2024年9月30日发(作者：门嘉树)
AVX高级矢量扩展指令集
作者：暂无
来源：《计算机世界》 2011年第7期
盘骏
在上一篇连载中，笔者介绍了Sandy Bridge微架构中对性能有很大影响的几处改进，然而
最重要的执行单元的变化没有涉及到，这部分的变化还跟Sandy Bridge新加入的AVX指令集相
关。AVX（Advanced Vector Extensions，高级矢量扩展）是X86上重要的指令集改进，不仅仅
在于其对性能的明显提升，还在于其对现有X86指令集的多种革新。
强大的性能：
256位向量计算
向量就是多个标量的组合，通常意味着SIMD（单指令多数据），就是一个指令同时对多个
数据进行处理，达到很大的吞吐量。
Sandy Bridge的AVX将X86向量化宽度扩展到了256位，原有的16个128位XMM寄存器
扩充为256位的YMM寄存器，可以同时处理8个单精度浮点数和4个双精度浮点数，在理想情
况下，Sandy Bridge的浮点吞吐能力可以达到前代的两倍。
从Nehalem开始的微架构包含了3个运算端口：0、1和5，每个运算端口分为三个区域：
ALU、SIMD INT、SIMD FP，分别执行整数和逻辑运算、SIMD整数和SIMD浮点运算。在每一个
时钟周期，每个运算端口可以分发一个uop，这个uop可以是三种运算中任意的一种。不同的
运算区域可以同时运作。
Sandy Bridge微架构的所有执行单元都经过了修改以执行256位AVX指令，它并没有直接
将所有浮点执行单元扩充到256位宽度，而是采用了一种较为节约晶体管乃至能耗的方法：重
用128位的SIMD整数和SIMD浮点路径。
除了AVX带来的性能增强之外，Sandy Bridge还继续增强了AES指令集的性能，提升其吞
吐量，此外，SHLD（移位）指令、ADC（进位加）指令和Multiply（64位乘数128位积）运算
的性能也都得到了提升，SHLD指令性能提升增强了SHA-1计算能力，ADC吞吐量翻倍提升了大
数值运算能力，而最后者提升了现有RSA程序25%的性能。
精简X86指令集
除了明显提升浮点运算性能之外，AVX指令集还是对X86指令集的一个精简。我们知道由
于是不定长的CISC指令集，X86指令集可以很容易地进行扩展，每一代处理器都像不要钱似的
增加扩展指令集。然而目前的这种通过增加各种Prefix前缀来扩展指令集的方式已经达到了其
极限，并且这种方式导致的指令集复杂化和长度增加，导致了执行文件的臃肿和解码器单元的
复杂化和低效化。
AVX指令集带来了新的操作码编码方式，这种编码方式叫做VEX（Vector Extension），其
动机就是压缩各式各样的Prefix前缀，集中到一个比较固定的字段中，缩短指令长度，降低无
谓的代码冗余，并且也降低了对解码器的压力。
VEX编码方式使用了两种VEX Prefix，除了一个字节的字头之外，分别具有1到2个字节
的Payload（负载），在这个Payload里面就包括了所有的Prefix的内容，达到了精简指令集
的目的。
VEX前缀包含了X86-64指令使用的REX前缀以及原SSE指令使用的前缀，还融合了普通操
作码带有的Escape字段，从某种意义上来说，VEX让CISC的X86指令集往RISC精简指令集靠
近了一点，当然，CISC易于扩充、支持复杂灵活的寻址方式的特性依然无损。
强化X86指令集
基于历史上X86处理器缺乏存储单元的原因，X86指令集属于双操作数的破坏性指令集，
例如，指令add ax, bx包含了ax和bx两个操作数，作用是将寄存器ax和bx的数值相加，并
保存到寄存器ax当中去，计算结束后，源操作数ax的内容就被计算结果“摧毁”了。
在传统的仅具有8个通用寄存器的X86处理器上，这种编码方式的使用实属没有办法，同
时期具有更多通用寄存器的RISC处理器都采用的是多操作数的非破坏性句法。在应用了
Register Renaming寄存器重命名技术之后，X86处理器事实上也具有了很多的寄存器可供使用，
因此Intel就动起了新的念头。Sandy Bridge带来的AVX指令集提供了新的3?4操作数的非破
坏性句法，在某种程度上，这弥补了X86指令集的体系缺陷。
例如，要实现xmm10 = xmm9 + xmm1，传统X86处理器需要两条指令：
movapps xmm10, xmm9
addpd xmm10, xmm1
在应用AVX指令集新的3操作数格式之后，只需要一条指令就能完成这个功能：
vaddpd xmm10, xmm9, xmm1
显然，新的指令操作数明显降低了指令的数量，处理器吞吐量得到了提升，代码运行更快
速，同时能耗也降低了。
X86指令集：不断进化
CISC指令集的思想就是用复杂的硬件来完成尽可能多的工作，RISC则是使用尽量少的指令
并通过复杂的程序来完成同样的功能。每一代的X86指令集，都会对不同的应用增加新的指令
集，这些指令集能高效地处理对应的应用。
Sandy Bridge新加入的AVX指令集让X86从128位提升到256位向量运算，大幅度提升了
性能，此外，AVX精简了X86指令集的设计，并弥补了破坏性句法的体系缺陷，可以说是一个
非常重要的改进。关于Sandy Bridge的微架构就介绍到这里，下回笔者将介绍Sandy Bridge
的架构，这部分的变化也非常大，请等继续分解。
2024年9月30日发(作者：门嘉树)
AVX高级矢量扩展指令集
作者：暂无
来源：《计算机世界》 2011年第7期
盘骏
在上一篇连载中，笔者介绍了Sandy Bridge微架构中对性能有很大影响的几处改进，然而
最重要的执行单元的变化没有涉及到，这部分的变化还跟Sandy Bridge新加入的AVX指令集相
关。AVX（Advanced Vector Extensions，高级矢量扩展）是X86上重要的指令集改进，不仅仅
在于其对性能的明显提升，还在于其对现有X86指令集的多种革新。
强大的性能：
256位向量计算
向量就是多个标量的组合，通常意味着SIMD（单指令多数据），就是一个指令同时对多个
数据进行处理，达到很大的吞吐量。
Sandy Bridge的AVX将X86向量化宽度扩展到了256位，原有的16个128位XMM寄存器
扩充为256位的YMM寄存器，可以同时处理8个单精度浮点数和4个双精度浮点数，在理想情
况下，Sandy Bridge的浮点吞吐能力可以达到前代的两倍。
从Nehalem开始的微架构包含了3个运算端口：0、1和5，每个运算端口分为三个区域：
ALU、SIMD INT、SIMD FP，分别执行整数和逻辑运算、SIMD整数和SIMD浮点运算。在每一个
时钟周期，每个运算端口可以分发一个uop，这个uop可以是三种运算中任意的一种。不同的
运算区域可以同时运作。
Sandy Bridge微架构的所有执行单元都经过了修改以执行256位AVX指令，它并没有直接
将所有浮点执行单元扩充到256位宽度，而是采用了一种较为节约晶体管乃至能耗的方法：重
用128位的SIMD整数和SIMD浮点路径。
除了AVX带来的性能增强之外，Sandy Bridge还继续增强了AES指令集的性能，提升其吞
吐量，此外，SHLD（移位）指令、ADC（进位加）指令和Multiply（64位乘数128位积）运算
的性能也都得到了提升，SHLD指令性能提升增强了SHA-1计算能力，ADC吞吐量翻倍提升了大
数值运算能力，而最后者提升了现有RSA程序25%的性能。
精简X86指令集
除了明显提升浮点运算性能之外，AVX指令集还是对X86指令集的一个精简。我们知道由
于是不定长的CISC指令集，X86指令集可以很容易地进行扩展，每一代处理器都像不要钱似的
增加扩展指令集。然而目前的这种通过增加各种Prefix前缀来扩展指令集的方式已经达到了其
极限，并且这种方式导致的指令集复杂化和长度增加，导致了执行文件的臃肿和解码器单元的
复杂化和低效化。
AVX指令集带来了新的操作码编码方式，这种编码方式叫做VEX（Vector Extension），其
动机就是压缩各式各样的Prefix前缀，集中到一个比较固定的字段中，缩短指令长度，降低无
谓的代码冗余，并且也降低了对解码器的压力。
VEX编码方式使用了两种VEX Prefix，除了一个字节的字头之外，分别具有1到2个字节
的Payload（负载），在这个Payload里面就包括了所有的Prefix的内容，达到了精简指令集
的目的。
VEX前缀包含了X86-64指令使用的REX前缀以及原SSE指令使用的前缀，还融合了普通操
作码带有的Escape字段，从某种意义上来说，VEX让CISC的X86指令集往RISC精简指令集靠
近了一点，当然，CISC易于扩充、支持复杂灵活的寻址方式的特性依然无损。
强化X86指令集
基于历史上X86处理器缺乏存储单元的原因，X86指令集属于双操作数的破坏性指令集，
例如，指令add ax, bx包含了ax和bx两个操作数，作用是将寄存器ax和bx的数值相加，并
保存到寄存器ax当中去，计算结束后，源操作数ax的内容就被计算结果“摧毁”了。
在传统的仅具有8个通用寄存器的X86处理器上，这种编码方式的使用实属没有办法，同
时期具有更多通用寄存器的RISC处理器都采用的是多操作数的非破坏性句法。在应用了
Register Renaming寄存器重命名技术之后，X86处理器事实上也具有了很多的寄存器可供使用，
因此Intel就动起了新的念头。Sandy Bridge带来的AVX指令集提供了新的3?4操作数的非破
坏性句法，在某种程度上，这弥补了X86指令集的体系缺陷。
例如，要实现xmm10 = xmm9 + xmm1，传统X86处理器需要两条指令：
movapps xmm10, xmm9
addpd xmm10, xmm1
在应用AVX指令集新的3操作数格式之后，只需要一条指令就能完成这个功能：
vaddpd xmm10, xmm9, xmm1
显然，新的指令操作数明显降低了指令的数量，处理器吞吐量得到了提升，代码运行更快
速，同时能耗也降低了。
X86指令集：不断进化
CISC指令集的思想就是用复杂的硬件来完成尽可能多的工作，RISC则是使用尽量少的指令
并通过复杂的程序来完成同样的功能。每一代的X86指令集，都会对不同的应用增加新的指令
集，这些指令集能高效地处理对应的应用。
Sandy Bridge新加入的AVX指令集让X86从128位提升到256位向量运算，大幅度提升了
性能，此外，AVX精简了X86指令集的设计，并弥补了破坏性句法的体系缺陷，可以说是一个
非常重要的改进。关于Sandy Bridge的微架构就介绍到这里，下回笔者将介绍Sandy Bridge
的架构，这部分的变化也非常大，请等继续分解。