Использование регистров MMX в программировании

 MMX инструкции

Процессор Intel Pentium MMX

MMX (сокр. от MultiMedia eXtensions - мультимедийные расширения) - набор инструкций микропроцессора, предназначенных для ускорения обработки аудио- и видеоданных.

Технология MMX разработана компанией Intel и впервые использована в 1997 году в процессорах Pentium MMX. Позже ее начали использовать и другие производители. Сегодня MMX является обязательным атрибутом любого современного процессора. 

Недостатком MMX является то, что она может быть использована процессором только для обработки целых чисел. Кроме того, MMX имеет общие с сопроцессором регистры, так что одновременно задействовать инструкции MMX и инструкции сопроцессора процессор не может.

Эти недостатки MMX были устранены позже с введением технологий 3DNow! и SSE. 

 

Типы данных

Команды технологии MMX работают с 64-разрядными целочисленными данными, а также с данными, упакованными в группы (векторы) общей длиной 64 бита. Такие данные могут находиться в памяти или в восьми MMX-регистрах. Эти регистры называются MM0, MM1, ... , MM7. Команды технологии MMX работают со следующими типами данных:

• упакованные байты (восемь байтов в одном 64-разрядном регистре)
• упакованные слова (четыре 16-разрядных слова в 64-разрядном регистре)
• упакованные двойные слова (два 32-разрядных слова в 64-разрядном регистре)
• 64-разрядные слова, или учетверённые слова.

По-английски эти типы данных называются, соответственно, packed byte, packed word, packed doubleword и quadword. 

 

Команды MMX

Пересылка данных
Команда	Описание
movq mm, mm/m64	пересылка данных в регистр MMX
movd mm, mm/m32/ir32	копирует 32 бита из младших разрядов регистра MMX, либо из памяти, либо из целочисленного регистра в младшие 32 бита MMX-регистра (старшие биты заполняются нулями)
Арифметические команды
paddb mm, mm/m64 paddw mm, mm/m64 paddd mm,mm/m64	складывает элементы данных (байты, слова, двойные слова) входного и выходного операнда. Если сумма выходит за границу допустимого диапазона, избыток отсчитывается от другой границы диапазона. "Переноса" единицы из одного элемента данных в другой не происходит
paddsb mm, mm/m64 paddsw mm, mm/m64	сложение с насыщением знаковых данных (байты, слова)
paddusb mm, mm/m64 paddusw mm, mm/m64	сложение с насыщением беззнаковых данных (байты, слова)
psubb mm, mm/m64 psubw mm, mm/m64 psubd mm, mm/m64	вычитание элементов данных (байты, слова, двойные слова). Аналогично сложению
psubsb mm, mm/m64 psubsw mm, mm/m64	вычитание с насыщением знаковых данных (байты, слова)
psubusb mm, mm/m64 psubusw mm, mm/m64	вычитание с насыщением беззнаковых данных (байты, слова)
pmullhw mm, mm/m64	умножить знаковые слова и выбрать старшие биты результата
pmulllw mm, mm/m64	умножить знаковые слова и выбрать младшие биты результата
pmaddwd mm, mm/m64	умножить и сложить знаковые слова
Команды сравнения
PCMPEQB mm, mm/m64 PCMPEQW mm, mm/m64 PCMPEQD mm, mm/m64	сравнение данных (байты, слова, двойные слова). Если операнды равны - в операнд-назначение записываются единицы, иначе - записываются нули
PCMPGTB mm, mm/m64 PCMPGTW mm, mm/m64 PCMPGTD mm, mm/m64	сравнение данных (байты, слова, двойные слова). Если значение операнда-назначения больше значения операнда-источника - в операнд-назначения записываются единицы, иначе - записываются нули
Логические команды
PAND mm, mm/m64	Побитовое И
PANDN mm, mm/m64	Побитовое НЕ-И
POR mm, mm/m64	Побитовое ИЛИ
PXOR mm, mm/m64	Побитовое Исключающее ИЛИ ( XOR )
PSLLW mm, mm/m64/imm PSLLD mm, mm/m64/imm PSLLQ mm, mm/m64/imm	Логический сдвиг влево слов, двойных слов, учетверённых слов
PSRLW mm, mm/m64/imm PSRLD mm, mm/m64/imm PSRLQ mm, mm/m64/imm	Логический сдвиг вправо слов, двойных слов, учетверённых слов
PSRAW mm, mm/m64/imm PSRAD mm, mm/m64/imm	Арифметический сдвиг вправо слов, двойных слов
Команды упаковки
PACKSSWB mm, mm/m64 PACKSSDW mm, mm/m64	Упаковать с насыщением знаковые слова и двойные слова
PACKUSWB mm, mm/m64	Упаковать с насыщением беззнаковые слова
PUNPCKHBW mm, mm/m64 PUNPCKHWD mm, mm/m64 PUNPCKHDQ mm, mm/m64	Распаковать старшие байты, слова, двойные слова
PUNPCKLBW mm, mm/m64 PUNPCKLWD mm, mm/m64 PUNPCKLDQ mm, mm/m64	Распаковать младшие байты, слова, двойные слова

Отдельно выделяется комманда emms, которая обеспечивает переход процессора от исполнения MMX-команд к исполнению обычных команд с плавающей запятой: она устанавливает значение 1 во всех разрядах слова состояния

Арифметика с насыщением

Речь идёт об операциях с насыщением (такие, как paddsb, paddsw, и т.д.)

Арифметика с насыщением - это версия арифметики, в которой все операции, такие как сложение и умножение, ограничены в фиксированный диапазон между минимальным и максимальным значением.

Если результат операции больше максимального, он устанавливается на максимум; если он ниже минимума, он ограничивается минимумом.

Пример:

76 + 31 = 100 (не 107, т.к. произошло насыщение) 

88 * 91 = 100 (не 8008)

Постановка задачи

Для сравнения скорости работы, написанных на «чистом» Си и с использованием регистров MMX написать две программы, реализующие одинаковую логику и выводящие время своей работы.

Реализация программы 

Программа написана в среде Microsoft Visual Studio. 

В качестве интерфейса с инструкциями MMX выбрана реализация с ассемблерными вставками.

Программа складывает два массива, считает время работы выбранного метода (на ассемблерных вставках, на "чистом" Си) в тактах процессора.

Чтобы скомпилировать программу - нужно выбрать режим x86 в Visual Studio

Код программы вы можете найти на моём гитхабе.

Результат работы программы

Как видим, на сложение массивов, размером 10485760 элементов при реализации с использованием MMX регистров уходит в 2 с лишним раза меньше процессорных тактов, чем при реализации этого алгоритма на "чистом" Си.

Вывод:

Основное предназначение регистров MMX - это выполнение арифметических операций над массивом целочисленных данных.

Источники:

https://www.chaynikam.info/cpu_mmx.html

http://www.codenet.ru/progr/optimize/mmx.php

https://www.club155.ru/index.php?option=com_sobipro&sid=10&site=1 

https://ru.wikibrief.org/wiki/Saturation_arithmetic