基于SSE指令集的程序设计简介

http://dev.gameres.com/Program/Other/sseintro.htm

 

SSE技术简介

Intel公司的单指令多数据流式扩展（SSE，Streaming SIMD Extensions）技术能够有效增强CPU浮点运算的能力。Visual Studio .NET 2003提供了对SSE指令集的编程支持，从而允许用户在C++代码中不用编写汇编代码就可直接使用SSE指令的功能。MSDN中有关SSE技术的主题[1]有可能会使不熟悉使用SSE汇编指令编程的初学者感到困惑，但是在阅读MSDN有关文档的同时，参考一下Intel软件说明书（Intel Software manuals）[2]会使你更清楚地理解使用SSE指令编程的要点。
SIMD（single-instruction, multiple-data）是一种使用单道指令处理多道数据流的CPU执行模式，即在一个CPU指令执行周期内用一道指令完成处理多个数据的操作。考虑一下下面这个任务：计算一个很长的浮点型数组中每一个元素的平方根。实现这个任务的算法可以这样写：

    for each f in array //对数组中的每一个元素
        f = sqrt(f) //计算它的平方根

为了了解实现的细节，我们把上面的代码这样写：

    for each f in array
    {
        把f从内存加载到浮点寄存器
        计算平方根
        再把计算结果从寄存器中取出放入内存
    }

具有Intel SSE指令集支持的处理器有8个128位的寄存器，每一个寄存器可以存放4个（32位）单精度的浮点数。SSE同时提供了一个指令集，其中的指令可以允许把浮点数加载到这些128位的寄存器之中，这些数就可以在这些寄存器中进行算术逻辑运算，然后把结果放回内存。采用SSE技术后，算法可以写成下面的样子：

    for each 4 members in array //对数组中的每4个元素
    {
       把数组中的这4个数加载到一个128位的SSE寄存器中
       在一个CPU指令执行周期中完成计算这4个数的平方根的操作
       把所得的4个结果取出写入内存
    }

C++编程人员在使用SSE指令函数编程时不必关心这些128位的寄存器，你可以使用128位的数据类型“__m128”和一系列C++函数来实现这些算术和逻辑操作，而决定程序使用哪个SSE寄存器以及代码优化是C++编译器的任务。当需要对很长的浮点数数组中的元素进行处理的时候，SSE技术确实是一种很高效的方法。

SSE程序设计详细介绍

包含的头文件：
所有的SSE指令函数和__m128数据类型都在xmmintrin.h文件中定义：
    #include <xmmintrin.h>
因为程序中用到的SSE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。

数据分组（Data Alignment）
由SSE指令处理的每一个浮点数数组必须把其中需要处理的数每16个字节（128位二进制）分为一组。一个静态数组（static array）可由__declspec(align(16))关键字声明：
    __declspec(align(16)) float m_fArray[ARRAY_SIZE];
动态数组（dynamic array）可由_aligned_malloc函数为其分配空间：
    m_fArray = (float*) _aligned_malloc(ARRAY_SIZE * sizeof(float), 16);
由_aligned_malloc函数分配空间的动态数组可以由_aligned_free函数释放其占用的空间：
    _aligned_free(m_fArray);

__m128 数据类型
该数据类型的变量可用做SSE指令的操作数，它们不能被用户指令直接存取。_m128类型的变量被自动分配为16个字节的字长。

CPU对SSE指令集的支持
如果你的CPU能够具有了SSE指令集，你就可以使用Visual Studio .NET 2003提供的对SSE指令集支持的C++函数库了，你可以查看MSDN中的一个Visual C++ CPUID的例子[4]，它可以帮你检测你的CPU是否支持SSE、MMX指令集或其它的CPU功能。

编程实例
以下讲解了SSE技术在Visual Studio .NET 2003下的应用实例，你可以在http://www.codeproject.com/cpp/sseintro/SSE_src.zip下载示例程序压缩包。该压缩包中含有两个项目，这两个项目是基于微软基本类库（MFC）建立的Visual C++.NET项目，你也可以按照下面的讲解建立这两个项目。

参考文档：
[1]MSDN, SSE技术主题：
http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vclang/html/vcrefstreamingsimdextensions.asp
[2]Intel软件说明书（Intel Software manuals）：
http://developer.intel.com/design/archives/processors/mmx/index.htm
[3] Kris Jearakul的瀑布状图表控件：http://www.codeguru.com/controls/Waterfall.shtml
[4] Microsoft Visual C++ CPUID示例：
http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamcpuiddeterminecpucapabilities.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 。