI имел еще и второе название — MMX-2. Инструкции SSE позволяют выполнять операции с плавающей запятой, реализуемые в отдельном модуле процессора. В технологиях MMX для этого использовалось стандартное устройство с плавающей запятой.
Инструкции SSE2, содержащие 144 дополнительные команды SIMD, были представлены в ноябре 2000 года вместе с процессором Pentium 4. В SSE2 были включены все инструкции предыдущих наборов MMX и SSE.
Инструкции SSE3 были представлены в феврале 2004 года вместе с процессором Pentium 4 Prescott; они добавляют 13 команд SIMD, предназначенных для ускорения выполнения сложных математических операций, обработки графики, кодирования видео и синхронизации потоков данных. Инструкции SSE3 также содержат все инструкции MMX, SSE и SSE2.
В целом SSE обеспечивает следующие преимущества:
· более высокое разрешение/качество при просмотре и обработке графических изображений;
· улучшенное качество воспроизведения звуковых и видеофайлов в формате MPEG2, а также одновременное кодирование и декодирование формата MPEG2 в мультимедийных приложениях;
· уменьшение загрузки процессора и повышение точности/скорости реагирования при выполнении программного обеспечения для распознавания речи.
Инструкции SSE и SSE2 особенно эффективны при декодировании файлов формата MPEG2, который является стандартом сжатия звуковых и видеоданных, используемым в DVD. Следовательно, оснащенные SSE процессоры позволяют достичь максимальной скорости декодирования MPEG2 без использования дополнительных аппаратных средств (например, платы декодера MPEG2). Кроме того, процессоры, содержащие набор инструкций SSE, значительно превосходят предыдущие версии процессоров при распознавании речи.
Одним из основных преимуществ SSE по отношению к MMX является поддержка операций SIMD с плавающей запятой, что очень важно при обработке трехмерных графических изображений. Технология SIMD, как и MMX, позволяет выполнять сразу несколько операций при получении процессором одной команды. В частности, SSE поддерживает выполнение до четырех операций с плавающей запятой за цикл; одна инструкция может одновременно обрабатывать четыре блока данных. Для выполнения операций с плавающей запятой инструкции SSE могут использоваться вместе с командами MMX без заметного снижения быстродействия. SSE также поддерживает упреждающую выборку данных (prefetching), которая представляет собой механизм предварительного считывания данных из кэш-памяти (L1, L2).
Наилучшие результаты применения новых инструкций процессора обеспечиваются только при их поддержке на уровне используемых приложений. Сегодня большинство компаний, занимающихся разработкой программного обеспечения, модифицировали приложения, связанные с обработкой графики и звука, что позволило в более полной мере использовать возможности SSE. К примеру, графическое приложение Adobe Photoshop поддерживает инструкции SSE, что значительно повышает эффективность использования оснащенных SSE процессоров. Поддержка инструкций SSE встроена в DirectX 6.1 и в самые последние видео и аудио-драйверы, поставляемые с операционными системами Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4.0 (с пакетом обновления 5 или более поздним), Windows 2000, Windows Vista, Windows 7.
Инструкции SSE являются расширением технологий MMX, а SSE2 — расширением инструкций SSE. Таким образом, процессоры, поддерживающие SSE2, поддерживают также SSE, а процессоры, поддерживающие инструкции SSE, в свою очередь, поддерживают оригинальные команды MMX. Это означает, что стандартные приложения MMX могут выполняться практически на любых системах.
Первые процессоры производства AMD с поддержкой расширений SSE3 —это 0,09-микронные версии Athlon 64, а также все версии двухъядерных процессоров Athlon 64 X2.
SSE обеспечивает инструкции для управления кэшированием всей MMX технологии и 32-битных типов данных. Эти инструкции включают возможность записи данных в память без “засорения” кэша[1], и возможность упреждающей выборки кода/данных до их использования.
Потоковое Расширение SIMD обеспечивает следующие новые возможности при программировании оборудования IA[2]:
· Восемь SIMD-регистров с плавающей точкой (XMM0 - XMM7).
· Тип данных SIMD (упакованные числа одинарной точности с плавающей точкой) - 128-бит.
· Набор команд SSE.
SSEсодержит восемь 128-разрядных регистров общего назначения, каждый из них может быть напрямую адресован. Так как эти регистры новые, то для использования нуждаются в поддержке операционной системы.
SIMD-регистры с плавающей точкой содержат упакованные 128-разрядные данные. Команды SSE обращается к SIMD-регистрам с плавающей точкой используя регистровые имена XMM0 и до XMM7 . SIMD-регистры с плавающей точкой могут быть использованы для вычислений над данными; но не могут быть использованы для адресации памяти. Адресация выполняется с помощью определенных в IA режимов адресации и регистров общего назначения (EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI и ESP).
Также вводится новый регистр контроля/состояния MXCSR, он используется для маскирования и демаскирования обработки числовых исключительных ситуаций, для определения режима округления, для установки режима сброса в ноль, и для просмотра состояния флагов.
Если произошло исчезновение порядка (underflow), а поле flush-to-zero (FZ бит 15) регистра MXCSR установлено в 1, то процессор выполняет следующие действия:
· возвращает нулевое значение в качестве результата, присваивая ему знак истинного результата
· устанавливает в 1 биты 4 и 5 регистра MXCSR (флаги обнаружения исключений исчезновения порядка и неточного результата).
Указанные действия выполняются в том случае, если исключение underflow маскировано (бит 11 регистра MXCSR установлен в 1). При таком режиме увеличивается скорость работы программ, в которых часто происходит исчезновение порядка результата. Достигается это, однако, ценой снижения точности вычислений.[3]
MMX регистры физически реализованы на стандартных для архитектуры Intel 80-разрядных регистрах данных с плавающей точкой. То есть, переход от операций MMX к операциям с плавающей точкой требует запуска команды EMMS. Но так как SIMD-регистры с плавающей точкой являются отдельным регистровым файлом, то команды MMX и команды с плавающей точкой могут быть смешаны с командами SSE без выполнение специальных инструкций таких как EMMS.
Основной тип данных SSE это 128-разрядное значение, содержащее четыре последовательно расположенных (“упакованных”) 32-разрядных числа одинарной точности с плавающей точкой (single-precision floating-point (SPFP))
Каждое 32-разрядное число с плавающей точкой имеет 1 знаковый бит, 8 битов порядка и 23 бита мантиссы, что соответствует стандарту IEEE-754[4] на формат представления чисел одинарной точности с плавающей запятой (SPFP‑чисел).
Данный формат сохранен и в процессорах начиная с Pentium III, однако для упакованных чисел с плавающей точкой используется представление в 32-разрядном формате с одинарной точностью. Поэтому в отдельных случаях результаты вычислений с плавающей точкой в архитектуре х87 могут отличаться от результатов таких же вычислений, использующих новые SSE SPFP-команды.
Новые команды SIMD над целыми могут работать над типами данных состоящих из упакованных байт, слов или двойных слов. Новые команды предварительной выборки работают над данными размер которых от 32 байт и выше.
Команды SSE копирует упакованные типы данных (данные одинарной точности с плавающей точкой – двойные слова) в и из памяти в 64-битные или 128-битные блоки. Однако, при вычислении арифметических или логических операций над упакованными данными, SSE работает параллельно над каждым двойным словом заключенным в SIMD регистре с плавающей точкой.