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单指令流多数据流(SIMD)是一种实现数据级并行的技术,其典型代表是向量处理器(Vector Processor)和阵列处理器(Array Processor)。

SIMD技术最初主要应用在大规模的超级计算机中,但是近些年来,小规模SIMD技术也开始在个人计算机上得到广泛应用。

SIMD技术的关键是在1条单独的指令中同时执行多个运算操作,以增加处理器的吞吐量。为此,SIMD结构的CPU有多个执行部件,但都在同一个指令部件的控制之下,中央控制器向各个处理单元发送指令,整个系统只要求有一个中央控制器,只要求存储一份程序,所有的计算都是同步的。

为了了解SIMD在性能上的优势,我们以加法指令为例进行说明:

单指令流单数据流(SISD)型CPU对加法指令译码后,执行部件先访问主存,取得第一个操作数,之后再一次访问主存,取得第二个操作数,随后才能进行求和运算;而在SIMD型CPU中,指令译码后,几个执行部件同时访问主存,一次性获得所有操作数进行运算。

这一特点使得SIMD技术特别适合于多媒体应用等数据密集型运算。

1.MMX技术

MMX(Multi-Media Extension,多媒体扩展)是Intel设计的一种SIMD多媒体指令集。作为一种多媒体扩展技术,MMX大大提高了计算机在多媒体和通信应用方面的能力,带有MMX技术的CPU适合于数据量很大的图形、图像数据处理,从而使三维图形、动画、视频、音乐合成、语音识别、虚拟现实等数据处理的速度有了很大提高。

MMX技术的优点是增加了多媒体处理能力,可以一次处理多个数据,缺点则是仅仅只能处理整型数,并且由于占用浮点数寄存器进行运算,以至于MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行,必须做密集的切换才可以正常执行,这种情况势必造成整个系统运行质量的下降。

2.SSE技术

1999年,Intel在其Pentium III微处理器中集成了SSE(Streaming SIMD Extensions)技术,有效增强了CPU浮点运算的能力。

SSE兼容MMX指令,可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效提高浮点运算速度,对图像处理、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全面强化作用。

具有SSE指令集支持的处理器有8个128位的寄存器,每一个寄存器可以存放4个单精度(32位)浮点数。SSE同时提供了一个指令集,其中的指令允许把浮点数加载到这些128位寄存器中,这些数就可以在这些寄存器中进行算术逻辑运算,然后把结果送回主存。也就是说,SSE中的所有计算都可以针对4个浮点数一次性完成,这种批处理带来了效率的提升。

例如,考虑下面这个任务:计算一个很长的浮点型数组中每一个元素的平方根。

实现这个任务的算法一般可以写为:

for each f in array

{

把f从主存加载到浮点寄存器

计算平方根

再把计算结果从寄存器中取出写入主存

}

而在采用SSE技术后,算法可以改写为:

for each 4 members in array //对数组中的每4个元素

{

把数组中的这4个数加载到一个128位的SSE寄存器中

在一个CPU指令执行周期中完成计算这4个数的平方根的操作

把所得的4个结果取出写入主存

}

3.SSE2技术

2001年,Intel配合其Pentium 4微处理器,推出了SSE2(Streaming SIMD Extensions 2)指令集,扩展了SSE指令集,并可完全取代MMX。

SSE2指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE,SSE2使用了144个新增指令,扩展了MMX技术和SSE技术,提高了诸如MPEG-2、MP3、3D图形等应用程序的运行性能。

在整数处理方面,随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128 位,使SIMD整数类型操作的执行效率成倍提高;在浮点数处理方面,双精度浮点SIMD指令允许以 SIMD格式同时执行两个浮点操作,提供双精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。除SSE2指令之外,最初的SSE指令也得到增强,通过支持多种数据类型(例如双字、四字)的算术运算,支持灵活、动态范围更广的计算功能。

4.SSE3技术

2004年,Intel在其基于Prescott核心的新款Pentium 4处理器中,开始使用SSE3(Streaming SIMD Extensions 3)技术。

SSE3指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2,SSE3在SSE2的基础上又增加了13条SIMD指令,以提升Intel超线程(Hyper-Threading)技术的效能,最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。