MMX指令集简介

MMX指令集简介（一）

从今天起开始介绍一下MMX指令集。

MMX技术大家肯定是如雷贯耳，也不用我多废话了。总之，它是SIMD（单指令多数据）技术的一个最简单的部分，它只能对整数（BYTE、WORD、DWORD、QWORD）进行操作，而且提供的指令也有限，不象Intel原来的指令集那么复杂。但是我们可敬的雷锋叔叔不是说过“要把有限的生命投入到无限的为人民服务之中去”么？我们这里也是一样，要把有限的指令应用到无限的计算方法当中去。简单有限的指令组合起来，一样可以完成近乎无限的功能。不信可以去Intel的网站（）看看，那里有非常多的应用MMX技术来优化了的算法，包罗了图像、图形、音频、通讯、信号处理等几乎所有现在比较流行的技术。当然SSE和SSE2又更进了一步，不过我们现在是讨论MMX，先把这个搞定对于理解其他的SIMD技术肯定是大有帮助。

好了，废话少说，开始进入正题。
先来讲一下MMX寄存器。MMX寄存器实际上用的就是浮点寄存器（就是原来的ST0、……、ST7）的低64Bit（至少一直到PII还是这样，PIII是不是这样我就不知道了），分别被命名为MM0、MM1、……、MM7，每个寄存器都可以被看作是8个BYTE，4个WORD、2个DWORD或1个QWORD，具体以什么为单位取决于所用的指令。MMX指令可以把这几个数据在一条指令里同时操作，而且相互间各不相干，例如下图所示:
　┌───┬───┬───┬───┐
　│　A1　│　A2　│　A3  │　A4  │
　└───┴───┴───┴───┘
　┌───┬───┬───┬───┐
　│　B1　│　B2　│　B3  │　B4  │
 +└───┴───┴───┴───┘
 ──────────────────
　┌───┬───┬───┬───┐
　│A1+B1 │A2+B2 │A3+B3 │A4+B4 │
　└───┴───┴───┴───┘
这对数据密集型的计算（比如图像处理）是个相当大的喜讯。但是因为它实际使用的是浮点寄存器，所以不能和浮点运算同时执行（占了人家的房子当然不好意思了），要执行浮点指令前必须执行一条EMMS指令，通知CPU“我的租期到了，现在该把房子还给你了”。这么一条指令也是要花时钟周期的（可能还绝对不止一个时钟周期），要是频繁的切换MMX状态和浮点状态，从MMX技术获得的这么点利润就又全陪进去了。所以在写代码的时候要注意，务必使MMX指令的运算和浮点运算分开来，个人管个人，免得一个房子两个人挤。

下面介绍MMX指令。
在MMX指令集里加入了几个原来Intel指令集里没有（当然没有了，我指的是没有类似的运算指令）的非常好用的指令，我以前搞过图像处理，最能理解这几个指令的好处，就先从这几个指令讲起。

1.饱和运算
所谓饱和运算，就是当运算结果大于一个上限或小于一个下限时，结果就等于上限或是下限。例如：BYTE运算，最大值是255，0xF1+0x35应该是等于0x26，但由于结果大于255，那么饱和运算的结果就是0xFF。在图像处理里经常有（比如说增加亮度）两种灰度值运算后要判断只是否大于255或小于0，根据结果再取255或0，又是if又是什么的。现在只要一条指令就OK了。
这几条指令分别是：

PADDS[B,W]	饱和有符号数加[byte, word]
PADDUS[B,W]	饱和无符号数加[byte, word]
PSUBS[B,W]	饱和有符号数减[byte, word]
PSUBUS[B,W]	饱和无符号数减[byte, word]

是不是很方便啊！（有符号数就是有正有负，一个BYTE就是-128~127；无符号数就是都是正的，一个BYTE就是0~255）
注：PADDS[B,W]的意思就是PADDSB和PADDSW的简写，以下都将这样写。

先讲到这里，下一篇再接着讲。（敲的累死了，以后肯定不写书了）

MMX指令集简介（二）

（上一篇忘记说明了，这些所有的MMX指令的目的操作数——就是放在前面的——一般都是MMX寄存器，源操作数——就是放在后面的——一般是MMX寄存器或内存，以下除非有特殊说明，均有这个限制）

2.向量点乘指令
什么是向量点乘我想不用我说了吧，学过高数的都该知道。这条指令的格式如下：

PMADDWD	向量点乘运算(word)

其实际操作为：

┌───┬───┬───┬───┐
│  A1  │  A2  │  A3  │  A4  │
└───┴───┴───┴───┘
┌───┬───┬───┬───┐
│  B1  │  B2  │  B3  │  B4  │
└───┴───┴───┴───┘ PMADDWD
──────────────────────
┌───────┬───────┐
│  A1*B1+A2*B2 │  A3*B3+A4*B4 │
└───────┴───────┘


这条指令的用处不要我说了，高数里有好多这种运算。我只是感叹，这么好用的指令为什么Intel不早点想出来呢？

3.串比较指令
这类指令有两个

PCMPEQ[B,W,D]	串等于比较(byte,word,dword)
PCMPGT[B,W,D]	串大于比较(byte,word,dword)

举个例子说明实际操作

┌───┬───┬───┬───┐
│ 0xF0 │ 0xA2 │ 0x24 │ 0x75 │
└───┴───┴───┴───┘
┌───┬───┬───┬───┐
│ 0xF0 │ 0x2C │ 0x24 │ 0x54 │
└───┴───┴───┴───┘PCMPEQ
─────────────────────
┌───┬───┬───┬───┐
│ 0xFF │ 0x00 │ 0xFF │ 0x00 │
└───┴───┴───┴───┘

┌───┬───┬───┬───┐
│ 100  │  70  │   6  │  18  │
└───┴───┴───┴───┘
┌───┬───┬───┬───┐
│  40  │  120 │   5  │  26  │
└───┴───┴───┴───┘PCMPGT
─────────────────────
┌───┬───┬───┬───┐
│ 0xFF │ 0x00 │ 0xFF │ 0x00 │
└───┴───┴───┴───┘

看明白了？结果为全1，即说明比较结果为TRUE；结果为全0，说明比较结果为FALSE。这条指令用在什么地方？字符串快速比较（Intel网站上有源码，扬言速度提高50%）、模拟Color Key（具体怎么实现不在本文讨论范围之内，自己想一想，我以后可能会介绍一下）等等好多方面。

接下来的指令就比较普通了，但还是有非常大的便宜可以占的。

4.数据传输

MOV[D,Q]	数据传输(dword,qword)

MOVD就是传32个Bit（传到MMX寄存器的低32Bit或只传输MMX寄存器的低32Bit），MOVQ就是传64个Bit，这条指令是可以在MMX寄存器、通用寄存器（就是EAX、ESI之类，但是这些寄存器只能用在MOVD里——一直到PIII都还是32Bit的通用寄存器嘛）和内存之间来回折腾的，没什么限制。

今天就到这儿吧。

MMX指令集简介（三）

5.算术指令
这里的指令和普通的算术指令没有什么运算规则上的区别，只不过是在一条指令里同时处理几个数据而已。指令如下：

PADD[B,W,D]	无符号数加[byte,word,dword]
PADDS[B,W]	有符号数加[byte,word]
PSUB[B,W,D]	无符号数减[byte,word,dword]
PSUBS[B,W]	有符号数减[byte,word]
PMULHW	有符号数乘取高位[word]
PMULLW	有符号数乘取低位[word]

值的提一下的是那两个乘法指令，因为两个WORD相乘，结果是个DWORD，但在MMX指令里又要保持数据的一致性，不可能是交给它4个数据，运算完了就剩下2个数据了，于是Intel就搞了这么个方法，乘法嘛，要算两次，一次只把高位给你，另一次再把低位给你——怎么，不服气么？哼，我给了你这么多方便又好用的指令，才讹了你这么点儿时钟周期就不满意了？CPU是我做还是你做？哼，没话说了吧！——没办法，人家是老大，该怎样就怎样了。不过凡事要往两方面想，假如我们要判断两数是否同号，只要乘完了取高位就行了，低位嘛，在这儿用不上，随它怎么样了，而且还省了个寄存器。
这两条指令的实际操作如下（只写一条就行了）：

┌───────┬───┬───┐
│      A1      │  …  │  …  │
└───────┴───┴───┘
┌───────┬───┬───┐
│      B1      │  …  │  …  │
└───────┴───┴───┘PMULHW
─────────────────────
┌───────┬───┬───┐
│HIWORD(A1*B1) │  …  │  …  │
└───────┴───┴───┘

但是大家发现没有，这里没有除法运算，也没有无符号数的乘法运算，不要急，PIII的SSE指令集里就有了，大家升级CPU啊！

6.逻辑指令
这些指令和原来我们学过的8086汇编里的逻辑指令完全相同（除了PANDN相当于原先的两个操作——与和非——的结合），只是把寄存器换成64位的而已。

PAND	按位与操作
PANDN	按位与后再取非操作
POR	按位或操作
PXOR	按位异或操作

7.移位指令
移位指令也不要我多说了，实际就是更方便（方便嘛当然就要有点儿限制了）的乘除法运算。但是却没有BYTE为单位的移位运算，不知道是为什么。

PSLL[W,D,Q]	逻辑左移[word,dword,qword]
PSRL[W,D,Q]	逻辑右移[word,dword,qword]
PSRA[W,D,Q]	算术右移[word,dword,qword]

再提一句，这条指令的源操作数（就是放在后面的那个）可以是个立即数，就像
PSLLW MM0, 2
这样，就是每个WORD左移2位。还有，当源操作数是MMX寄存器或是内存地址时，CPU是把它当成一个数来看的，注意了，不要以为还是当分开的数据看，对应的单元移位对应的位数（我曾经以为会是这样，但事实证明我是错的），那有这种美事？

好了，今天就讲这么多吧！还有最后一类指令，留到下次吧！
　

补充日期: 2000-11-17 17:21:19

差点儿误人子弟，修正一下

PANDN指令的操作是：将目的数取非再和源数做与操作，用C语言表示为

dest = (~dest) & src

对不起，这条指令我原来没用过，想当然了，抱歉抱歉。

MMX指令集简介（四）

8.数据转换指令
现在已经讲了绝大部分的MMX指令，大家看到了吧，每个指令前都有个“P”开头。这个“P”的意思就是——Packet，就是说每个寄存器里的数据都是个数据包，而不是一个数据。那么这些指令就是把这些数据打包或拆包（我不知该怎么下这个操作的定义）用的。这些指令的操作都有点儿怪异，倒需要详细说明一下。

PACKUSWB	有符号数WORD带饱和压缩成无符号BYTE
PACKSS[WB,DW]	有符号数带饱和压缩成有符号数[word->byte,dword->word]
PUNPCKH[BW,WD,DQ]	交错放置两数的高位[byte->word,word->dword,dword->qword]
PUNPCKL[BW,WD,DQ]	交错放置两数的低位[byte->word,word->dword,dword->qword]

先说一下PACKUSWB。举个例子，PACKUSWB MM0, MM1，其实际操作为（图示为高位在左，低位在右），

┌───┬───┬───┬───┐    ┌───┬───┬───┬───┐
MM1│  A   │  B   │  C   │  D   │    │  E   │  F   │  G   │  H   │MM0
└───┴───┴───┴───┘    └───┴───┴───┴───┘
│                                                              │
└─────────────┐      ┌─────────────┘
│      │
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
│A │B │C │D │E │F │G │H │MM0
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

不知道大家有没有看明白。大致意思就是：目的数紧缩到低位，源操作数紧缩到高位。另外，这个指令是带饱和操作的，就是说大于255的紧缩后就变成255，小于0的紧缩后就变成0。
PACKSS[WB,DW]的操作和PACKUSWB一样，不过多了个[DW]，就是从DWORD紧缩成WORD。

再说一下拆包操作。名字虽然是UNPACK，实际好像不是PACK的逆操作，反倒有点怪，这个操作和乘法操作有一点点类似，也有高位和低位之分的。比如说：PUNPCKHBW MM0, MM1，其实际操作为：

┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐    ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
MM1│A1│B1│C1│D1│E1│F1│G1│H1│    │A2│B2│C2│D2│E2│F2│G2│H2│MM0
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘    └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘
│                                                                  │
└──────────────┐      ┌──────────────┘
│      │
┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
│A1│A2│B1│B2│C1│C2│D1│D2│MM0
└─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

有了PACKUSWB作基础，大家应该看懂这个图示了吧。这明明不是什么拆包操作是吧！唉，我不过是为了讲究名称的匹配，再说它的指令助记符也写着是UNPACK嘛，不就是个名称，你又何必认真呢？PUNPCKL[BW,WD,DQ]的操作和PUNPCKH类似，就是把两个数的低位交错着放到目的数里。

OK，到此为止，MMX指令集简介正式结束，谢谢大家。