多媒体指令的详细说明

近期很荣幸为公司做了一次关于多媒体指令的培训，现把主要的培训内容写出来。 

基于MMX指令集的程序设计

MMX技术简介
为了满足多媒体技术（包括图形图像，声频，动画，视频等）对大量数据快速处理的需要，intel公司在其第5代intel80x86微处理器奔腾中，加入了多媒体扩展指令，数据流SIMD扩展SSE指令和SSE2指令。
Intel 公司的MMX（多媒体增强指令集）技术可以大大提高应用程序对二维三维图形和图象的处理能力。Intel MMX技术可用于对大量数据和复杂数组进行的复杂处理，使用MMX技术可处理的数据基本单位可以是字节（byte）、字（word），或者是双字（double-word）。

图1 MMX的指令寄存器

1．          MMX的数据处理特点

一条MMX指令可以同时计算8/4/2个数据

紧缩字节：8个8位字节被紧缩成一个64位数据

紧缩字：4个16位字被紧缩成一个64位数据

紧缩双字：2个32位双字被紧缩成1个64位数据

紧缩4字：1个64位数据

2．MMX的指令集

算术运算指令：

PADD[B,W,D]环绕加【字节，字，双字】

PSUB[B,W,D]环绕减【字节，字，双字】

环绕运算是指：无符号数据的运算结果超出其数据类型界限的时候，它进行正常的进位借位运算。但是MMX技术没有新增任何标志，MMX指令也不影响状态标志，所以每个进位或错位并不能反映出来。例如：

16位字的数据类型界限是0000～FFFFH,则环绕运算

7FFEH+0003H=8001H(无进位)

0003H+FFFEH=0001H(有进位)

7FFEH-0003H=7FFBH(无借位)

0003H-FFFEH=0005H(有借位)

PADDS[B,W]有符号饱和加【字节，字】

PADDUS[B,W]无符号饱和加【字节，字】

PSUBS[B,W]有符号饱和减【字节，字】

PSUBUS[D,W]无符号饱和减【字节，字】

饱和运算是指：当运算结果超过其数据界限时候，其结果被最大/最小所代替。饱和运算有带符号数和无符号数之分，因为带符号和无符号数据的界限是不同的，如下表所示：

数据类型	符号数据	有符号数据
字节	00H-FFH(256)	80H(-128)-7FH(127)
字	0000H-FFFFH(65535)	8000H(-32768)-7FFFH(32767)
双字	00000000H-FFFFFFFFH(65535)	80000000(-2147483648)-7FFFFFFFH(2147483647)

 

PMULHW紧缩字乘后取高位

将源操作数的4个有符号字与目的操作数的4个有符号字相乘，然后将4个32位的积的高16位存入目的寄存器中对应的字；积的低16位被丢弃

PMULLW紧缩字后取低位

PMADDWD紧缩字乘，积相加

将源操作数的4个有符号字与目的操作数的4个有符号字分别相乘，结果产生了4个有符号双字；然后，低位的2个双字相加并存入目的寄存器的低位双字，高位的2个双字相加并存入目的操作数的高位双字。

比较指令：

比较两个操作数的各个数据元素（字节，字或者双字）。如果比较结果为真，目的寄存器中对应的数据元素被置为1；否则，被置为全零。比较指令并不设置标志位。

PCMPEQ【B,W,D】紧缩比较是否相等

PCMPGT【B,W,D】紧缩比较是否大于

例子：

MM0=0051 0030 0087 0023, MM1=0073 0002 0087 0009H

执行 pcmpeqw MM0,MM1;MM0=0000 0000 FFFF 0000H

而如果MM0和MM1不变，执行

PCMPEQB MM0 MM1;MM0= FF 00 FF 00 FF FF FF 00H

类型转换：

PACKUSWB:按无符号饱和压缩【字或字节】

将8个有符号紧缩字压缩成8个无符号字节。如果有符号紧缩字大于FFH（255），被饱和处理为FFH，如果有符号字为负，将饱和处理为00H.源操作数的4个字压缩后存入目的寄存器低32位，目的操作数的4个字压缩后存入目的寄存器高32位。

PACKSS【WB,DW】按有符号饱和压缩【字/双字成字节/字】

PUNPCKH【BW,WD,DQ】扩展高位【字节，字，双字成字，双字，4字】

PUNPCKL【BW,WD,DQ】扩展低位【字节，字，双字成字，双字，4字】

逻辑运算（以位方式对64位进行逻辑操作，结果返回MMX目的寄存器）：

PAND 紧缩与

PANDN 紧缩逻辑与非：先将目的操作数取反，然后再与源操作数按位逻辑与操作

POR 紧缩逻辑或

PXOR 紧缩逻辑异或

移位运算：

PSLL【W,D,Q】紧缩逻辑左移【字，双字，4字】

分别以字，双字，4字为数据元素单位，按源操作数指定的数值左移目的操作数中的每个数据元素，低位用零填充。如果指定的移位个数大于15（双字），31（对双字），63（对4字），则目的寄存器为全零

例子：MM7= 0051 0003 0087 0023H

执行 PSLLW MM7,2  则 MM7=0144 000C021C 008CH

0023＝0000 0000 0010 0011――0000 0000 1000 1100＝008C

0051＝0000 0000 0101 0001――0000 0001 0100 0100=0144

PSRL【W,D,Q】紧缩逻辑右移

PSRA【W,D】紧缩算术右移

高位用该数据元素原来的符号位填充。如果指定的移位个数大于15（对字）或31（对双字），则目的寄存器中各数据元素全为原符号位。

数据传送：

MOV[D,Q]从MMX寄存器传入、传出【双字，4字】

状态清除：
EMMS ：清除MMX状态

饱和算法（Saturation Arithmetic）和封装模式（Wraparound Mode）

MMX技术支持一种叫做saturating arithmetic（饱和算法）的计算模式。在饱和模式下，当计算结果发生溢出（上溢或下溢）时，CPU会自动去掉溢出的部分，使计算结果取该数据类型表示数值的上限值（如果上溢）或下限值（如果下溢）。饱和模式的计算用于对图象的处理。
下面的例子能够让你理解饱和模式和封装模式的区别。如果一个字节(BYTE)类型变量的值为255，然后将其值加一。在封装模式下，相加结果为0（去掉进位）；在饱和模式下，结果为255。饱和模式用类似的方法来处理下溢出，比如对于一个字节数据类型的数在饱和模式下，1减2的结果为0（而不是-1）。每一个MMX算术指令都有这两种模式：饱和模式和封装模式。

Visual Studio .NET 2003提供了对MMX指令集特性的支持，从而可以不必编写汇编代码，直接使用C 代码就可以实现MMX指令的功能。通过参考Intel软件说明书（Intel Software manuals）[1]以及阅读MSDN中有关MMX编程技术的主题会使你更好地把握MMX编程的要点。

MMX技术实现了单道指令多道数据流（SIMD，single-instruction, multiple-data）的执行模式。考虑下面一个需要编程完成的任务，在一个字节（BYTE）数组中使其中每一个元素加上一个数，在传统的程序中，实现这个功能的算法如下：

for each　b in array　　 //对数组中的每一个元素b
　　b = b n　　　　　　//加上一个数n

下面看看它的实现细节：

for each　b in array　//对数组中的每一个元素b
{
　　把b加载到寄存器中
　　把此寄存器中的数加上n
　　把所得寄存器中的结果放回内存
}


具有MMX指令集支持的处理器有八个64位的寄存器，每一个寄存器可以存放8个字节（byte）、4个字(word)或2个双字(double-word)。MMX技术同时提供了一个MMX指令集，其中的指令可以可以把一个数值（其类型可以是字节、字或双字）加载到这些MMX寄存器中，在寄存器中进行算术或逻辑运算，然后把寄存器中的结果放回内存存储单元。上面的例子采用MMX技术后的算法是这样的：

for each　8 members in array　//把数组中的8个字节（其中一个字节为数组中的一个单位）作为一组取出
{
　　把这8个字节加载到MMX寄存器中
　　通过一个CPU指令执行周期把这个寄存器中的8个字节都加上n
　　把寄存器中计算的结果写回内存
}


C 编程人员不必直接使用MMX指令集中的指令访问这些MMX寄存器。你可以使用64位的数据类型__m64和一系列C 函数来进行相关的算术和逻辑运算。而决定程序使用哪个MMX寄存器以及代码优化是C 编译器的任务。
MMX程序设计详细介绍
包含的头文件
所有的MMX指令集函数在emmintrin.h文件中定义：
#include
因为程序中用到的MMX处理器指令是由编译器决定，所以它并没有相关的.lib库文件。
__m64 数据类型
这种类型的变量可用作MMX指令的操作数，它不能被直接访问。_m64类型的变量被自动分配为8个字节的字长。




编程实例
演示项目
纯C 代码；
使用C 的MMX功能函数的代码；
使用MMX汇编指令的代码。

为了查询使用C MMX指令函数的方法，需要参考Intel软件说明书（Intel Software manuals）中有关MMX汇编指令的说明，首先我是在第一卷的第八章找到了MMX相关指令的大体介绍，然后在第二卷找到了有关这些MMX指令的详细说明，这些说明有一部分涉及了与其特性相关的C 函数。然后我通过这些MMX指令对应的C 函数查找了MSDN中与其相关的说明。在MMX8示例程序中用到的MMX指令和相关的C 函数见下表：

 

Required Function	Assembly Instruction	MMX Intrinsic
Empty MMX state (prevents collisions with floating-point operations)	emms	_mm_empty
Unsigned subtraction with saturation of each byte in two 64-bits operands	psubusb	_mm_subs_pu8
Unsigned addition with saturation of each byte in two 64-bits operands	paddusb	_mm_adds_pu8

参考文档：

[1] Intel软件说明书（Intel Software manuals）：http://developer.intel.com/design/archives/processors/mmx/index.htm 。

[2]　MSDN中有关MMX技术的主题：http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vclang/html/vcrefsupportformmxtechnology.asp。

[3] Microsoft Visual C CPUID项目示例：http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamcpuiddeterminecpucapabilities.asp。

[4] Microsoft Visual C MMXSwarm项目示例：
http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamMMXSwarmSampleDemonstratesCImageVisualCsMMXSupport.asp。

[5] Matt Pietrek在Microsoft Systems Journal 1998年2月刊上的评论文章：
http://www.microsoft.com/msj/0298/hood0298.aspx 。