AVX

Advanced Vector Extensions (AVX) — расширение системы команд x86 для микропроцессоров Intel и AMD, предложенное Intel в марте 2008.

AVX предоставляет различные улучшения, новые инструкции и новую схему кодирования машинных кодов.

Улучшения

• Новая схема кодирования инструкций VEX

• Ширина векторных регистров SIMD увеличивается со 128 (XMM) до 256 бит (регистры YMM0 — YMM15). Существующие 128-битные SSE инструкции будут использовать младшую половину новых YMM регистров, не изменяя старшую часть. Для работы с YMM регистрами добавлены новые 256-битные AVX инструкции. В будущем возможно расширение векторных регистров SIMD до 512 или 1024 бит. Например, процессоры с архитектурой Larrabee уже имеют векторные регистры (ZMM) шириной в 512 бит, и используют для работы с ними SIMD команды с MVEX и VEX префиксами, но при этом они не поддерживают AVX.

• Неразрушающие операции. Набор AVX инструкций использует трёхоперандный синтаксис. Например, вместо $a=a+b$ можно использовать $c=a+b$, при этом регистр $a$ остаётся неизменённым. В случаях, когда значение $a$ используется дальше в вычислениях, это повышает производительность, так как избавляет от необходимости сохранять перед вычислением и восстанавливать после вычисления регистр, содержавший $a$, из другого регистра или памяти.

• Для большинства новых инструкций отсутствуют требования к выравниванию операндов в памяти. Однако, рекомендуется следить за выравниванием на размер операнда, во избежание значительного снижения производительности.

• Набор инструкций AVX содержит в себе аналоги 128-битных SSE инструкций для вещественных чисел. При этом, в отличие от оригиналов, сохранение 128-битного результата будет обнулять старшую половину YMM регистра. 128-битные AVX инструкции сохраняют прочие преимущества AVX, такие как новая схема кодирования, трехоперандный синтаксис и невыровненный доступ к памяти. Рекомендуется отказаться от старых SSE инструкций в пользу новых 128-битных AVX инструкций, даже если достаточно двух операндов.

Новая схема кодирования

Новая схема кодирования инструкций VEX использует VEX префикс. В настоящий момент существуют два VEX префикса, длиной 2 и 3 байта. Для 2-х байтного VEX префикса первый байт равен 0xC5, для 3-х байтного 0xC4. В 64-битном режиме первый байт VEX префикса уникален. В 32-битном режиме возникает конфликт с инструкциями LES и LDS, который разрешается старшим битом второго байта, он имеет значение только в 64-битном режиме, через неподдерживаемые формы инструкций LES и LDS. Длина существующих AVX инструкций, вместе с VEX префиксом, не превышает 11 байт. В следующих версиях ожидается появление более длинных инструкций.

Новые инструкции

Инструкция	Описание
VBROADCASTSS, VBROADCASTSD, VBROADCASTF128	Копирует 32-х, 64-х или 128-ми битный операнд из памяти во все элементы векторного регистра XMM или YMM.
VINSERTF128	Замещает младшую или старшую половину 256-ти битного регистра YMM значением 128-ми битного операнда. Другая часть регистра-получателя не изменяется.
VEXTRACTF128	Извлекает младшую или старшую половину 256-ти битного регистра YMM и копирует в 128-ми битный операнд-назначение.
VMASKMOVPS, VMASKMOVPD	Условно считывает любое количество элементов из векторного операнда из памяти в регистр-получатель, оставляя остальные элементы несчитанными и обнуляя соответствующие им элементы регистра-получателя. Также может условно записывать любое количество элементов из векторного регистра в векторный операнд в памяти, оставляя остальные элементы операнда памяти неизменёнными
VPERMILPS, VPERMILPD	Переставляет 32-х или 64-х битные элементы вектора согласно операнду-селектору (из памяти или из регистра).
VPERM2F128	Переставляет 4 128-ми битных элемента двух 256-ти битных регистров в 256-ти битный операнд-назначение с использованием непосредственной константы (imm) в качестве селектора.
VZEROALL	Обнуляет все YMM регистры и помечает их как неиспользуемые. Используется при переключении между 128-ми битным режимом и 256-ти битным.
VZEROUPPER	Обнуляет старшие половины всех регистров YMM. Используется при переключении между 128-ми битным режимом и 256-ти битным.

Также в спецификации AVX описана группа инструкций PCLMUL (Parallel Carry-Less Multiplication, Parallel CLMUL)

• PCLMULLQLQDQ xmmreg,xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 00]
• PCLMULHQLQDQ xmmreg,xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 01]
• PCLMULLQHQDQ xmmreg,xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 02]
• PCLMULHQHQDQ xmmreg,xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 03]
• PCLMULQDQ xmmreg,xmmrm,imm [rmi: 66 0f 3a 44 /r ib]

Применение

Подходит для интенсивных вычислений с плавающей точкой в мультимедиа программах и научных задачах. Там, где возможна более высокая степень параллелизма, увеличивает производительность с вещественными числами.

Поддержка в операционных системах

Использование YMM регистров требует поддержки со стороны операционной системы. Следующие системы поддерживают регистры YMM:

• Linux: с версии ядра 2.6.30, released on June 9, 2009.
• Windows 7: поддержка добавлена в Service Pack 1
• Windows Server 2008 R2: поддержка добавлена в Service Pack 1

Микропроцессоры с AVX

• Intel
  • Процессоры с микроархитектурой Sandy Bridge, 2011.
  • Процессоры с микроархитектурой Ivy Bridge, 2012.

• AMD:
  • Процессоры с микроархитектурой Bulldozer, 2011.
  • Процессоры с микроархитектурой Piledriver, 2012.

Совместимость между реализациями Intel и AMD обсуждается в XOP instruction set.

Микропроцессоры с AVX2

• Intel Haswell
• AMD Steamroller

Будущие расширения

Схема кодирования инструкций VEX легко допускает дальнейшее расширение набора инструкций AVX. В следующей версии, AVX2, планируется добавить инструкции для работы с целыми числами, FMA3 (увеличит производительность при обработке чисел с плавающей запятой в 2 раза), загрузку распределенного в памяти вектора (gather) и прочее.

Различные планируемые дополнения системы команд x86:

• AES
• CLMUL
• AMD FMA3
• AMD FMA4
• AMD XOP
• AMD CVT16

Ссылки

• Intel Advanced Vector Extensions Programming Reference (319433-011)