PIII-PIV (Форматы данных и команды их обработки процессоров Pentium III, Pentium IV), страница 2

Кроме вещественных чисел (конечных нормализованных и денормализованных, нулей и бесконечностей) регистры сопроцессора могут содержать не-числа NaN (Not a Number) четырех видов.

• -SNaN и +SNaN — порядок 111...111, мантисса 1,0ххх...ххх (ненулевая). Эти "сигнализирующие" не-числа (signaling NaN) вызывают исключения сопроцессора, если с ними пытаются выполнять арифметические действия.

• -QNaN и +QNaN — порядок 111...111, мантисса 1,1ххх...ххх (ненулевая). Эти "тихие" не-числа (quiet NaN) не вызывают исключений при арифметических операциях.

Внешние операнды могут быть представлены в одном из форматов, приведенных на рис. 2. Характеристики форматов чисел, поддерживаемых сопроцессором, приведены в таблице. При их загрузке в FPU и сохранении результатов преобразования форматов во внутренний и обратно выполняются автоматически. Во внешних представлениях вещественных чисел целая часть мантиссы всегда подразумевается равной единице. В расширенном формате целая часть задается явно (бит 63), она имеет нулевое значение только при представлении нулей и денормализованных чисел. Смещение порядка составляет 127 для одиночного, 1023 для двойного и 16 383 для расширенного вещественного форматов. Форматы вещественных чисел представляют только множество дискретных значений множества чисел, расположенных на непрерывной бесконечной числовой оси. Диапазон и плотность значений зависят от выбранного формата представления. Заметим, что не все десятичные дроби могут быть представлены точно в двоичном коде. Так, например, дробь 1/10 не имеет точного двоичного представления (аналогично тому, что 1/3 = 0,33333(3)).

Таблица. Форматы чисел, поддерживаемых сопроцессором

Сопроцессор контролирует числа, участвующие в арифметических операциях. При загрузке денормализованного операнда в регистр FPU и попытке выполнения арифметических инструкций хотя бы с одним денормализованным операндом сопроцессор фиксирует условие исключения #D. Денормализованные числа могут появляться при выполнении вычислений, в этом случае сопроцессор фиксирует факт исчезновения значащих разрядов и генерирует исключение #U. При попытке выполнения арифметических операций с нечислами, а также с недопустимыми значениями операндов (например, извлечение квадратного корня из отрицательного числа) вырабатывается исключение #I. При переполнении вырабатывается исключение #O, при попытке деления на нуль ненулевого операнда вырабатывается исключение #Z.

Если результат вычисления невозможно представить точно в выбранном формате, сопроцессор выполняет округление результата в сторону соседнего допустимого значения. Правила округления программируются. Вместо автоматического выполнения округления сопроцессор может вырабатывать исключение #Р.

1. Технология MMX

Технология ММХ ориентирована на приложения мультимедиа, 2D/3D-графикy и коммуникации. Это расширение базовой архитектуры появилось только после выхода второго поколения процессоров Pentium. Основная идея ММХ заключается в одновременной обработке нескольких элементов данных за одну инструкцию — так называемая технология SIMD (Single Instruction — Multiple Data). Расширение ММХ использует новые типы упакованных 64-битных целочисленных данных:

• упакованные байты (Packed byte) — восемь байт;

• упакованные слова (Packed word) — четыре слова;

• упакованные двойные слова (Packed doubleword) — два двойных слова;

• учетверенное слово (Quadword) — одно слово.

Эти типы данных могут специальным образом обрабатываться в 64-битных регистрах ММХ0-ММХ7, представляющих собой младшие биты стека 80-битных регистров FPU. Каждая инструкция ММХ выполняет действие сразу над всем комплектом операндов (8, 4, 2 или 1), размещенных в адресуемых регистрах. Как и регистры FPU, эти регистры ММХ не могут использоваться для адресации памяти. Совпадение регистров ММХ и FPU накладывает ограничения на чередование кодов FPU и ММХ — забота об этом лежит на программисте приложений с ММХ.

Еще одна особенность технологии ММХ — поддержка арифметики с насыщением (saturating arithmetic). Ее отличие от обычной арифметики с циклическим переполнением (wraparound mode) заключается в том, что при возникновении переполнения в результате фиксируется максимально возможное значение для данного типа данных, а перенос игнорируется. В случае переполнения снизу в результате фиксируется минимально возможное значение. Граничные значения определяются типом (знаковый или беззнаковый) и разрядностью переменных. Такой режим вычислений удобен, например, для определения цветов.

В систему команд введено 57 дополнительных инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных. Одновременно обрабатываемое 64-битное слово может содержать как одну единицу обработки, так и 8 однобайтных, 4 двухбайтных или 2 четырехбайтных операнда. Новые инструкции включают следующие группы:

• арифметические (Arithmetic Instructions), куда входят сложение и вычитание в разных режимах, умножение и комбинация умножения и сложения;

• сравнение (Comparison Instructions) элементов данных на равенство или по величине;

• преобразование форматов (Conversion Instructions);

• логические инструкции (Logical Instructions) — И, И-НЕ, ИЛИ и исключающее ИЛИ, выполняемые над 64-битными операндами;

• сдвиги (Shift Instructions) — логические и арифметические;

• пересылки данных (Data Transfer Instructions) между регистрами ММХ и целочисленными регистрами или памятью;

• очистка ММХ (Empty ММХ State) — установка признаков пустых регистров в слове тегов.

Инструкции ММХ не влияют на флаги условий в слове состояния FPU.

Регистры ММХ в отличие от регистров FPU адресуются физически, а не относительно значения указателя стека ТОР. Более того, любая инструкция ММХ обнуляет поле ТОР регистра состояния FPU. В слове тегов свободному регистру соответствует комбинация 11, остальные комбинации указывают только на занятость регистра. После каждой операции ММХ биты тегов регистра назначения обнуляются. Неиспользуемые в ММХ биты [79:64] регистров FPU заполняются единицами, так что ошибочная обработка данных ММХ инструкцией FPU приведет к исключению.

Инструкции ММХ не порождают новых исключений. Исключения при выполнении инструкций ММХ могут возникать только в случае нарушения границ в обращениях к памяти (как при обмене данными, так и при выборке инструкции). Однако если предшествующая инструкция FPU породила условие исключения, то оно произойдет при выполнении инструкции ММХ. После его обработки инструкция ММХ может исполнена.

С инструкциями ММХ могут применяться префиксы замены сегмента и изменения разрядности адреса (влияют на инструкции, обращающиеся к памяти). Использование префиксов изменения разрядности операнда и повторов зарезервировано (может привести к непредсказуемым результатам). Префикс Lock вызывает исключение #UD.

Инструкции ММХ доступны из любого режима процессора. При переключении задач необходимо следить за корректностью сохранения контекста, как и при работе с FPU.

Любая инструкция ММХ вызывает обнуление полей тегов всех регистров FPU/ММХ, что для FPU означает наличие действительных данных во всех регистрах. Последующая инструкция для FPU над "неправильными" данными может привести к непредсказуемому результату, поскольку "входной контроль" данных осуществляется по состоянию тегов. Чтобы застраховаться от подобных неприятностей, после инструкций ММХ и перед инструкциями FPU в программный код вводят инструкцию EMMS, которая устанавливает в слове тегов значение FFFFh (все регистры пустые).

Различие в способе адресации регистров (относительная для FPU и явная прямая в ММХ), обнуление тегов инструкциями ММХ и некоторые другие нюансы не позволяют чередовать инструкции FPU и ММХ. Блок FPU/MMX может работать либо в одном, либо в другом режиме. Если, к примеру, в цепочку инструкций FPU нужно вклинить инструкции ММХ, после чего продолжить вычисления FPU, то перед первой инструкцией ММХ приходится сохранять контекст (состояние регистров) FPU в памяти, а после этих инструкций снова загружать контекст. На эти сохранения и загрузки расходуется процессорное время, в результате возможна полная потеря выигрыша от реализации технологии SIMD. Совпадение регистров ММХ и FPU оправдывают тем, что для сохранения контекста ММХ при переключении задач не требуется доработок в операционной системе — контекст ММХ сохраняется тем же способом, что и FPU, с которым умели работать издавна. Таким образом, операционным системам было все равно, какой процессор установлен — с ММХ или без. Но для того чтобы реализовать преимущества SIMD, приложения должны "уметь" ими пользоваться (и не проиграть на переключениях).

Частое чередование кодов FPU и ММХ может снизить производительность за счет необходимости сохранения и восстановления весьма объемного контекста FPU.

1. Расширение SSE и SSE2 — блок XMM

Процессоры Pentium 3 имеют так называемое потоковое расширение SSE (Streaming SIMD Extensions). В те времена, когда будущий Pentium III называли еще Kathmai, фирма Intel объявила о новых инструкциях KNI (Kathmai New Instruction), так что SSE — это синоним "староинтеловского" KNI. Новые процессоры имеют дополнительный независимый блок из восьми 128-битных регистров, названных ХММ0...ХММ7 (очевидно, eXtended MultiMedia), и регистр состояния/управления MXCSR. В каждый из регистров ХММ помещаются четыре 32-битных числа в формате с плавающей точкой одинарной точности. Блок позволяет выполнять векторные (они же пакетные) и скалярные инструкции. Векторные инструкции реализуют операции сразу над четырьмя комплектами операндов. Скалярные инструкции работают с одним комплектом операндов — младшим 32-битным словом. При выполнении инструкций с ХММ традиционное оборудование FPU/MMX не используется, что позволяет эффективно смешивать инструкции ММХ с инструкциями над операндами с плавающей точкой. Здесь блоки процессора меняются ролями — регистры ММХ, наложенные на регистры традиционного сопроцессора, используются для целочисленных потоковых вычислений, а вычисления с плавающей точкой (правда, только с одинарной точностью, но для мультимедийпых приложений ее хватает) возлагаются на новый блок ХММ. Кроме инструкций с новым блоком ХММ в расширение SSE входят и дополнительные целочисленные инструкции с регистрами ММХ, а также инструкции управления кэшированием. Новые инструкции с регистрами ММХ, как и их предшественники из "классического" ММХ, не допускают чередования с инструкциями FPU без переключения контекста FPU/MMX.