Intel CPU发展历程和多媒体指令集

 

Intel CPU发展历程和多媒体指令集

PeterLee 2006.08.02 viedosky.9126.com

一、Intel CPU 发展历程

推出时间	CPU型号	技术特点	支持的多媒体指令集	竞争对手AMD的情况
1996年	Pentium奔腾 或称586 代号P54C	主频：66-200MHz 接口：socket7	无	K5
1996年底	Pentium MMX 或称 多能奔腾 代号P55C	同上	支持57条MMX指令	K6
1997年5月	PII	主频：300-450MHz 接口：slot1	支持57条MMX指令 8个64位MMX寄存器	K6-2 推出3DNow!多媒体指令集 超过PII
1998年4月	Celeron赛扬	主频：266 MHz起	支持MMX	Duron
1999年初	PIII	0.25微米工艺 主频：450-800MHz 接口：socket370	支持MMX 新增支持70条SSE指令	K6-3 增强型3DNow!   Athlon(K7) 支持MMX，3DNow!
2000年3月	Celeron II	0.18微米工艺	支持MMX 支持SSE指令
2000年11月	P4 Willamette时期	0.18微米工艺 主频：1.3GHz起 接口：socket423 Netburst微架构	支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令	Thunderbird 0.18微米工艺 支持MMX, 3DNow!, SSE
	Northwood时期	0.18微米，90纳米工艺 主频：2.4 GHz起 接口：socket478	支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令	2003年秋 Athlon 64 新增支持SSE2, x86-64
	Prescott时期 2004年开始	0.18微米，90纳米工艺 主频： 接口：LGA775 双核	支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令 支持SSE3指令 支持EM64T指令	2005年 K8 新增支持SSE3
Plus	同时期Celeron，Celeron D		支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令
2006年1月	Core 酷睿	65纳米工艺 笔记本：Yonah微架构，迅驰3代	支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令 支持SSE3指令
2006年7月	Core 2	65纳米工艺 NOTE: 代号 台式机：Conroe扣肉 笔记本：Merom 服务器：Woodcrest	支持MMX 支持SSE指令 支持SSE2指令 支持SSE3指令 支持EM64T指令 支持SSE4指令
To be continue…

 

二、多媒体指令集介绍（转载）

CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为"CPU的指令集"。

1 、精简指令集的运用

在最初发明计算机的数十年里，随着计算机功能日趋增大，性能日趋变强，内部元器件也越来越多，指令集日趋复杂，过于冗杂的指令严重的影响了计算机的工作效率。后来经过研究发现，在计算机中，80％程序只用到了20％的指令集，基于这一发现，RISC精简指令集被提了出来，这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC体系结构的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。

RISC指令集有许多特征，其中最重要的有：

l         指令种类少，指令格式规范：RISC指令集通常只使用一种或少数几种格式。指令长度单一（一般4个字节），并且在字边界上对齐，字段位置、特别是操作码的位置是固定的。

l         寻址方式简化：几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不超过5个。其他更为复杂的寻址方式，如间接寻址等则由软件利用简单的寻址方式来合成。

l         大量利用寄存器间操作：RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器操作，只以简单的Load和Store操作访问内存。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1个，访问内存的操作不会与算术操作混在一起。

l         简化处理器结构：使用RISC指令集，可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，而不必像CISC处理器那样使用微程序来实现指令操作。因此RISC处理器不必像CISC处理器那样设置微程序控制存储器，就能够快速地直接执行指令。

l         便于使用VLSI技术：随着LSI和VLSI技术的发展，整个处理器（甚至多个处理器）都可以放在一个芯片上。RISC体系结构可以给设计单芯片处理器带来很多好处，有利于提高性能，简化VLSI芯片的设计和实现。基于VLSI技术，制造RISC处理器要比CISC处理器工作量小得多，成本也低得多。

l         加强了处理器并行能力：RISC指令集能够非常有效地适合于采用流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。目前常用的处理器内部并行操作技术基本上是基于RISC体系结构发展和走向成熟的。

正由于RISC体系所具有的优势，它在高端系统得到了广泛的应用，而CISC体系则在桌面系统中占据统治地位。而在如今，在桌面领域，RISC也不断渗透，预计未来，RISC将要一统江湖。

2 、CPU 的扩展指令集

对于CPU来说，在基本功能方面，它们的差别并不太大，基本的指令集也都差不多，但是许多厂家为了提升某一方面性能，又开发了扩展指令集，扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必需要有软件支持。

MMX 指令集

MMX（Multi Media eXtension，多媒体扩展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益处在于，当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行MMX程序。但是，问题也比较明显，那就是MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集式的交错切换才可以正常执行，这种情况就势必造成整个系统运行质量的下降。

SSE 指令集

SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel在Pentium III处理器中率先推出的。其实，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI（Katmai New Instruction）指令集，这个指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本，即MMX2指令集。究其背景，原来"KNI"指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称，而所谓的"MMX2"则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对"KNI"的 评价，Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。

而最终推出的SSE指令集也就是所谓胜出的"互联网SSE"指令集。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

在后来Intel为了应对AMD的3Dnow!指令集，又在SSE的基础上开发了SSE2，增加了一些指令，使得其P4处理器性能有大幅度提高。到P4设计结束为止，Intel增加了一套包括144条新建指令的SSE2指令集。像最早的SIMD扩展指令集，SSE2涉及了多重的数据目标上立刻执行一单个的指令（即SIMD，一个计算低工控最好的方法是让每指令执行更多的工作）。最重要的是SSE2能处理128位和两倍精密浮点数学运算。处理更精确浮点数的能力使SSE2成为加速多媒体程序、3D处理工程以及工作站类型任务的基础配置。但重要的是软件是否能适当的优化利用它。

3D Now!(3D no waiting) 指令集

3DNow！是AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，并被AMD广泛应用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow!指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。

与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同，3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。后来在Athlon上开发了Enhanced 3DNow!。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因为受到Intel在商业上以及Pentium III成功的影响，软件在支持SSE上比起3DNow!更为普遍。

Enhanced 3DNow!

AMD公司继续增加至52个指令，包含了一些SSE码，因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。

SSE3

SSE3是英特尔去年推出Prescott核心处理器时出现的，包含13条指令，是对处理器SIMD能力的补充。处理器有时候会重复处理大量数据和类似操作，大量数据流通过处理器，需要进行的操作则是同一个（特别在音频/视频处理过程）。目前很多显卡核心上都带有SIMD处理单元，用来处理尽快处理大量的顶点、象素数据；CPU中的X87浮点处理部分中也具有这样的专门单元。

SSE3指令集中包括10条针对SIMD的新指令和3条不涉及SSE寄存器的指令：

l         x87浮点-整数转换指令－－fisttp；

l         复杂算术指令－－addsubps, addsubpd, movsldup, movshdup, movddup；

l         视频编码指令－－lddqu；

l         图形指令－－haddps, hsubps, haddpd, hsubpd；

l         线程同步指令－－monitor, mwait

上面给出的13条指令中，浮点-整数转换指令的功能很好理解，但不是所有的指令都这么显而易见。复杂算术指令增加了虚数功能，hadd和hsub指令则是为水平加、减操作准备的。这些指令可以加快顶点阵列中水平存储数据的处理速度。目前SSE3也是最先进的指令集，英特尔Prescott处理器已经支持SSE3指令集，AMD会在未来双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持，全美达的处理器也将支持这一指令集。

EM64T 技术

Intel官方是给EM64T这样定义的：EM64T全称Extended Memory 64 Technology，即扩展64bit内存技术。EM64T是Intel IA-32架构的扩展，即IA-32e（Intel Architectur-32 extension）。IA-32处理器通过附加EM64T技术，便可在兼容IA-32软件的情况下，允许软件利用更多的内存地址空间，并且允许软件进行32 bit线性地址写入。EM64T特别强调的是对32 bit和64 bit的兼容性。Intel为新核心增加了8个64 bit GPRs（R8-R15），并且把原有GRPs全部扩展为64 bit，如前文所述这样可以提高整数运算能力。增加8个128bit SSE寄存器（XMM8-XMM15），是为了增强多媒体性能，包括对SSE、SSE2和SSE3的支持。

Intel为支持EM64T技术的处理器设计了两大模式：传统IA-32模式（legacy IA-32 mode）和IA-32e扩展模式（IA-32e mode）。在支持EM64T技术的处理器内有一个称之为扩展功能激活寄存器（extended feature enable register，IA32_EFER）的部件，其中的Bit10控制着EM64T是否激活。Bit10被称作IA-32e模式有效（IA-32e mode active）或长模式有效（long mode active，LMA)。当LMA＝0时，处理器便作为一颗标准的32 bit（IA32）处理器运行在传统IA-32模式；当LMA＝1时，EM64T便被激活，处理器会运行在IA-32e扩展模式下。

SSE4

       SSE4指令集是在Intel Core2处理器中率先推出的。从Intel Core微架构针对SSE指令所作出的修改被称之为“Intel Advanced Digital Media Boost”技术来看，未来SSE4将更注重针对视频方面的优化，我们认为SSE4主要改进之处可能将针对英特尔的Clear Video高清视频技术及UDI接口规范提供强有力的支持。这两项技术基于965芯片组，Intel的官方把Clear Video技术定义为：支持高级解码、拥有预处理和增强型3D处理能力。

 

目前AMD方面支持64位技术的CPU有Athlon 64系列、Athlon FX系列和Opteron系列。Intel方面支持64位技术的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott 2M核心的Pentium 4 6系列和使用Prescott 2M核心的P4 EE系列。

参考资料：

http://detail.it168.com/common/shuyuxiangjie/files/searchshuyuxiangjie.asp?ckey=EM64T&imageField2.x=24&imageField2.y=9