桌面/服務器RISC的多媒體擴展

由于所有的桌面微處理都支持圖形顯示,并且晶體管的成本下降,所以不可避免的,需要支持圖形操作。很多圖形系統(tǒng)用分別用8個bit來表示三原色中的一種,再用剩下的8個bit來表示像素位置。

音頻相關(guān)特效,比如揚聲器,麥克風之類應用在遠程會議,電子游戲上面。音頻取樣需要超過8個bit的精度,不過一般不會超過16個。

所有的微處理器都支持字節(jié)和半字的數(shù)據(jù)存儲,來減少內(nèi)存占用,但是因為一般的算術(shù)操作很少涉及到這種數(shù),所以除了數(shù)據(jù)傳輸指令,沒有其他指令是操作這些類型的數(shù)的。Intel i860的設計師發(fā)現(xiàn)圖形和音頻的很多數(shù)據(jù)操作都是相似的向量計算。以1989年的晶體管集成度,一個單獨的向量處理單元的成本太高。不過,可以通過阻斷一個64位ALU內(nèi)部的進位,達到短向量的操作目的。一個64位的ALU,可以同時操作8個8bit操作數(shù),4個16bit操作數(shù),或者2個32位操作數(shù)。這樣分隔ALU的代價很小。很多應用程序使用了這個特性,比如MPEG(視頻),DOOM(3D圖形),Adobe photoshop(數(shù)字圖像),還有遠程會議(音頻和圖像處理)。

就像病毒,這些多媒體支持很快就占據(jù)了所有的桌面微處理器。HP是第一個支持多媒體的桌面RISC。我們應該看到,這種支持并不均衡,IBM分割了多媒體支持。PowerPC支持了指令,但是Power版本沒有支持。

這些擴展被叫做子字并行,向量,或者單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)。由于Intel銷售用來形容80x86的MMX擴展,所以SIMD變成最流行的叫法。圖20匯總了各個體系結(jié)構(gòu)的支持。

圖20 桌面RISC多媒體擴展匯總。B代表byte(8個bit),H代表半字(16個bit),W代表字(32個bit)。所以8B的意思是一條指令一次操作8個字。pack和unpack用2*2W的意思是兩個操作數(shù)都是兩個字大小。注意MDMX有向量/標量操作,當作為標量的時候代表是向量寄存器組的一個元素。這個圖是對完整多媒體指令的簡化匯總,省略了很多細節(jié)。比如,MIPS MDMX包含兩個操作數(shù)的復用指令,HP MAX2包括計算平均值的指令,SPARC VIS包括將寄存器設置為常數(shù)。還有,這個表沒有包括MDMX,MAX和VIS的內(nèi)存對齊操作。

從圖20可以看出,一般來說MIPS MDMX一條指令操作8個字節(jié)或者4個半字,HP PA-RISC MAX2操作4個半字,SPARC VIS操作4個半字或者兩個字,Alpha對應的操作很少。Alpha MAX只有字節(jié)版本的比較,最小,最大,以及絕對值比較,將加減乘的操作交給軟件來處理。MIPS還添加了一條指令的兩個32位浮點的操作,但是在MIPS V中多媒體擴展有所改變(見“MIPS64指令獨特點”一節(jié))。

有一個在通用微處理器上面不常見的特性叫做飽和操作。飽和操作是指,當一次計算結(jié)果溢出的時候,將結(jié)果設置為最大的正數(shù),或者最小的負數(shù),而不是對結(jié)果做取模。這種特性一般出現(xiàn)在DSP上面(見下一個小節(jié)),這種飽和操作在做過濾的時候會很有用。

這些機器很大程度上都用現(xiàn)有的寄存器來保存操作數(shù):Alpha和HP RA-RISC用整數(shù)寄存器,MIPS和Sun用浮點寄存器。數(shù)據(jù)讀寫的操作就使用標準的讀寫指令。PowerPC ActiveC 添加了32個128位的寄存器。MIPS添加了一個192位(3*64)的寄存器當作這些操作的累加器。3倍寬的數(shù)據(jù)寬度,讓它可以分隔成8個24位或者4個48位。這個寬的累加器可以用在加,減,和乘加指令上面。MIPS聲稱可以提高2到4倍的效率。

也許圖20中最讓人驚訝的是體系結(jié)構(gòu)間的指令開始缺乏一致性。在所有體系結(jié)構(gòu)中都有的操作只有邏輯運算(與/或/異或)。如果省略掉節(jié)儉的Alpha,還有一致的操作是對4個半字的加法和減法。

每個體系結(jié)構(gòu)制造商都申明這些指令是用在手工優(yōu)化的子程序庫中,這是因為,編譯器很難為所有的桌面RISC體系結(jié)構(gòu)生成合適的多媒體擴展指令。(也就是說,即使寫的是C語言的代碼,編譯器也很難把它編譯成多媒體擴展指令。要用這些指令,只能手工寫匯編的庫來做優(yōu)化)。

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