AVX高級矢量擴展指令集

在上一篇連載中，筆者介紹了Sandy Bridge微架構中對性能有很大影響的幾處改進，然而最重要的執行單元的變化沒有涉及到，這部分的變化還跟Sandy Bridge新加入的AVX指令集相關。AVX（Advanced Vector Extensions，高級矢量擴展）是X86上重要的指令集改進，不僅僅在于其對性能的明顯提升，還在于其對現有X86指令集的多種革新。

強大的性能：256位向量計算

向量就是多個標量的組合，通常意味著SIMD（單指令多數據），就是一個指令同時對多個數據進行處理，達到很大的吞吐量。

Sandy Bridge的AVX將X86向量化寬度擴展到了256位，原有的16個128位XMM寄存器擴充為256位的YMM寄存器，可以同時處理8個單精度浮點數和4個雙精度浮點數，在理想情況下，Sandy Bridge的浮點吞吐能力可以達到前代的兩倍。

從Nehalem開始的微架構包含了3個運算端口：0、1和5，每個運算端口分為三個區域：ALU、SIMD INT、SIMD FP，分別執行整數和邏輯運算、SIMD整數和SIMD浮點運算。在每一個時鐘周期，每個運算端口可以分發一個uop，這個uop可以是三種運算中任意的一種。不同的運算區域可以同時運作。

Sandy Bridge微架構的所有執行單元都經過了修改以執行256位AVX指令，它并沒有直接將所有浮點執行單元擴充到256位寬度，而是采用了一種較為節約晶體管乃至能耗的方法：重用128位的SIMD整數和SIMD浮點路徑。

除了AVX帶來的性能增強之外，Sandy Bridge還繼續增強了AES指令集的性能，提升其吞吐量，此外，SHLD（移位）指令、ADC（進位加）指令和Multiply（64位乘數128位積）運算的性能也都得到了提升，SHLD指令性能提升增強了SHA-1計算能力，ADC吞吐量翻倍提升了大數值運算能力，而最后者提升了現有RSA程序25%的性能。

精簡X86指令集

除了明顯提升浮點運算性能之外，AVX指令集還是對X86指令集的一個精簡。我們知道由于是不定長的CISC指令集，X86指令集可以很容易地進行擴展，每一代處理器都像不要錢似的增加擴展指令集。然而目前的這種通過增加各種Prefix前綴來擴展指令集的方式已經達到了其極限，并且這種方式導致的指令集復雜化和長度增加，導致了執行文件的臃腫和解碼器單元的復雜化和低效化。

AVX指令集帶來了新的操作碼編碼方式，這種編碼方式叫做VEX（Vector Extension），其動機就是壓縮各式各樣的Prefix前綴，集中到一個比較固定的字段中，縮短指令長度，降低無謂的代碼冗余，并且也降低了對解碼器的壓力。

VEX編碼方式使用了兩種VEX Prefix，除了一個字節的字頭之外，分別具有1到2個字節的Payload（負載），在這個Payload里面就包括了所有的Prefix的內容，達到了精簡指令集的目的。

VEX前綴包含了X86-64指令使用的REX前綴以及原SSE指令使用的前綴，還融合了普通操作碼帶有的Escape字段，從某種意義上來說，VEX讓CISC的X86指令集往RISC精簡指令集靠近了一點，當然，CISC易于擴充、支持復雜靈活的尋址方式的特性依然無損。

強化X86指令集

基于歷史上X86處理器缺乏存儲單元的原因，X86指令集屬于雙操作數的破壞性指令集，例如，指令add ax， bx包含了ax和bx兩個操作數，作用是將寄存器ax和bx的數值相加，并保存到寄存器ax當中去，計算結束后，源操作數ax的內容就被計算結果“摧毀”了。

在傳統的僅具有8個通用寄存器的X86處理器上，這種編碼方式的使用實屬沒有辦法，同時期具有更多通用寄存器的RISC處理器都采用的是多操作數的非破壞性句法。在應用了Register Renaming寄存器重命名技術之后，X86處理器事實上也具有了很多的寄存器可供使用，因此Intel就動起了新的念頭。Sandy Bridge帶來的AVX指令集提供了新的3#12316;4操作數的非破壞性句法，在某種程度上，這彌補了X86指令集的體系缺陷。

例如，要實現xmm10 = xmm9 + xmm1，傳統X86處理器需要兩條指令：

movapps xmm10， xmm9

addpd xmm10， xmm1

在應用AVX指令集新的3操作數格式之后，只需要一條指令就能完成這個功能：

vaddpd xmm10， xmm9， xmm1

顯然，新的指令操作數明顯降低了指令的數量，處理器吞吐量得到了提升，代碼運行更快速，同時能耗也降低了。

X86指令集：不斷進化

CISC指令集的思想就是用復雜的硬件來完成盡可能多的工作，RISC則是使用盡量少的指令并通過復雜的程序來完成同樣的功能。每一代的X86指令集，都會對不同的應用增加新的指令集，這些指令集能高效地處理對應的應用。

Sandy Bridge新加入的AVX指令集讓X86從128位提升到256位向量運算，大幅度提升了性能，此外，AVX精簡了X86指令集的設計，并彌補了破壞性句法的體系缺陷，可以說是一個非常重要的改進。關于Sandy Bridge的微架構就介紹到這里，下回筆者將介紹Sandy Bridge的架構，這部分的變化也非常大，請等繼續分解。