桌面/服務(wù)器RISC的多媒體擴(kuò)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(gè)bit來(lái)表示三原色中的一種,再用剩下的8個(gè)bit來(lái)表示像素位置。

音頻相關(guān)特效,比如揚(yáng)聲器,麥克風(fēng)之類(lèi)應(yīng)用在遠(yuǎn)程會(huì)議,電子游戲上面。音頻取樣需要超過(guò)8個(gè)bit的精度,不過(guò)一般不會(huì)超過(guò)16個(gè)。

所有的微處理器都支持字節(jié)和半字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),來(lái)減少內(nèi)存占用,但是因?yàn)橐话愕乃阈g(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(méi)有其他指令是操作這些類(lèi)型的數(shù)的。Intel i860的設(shè)計(jì)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(jì)算。以1989年的晶體管集成度,一個(gè)單獨(dú)的向量處理單元的成本太高。不過(guò),可以通過(guò)阻斷一個(gè)64位ALU內(nèi)部的進(jìn)位,達(dá)到短向量的操作目的。一個(gè)64位的ALU,可以同時(shí)操作8個(gè)8bit操作數(shù),4個(gè)16bit操作數(shù),或者2個(gè)32位操作數(shù)。這樣分隔ALU的代價(jià)很小。很多應(yīng)用程序使用了這個(gè)特性,比如MPEG(視頻),DOOM(3D圖形),Adobe photoshop(數(shù)字圖像),還有遠(yuǎn)程會(huì)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(gè)支持多媒體的桌面RISC。我們應(yīng)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(méi)有支持。

這些擴(kuò)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(xiāo)售用來(lái)形容80x86的MMX擴(kuò)展,所以SIMD變成最流行的叫法。圖20匯總了各個(gè)體系結(jié)構(gòu)的支持。

圖20 桌面RISC多媒體擴(kuò)展匯總。B代表byte(8個(gè)bit),H代表半字(16個(gè)bit),W代表字(32個(gè)bit)。所以8B的意思是一條指令一次操作8個(gè)字。pack和unpack用2*2W的意思是兩個(gè)操作數(shù)都是兩個(gè)字大小。注意MDMX有向量/標(biāo)量操作,當(dāng)作為標(biāo)量的時(shí)候代表是向量寄存器組的一個(gè)元素。這個(gè)圖是對(duì)完整多媒體指令的簡(jiǎn)化匯總,省略了很多細(xì)節(jié)。比如,MIPS MDMX包含兩個(gè)操作數(shù)的復(fù)用指令,HP MAX2包括計(jì)算平均值的指令,SPARC VIS包括將寄存器設(shè)置為常數(shù)。還有,這個(gè)表沒(méi)有包括MDMX,MAX和VIS的內(nèi)存對(duì)齊操作。

從圖20可以看出,一般來(lái)說(shuō)MIPS MDMX一條指令操作8個(gè)字節(jié)或者4個(gè)半字,HP PA-RISC MAX2操作4個(gè)半字,SPARC VIS操作4個(gè)半字或者兩個(gè)字,Alpha對(duì)應(yīng)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(duì)值比較,將加減乘的操作交給軟件來(lái)處理。MIPS還添加了一條指令的兩個(gè)32位浮點(diǎn)的操作,但是在MIPS V中多媒體擴(kuò)展有所改變(見(jiàn)“MIPS64指令獨(dú)特點(diǎn)”一節(jié))。

有一個(gè)在通用微處理器上面不常見(jiàn)的特性叫做飽和操作。飽和操作是指,當(dāng)一次計(jì)算結(jié)果溢出的時(shí)候,將結(jié)果設(shè)置為最大的正數(shù),或者最小的負(fù)數(shù),而不是對(duì)結(jié)果做取模。這種特性一般出現(xiàn)在DSP上面(見(jiàn)下一個(gè)小節(jié)),這種飽和操作在做過(guò)濾的時(shí)候會(huì)很有用。

這些機(jī)器很大程度上都用現(xiàn)有的寄存器來(lái)保存操作數(shù):Alpha和HP RA-RISC用整數(shù)寄存器,MIPS和Sun用浮點(diǎn)寄存器。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的操作就使用標(biāo)準(zhǔn)的讀寫(xiě)指令。PowerPC ActiveC 添加了32個(gè)128位的寄存器。MIPS添加了一個(gè)192位(3*64)的寄存器當(dāng)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(gè)24位或者4個(gè)48位。這個(gè)寬的累加器可以用在加,減,和乘加指令上面。MIPS聲稱(chēng)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(kāi)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(yùn)算(與/或/異或)。如果省略掉節(jié)儉的Alpha,還有一致的操作是對(duì)4個(gè)半字的加法和減法。

每個(gè)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(kù)中,這是因?yàn)椋幾g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(kuò)展指令。(也就是說(shuō),即使寫(xiě)的是C語(yǔ)言的代碼,編譯器也很難把它編譯成多媒體擴(kuò)展指令。要用這些指令,只能手工寫(xiě)匯編的庫(kù)來(lái)做優(yōu)化)。

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