單資料多指令(SIMD) MMX SSE AVX

概述

SIMD是指單指令多資料技術，它已經成為Intel處理器的重要性能擴充。目前Intel處理器支援的SIMD技術包括MMX,SSE,AVX.

MMX提供了8個64bit的寄存器進行SIMD操作，SSE系列提供了128bit的8個寄存器進行SIMD指令操作。而最新的AVX指令則支援256bit的SIMD操作。

目前SIMD指令可以有四種方法進行使用分别是彙編語言，C++類，編譯器Intrisincs和自動矢量化。

MMX

MMX是由英特爾開發的一種SIMD多媒體指令集，共有57條指令。它于1996年內建在英特爾奔騰 (Pentium) MMX處理器上，以提高其多媒體資料的處理能力。 MMX是Intel命名的矩陣數學擴充（Matrix Math eXtensions）.MMX寄存器，稱作MM0到MM7，實際上就是處理器内部80比特字長的浮點寄存器棧st(0)到st(7)的尾數部分(64比特長)的複用。由于浮點棧寄存器的高16位未被MMX技術使用，是以這16位都置為1，是以從棧寄存器的角度看，其浮點值為NaN或Infinities，這可用于區分寄存器是處于浮點棧狀态還是MMX狀态. 作為MMX寄存器都是直接通路。利用了裝配資料類型(packed data type)的概念，每個MMX寄存器的64比特字長可以看作是2個32位整數、或者4個16位整數、或者8個8位整數，進而可以執行整數SIMD運算。這對于1990年代中期的2D、3D計算的加速還是很有意義的，因為當時的計算機的圖形處理器（GPU）還很不發達。但現在MMX整數SIMD運算對于圖形運算來說是多餘的技術了。不過MMX的飽和算術運算（saturation arithmetic operations）對于一些數字信号處理應用還是有用的。

SSE(Streaming SIMD Extensions)

是英特爾在AMD的3D Now!釋出一年之後，在其計算機晶片Pentium III中引入的指令集，是繼MMX的擴充指令集。SSE 指令集提供了 70 條新指令。AMD後來在Athlon XP中加入了對這個新指令集的支援。SSE 加入新的 8 個 128 位元暫存器（XMM0～XMM7）。 由于 SSE 加入了浮點支援，SSE 就比 MMX 更加常用。而 SSE2 加入了整數運算支援之後讓 SSE 更加的有彈性，當 MMX 變成是多餘的指令集，SSE 指令集甚至可以與 MMX 并行運作，在某些時候可以提供額外的性能增進。

AVX

AVX(Advanced Vector Extensions) 是Intel的SSE延伸架構，如IA16至IA32般的把暫存器XMM 128bit提升至YMM 256bit，以增加一倍的運算效率。此架構支援了三運算指令（3-Operand Instructions），減少在編碼上需要先複制才能運算的動作。在微碼部分使用了LES LDS這兩少用的指令作為延伸指令Prefix。目前Apple OS X 10.6.8（雪豹的更新版本）及更高，Linux 2.6.30 核心以後，以及Windows 7 SP1(Service Pack 1) KB976932，Windows Server 2008 RC2 SP1 與 Windows 8 支援AVX，Windows XP應該不支援

FMA

• FMA是Intel的AVX擴充指令集，如名稱上熔合乘法累積（Fused Multiply Accumulate）的意思一樣。

SIMD資料類型簡介

　　SIMD資料類型有——

__m64：64位緊縮整數（MMX）。

__m128：128位緊縮單精度（SSE）。

__m128d：128位緊縮雙精度（SSE2）。

__m128i：128位緊縮整數（SSE2）。

__m256：256位緊縮單精度（AVX）。

__m256d：256位緊縮雙精度（AVX）。

__m256i：256位緊縮整數（AVX）。

注：緊縮整數包括了8位、16位、32位、64位的帶符号和無符号整數。

　　這些資料類型與寄存器的對應關系為——

64位MM寄存器（MM0~MM7）：__m64。

128位SSE寄存器（XMM0~XMM15）：__m128、__m128d、__m128i。

256位AVX寄存器（YMM0~YMM15）：__m256、__m256d、__m256i。