Difference between revisions 24480988 and 25908936 on ukwiki

< previous diff
next diff >
MMX
{{переписати}}⏎
'''MMX''' ('''M'''ulti'''m'''edia E'''x'''tensions&nbsp;— [[Мультимедіа|мультимедійні]] розширення)&nbsp;— комерційна назва додаткового [[Архітектура системи команд|набору інструкцій]], що виконують характерні для процесів кодування / декодування потокових аудіо / відео даних дії за одну [[Машинна інструкція|машинну інструкцію]]. Вперше з'явився в процесорах [[Pentium MMX]]. Розроблений у першій половині [[1990-ті|1990-х]].

== Передумови ==
Фактично вся історія розвитку комп'ютерів являє собою безперервну гонку між швидкодією центрального процесора і інших систем&nbsp;— пам'яті і зовнішніх пристроїв. Особливо це помітно в системах мультимедіа, де йде обробка звуку та зображення, цифрове подання яких займає великі обсяги пам'яті. Для ефективної обробки звуку і відео при відносно низькій пропускній здатності системної магістралі (шини) все більшу кількість функцій переноситься в апаратуру&nbsp;— модеми, відео-та звукові адаптери. Це викликає їх помітне подорожчання у порівнянні з загальною вартістю комп'ютера, що особливо неприємно за умов швидкого морального старіння всієї комп'ютерної апаратури.

Особливо дана проблема стала актуальною на початку 1990-х років, коли ПК став доступний широким масам користувачів і все активніше став перетворюватися на розважальний засіб . Першим процесором, що відчув нестачу ресурсів для мультимедійних [[застосунок|застосунків]] став [[Pentium]].

Насправді, нездатність ПК з процесором Pentium ефективно обробляти в реальному часі звук і відео без спеціальних карт відбувається вже не стільки від загальної швидкодії процесора або шини, які в більшості випадків цілком достатні, а від характеру його набору команд обробки даних, відомого під назвою [[CISC]]. Цей набір, що складається з відносно складних арифметико-логічних команд, орієнтований на типові завдання обробки даних, без спеціальної «заточення» під особливі програми. Ця, вигідна для більшості [[застосунок|застосунків]], архітектура виявляється абсолютно неефективною при швидкісний і специфічній обробці великих масивів даних, оскільки складна система команд використовується на лічені відсотки, а накладні витрати складають десятки і сотні відсотків.

Технологія MMX являє собою компромісне рішення, що поєднує шляхи, застосовані в комп'ютерах [[SPARC]] і [[Silicon Graphics]] (технологія [[RISC (процесор)|RISC]]- Reduced Instruction Set Computer, комп'ютер з спрощеним набором команд), а також в комп'ютерах з паралельною архітектурою (технологія [[SIMD]]: Single Instruction, Multiple Data&nbsp;— одна команда, багато даних): класичний процесор Pentium ([[CISC]]) з додаванням ряду простих ([[RISC (процесор)|RISC]]) команд паралельної обробки даних ([[SIMD]]).

== Технологія MMX ==
MMX розширення реалізоване фірмою Intel у своїй новій серії процесорів MMX з тактовою частотою 166 і більше МГц.

Процесор Pentium MMX відрізняється від «звичайного» Pentium за шістьма основними пунктами:
# додано 57 нових команд обробки даних;
# збільшено в два рази обсяг внутрішнього [[кеш]]у (16 кб для команд і стільки ж&nbsp;— для даних);
# збільшено обсяг буфера адрес переходу (Branch Target Buffer&nbsp;— BTB), використовуваного в [[Модуль передбачення переходів|системі передбачення переходів]] (Branch Prediction);
# оптимізована робота конвеєра (Pipeline);
# збільшено кількість буферів запису (Write Buffers);
# введено так зване подвійне електроживлення процесора.

Набір з 57 нових команд і є основною відмінністю; інші два&nbsp;— не більше, ніж супутні зміни. Хоча збільшений об'єм кеш і внутрішніх буферів і оптимізований конвеєр дещо прискорюють роботу будь-яких [[застосунок|застосунків]], однак основне збільшення продуктивності&nbsp;— до 60%&nbsp;— можливо тільки при використанні програм, що правильно застосовують технологію MMX в обробці даних.

== Обробка даних у MMX ==
Як вже говорилося, в Pentium MMX додано 57 нових команд обробки даних і, відповідно&nbsp;— чотири нові типи даних. За одну операцію команда MMX обробляє 64-розрядне двійкове слово (так зване квадрослово, або QWord). Нові типи даних утворюються від упаковки в квадраслово звичайних типів&nbsp;— байтів (по 8), слів (по 4) або подвійних слів (по 2). Четвертий тип являє собою саме квадраслово.

Таким чином, одна елементарна MMX-операція має справу або з одним квадрасловом, що схоже на звичайну операцію великої розрядності, або з двома подвійними словами, чотирма словами або вісьмома байтами, причому виконання відбувається одночасно і кожен елемент даних обробляється незалежно від інших. Подібні групові операції переважають під час обробки зображення (групи точок) і звуку (групи значень амплітуди).

== Набір MMX-команд ==
Набір MMX-команд складається з команд пересилки даних, упаковки / розпаковування, додавання / віднімання, множення, зсуву, порівняння та порозрядних логічних. Команди упаковки і додавання / віднімання можуть працювати в двох режимах: звичайному, коли переповнення розрядної сітки викликає «загортання» (wraparound) значення результату, і спеціальному, коли воно призводить до обмеження (clipping) результату до мінімально або максимально допустимого значення. Режим обмеження, в термінології Intel, називається Saturation (змішування)&nbsp;— в ньому особливо зручно виконувати змішування кольорів зображення або амплітуд звукових сигналів, оскільки при звичайному переповненні результат не має ніякого сенсу.

Команда множення представлена трьома видами: перші два виконують попарне множення чотирьох слів з вибором або старшої, або молодшої частини результату, а третій виконує операцію виду ab + cd для кожної пари з чотирьох слів операндів, що дуже зручно при обчисленні математичних рядів.

Команди зсуву реалізують [[Логічний зсув|логічний]] та [[Бітові операції#Арифметичний зсув|арифметичний]] зсув своїх операндів (арифметичний зсув відрізняється від логічного тим, що при зсуві вправо звільнилися розряди заповнюються копією знакового розряду, а не нулями, від чого він придатний для множення / ділення знакових операндів на ступені двійки). Логічні порозрядні команди виконують операції І (AND), АБО (OR), виключаюче АБО (XOR), а також комбіновану команду І з інверсією одного з операндів (AND NOT), зручну для реалізації «зворотного вибору» по бітовій масці.

Команди порівняння працюють дещо незвично в порівнянні із загальноприйнятою логікою: замість установки ознак для наступних команд переходу вони генерують одиничні бітові маски для тих операндів, які задовольняють умові, і нульові&nbsp;— для решти операндів. Наступні логічні порозрядні операції можуть виділити, погасити або якось інакше обробити відзначені таким чином операнди, які в цьому випадку можуть являти собою точки зображення або відліки звукового сигналу.

== Особливості реалізації MMX ==

Для обробки даних і зберігання проміжних результатів у Pentium MMX використовуються вісім 64-розрядних [[Регістр процесора|регістрів]] MM0 .. MM7, які фізично поєднані зі стеком регістрів математичного співпроцесора. При виконанні будь-якої з MMX-команд відбувається установка «режиму MMX» з відміткою цього в слові стану співпроцесора (FPU Tag Word). З цього моменту стек регістрів співпроцесора розглядається як набір MMX-регістрів; завершує роботу в режимі MMX команда EMMS (End MultiMedia State). З одного боку, така реалізація дозволила забезпечити нормальну роботу [[застосунок|застосунків]], що використовують MMX, в багатозадачних системах, що не підтримують цю технологію, оскільки всі подібні системи створюють власну копію вмісту стека співпроцесора і слова його стану для кожного процесу. З іншого боку, перехід між режимами займає значний час, і суміщення, наприклад, в одному циклі команд співпроцесора з командами MMX може не тільки не прискорити, а навіть істотно уповільнити виконання програми. Тому для досягнення найкращих результатів рекомендується групувати ці команди окремо одне від одного, що насправді не представляє ніякої складності.

== Продуктивність MMX ==
Так як MMX&nbsp;— досить вузькоспеціалізоване розширення системи команд процесора, не можна очікувати кардинального прискорення роботи тільки від самого факту переходу на процесор MMX. Як вже було сказано, на застосунках загального характеру, незнайомих з MMX, реальна продуктивність зростає лише на одиниці відсотків, хоча тести можуть показувати її зростання на 20-30%&nbsp;— це відбувається через циклічність більшості тестів, коли більша частина циклу потрапляє в збільшений внутрішній кеш.{{дослівний переклад|url=http://www.radiotex.narod.ru/mmx.htm}}

== Технологія MMX ==
MMX розширення реалізоване фірмою Intel у своїй новій серії процесорів MMX з тактовою частотою 166 і більше МГц.

Процесор Pentium MMX відрізняється від «звичайного» Pentium за шістьма основними пунктами:
# додано 57 нових команд обробки даних;
# збільшено в два рази обсяг внутрішнього [[кеш]]у (16 кб для команд і стільки ж&nbsp;— для даних);
# збільшено обсяг буфера адрес переходу (Branch Target Buffer&nbsp;— BTB), використовуваного в [[Модуль передбачення переходів|системі передбачення переходів]] (Branch Prediction);
# оптимізована робота конвеєра (Pipeline);
# збільшено кількість буферів запису (Write Buffers);
# введено так зване подвійне електроживлення процесора.⏎

При використанні «чистого» MMX-коду, відповідного до специфіки розв'язуваної задачі, швидкодія переписаної ділянки може зрости в 5-6 разів, проте це прискорення буде локальним і неминуче компенсується «типовими» ділянками програми, тому не слід відразу ж очікувати від програм, що використовують MMX, прискорення роботи в рази. За максимальними результатами тестів Intel Media Benchmark і Norton Media Benchmark для Windows 95, обробка зображень з використанням технології MMX відбувається швидше майже в п'ять разів, проте в середньому виходить приблизно 1.5 .. 3-кратне прискорення.

До речі, одним з класів програм, яким використання MMX сильно допомагає, є ігри, а проте вже давно не секрет, що зараз комп'ютер, «достатній для ігор», в багатьох випадках істотно перевершує за складністю і вартістю «достатній для роботи», бо сучасні ігри близькі за структурою до складних операційних систем реального часу. Тому в найближчому майбутньому всі без винятку ігри, які застосовують анімацію і звук, будуть підтримувати (а багато хто&nbsp;— і вимагати) технологію MMX.

== Регістри MMX ==
Розширення MMX включає в себе вісім 64-[[біт]]них регістрів загального користування MM0-MM7. Для сумісності зі способами збереження стану [[процесор]]а в існуючих [[Операційна система|ОС]] Intel була змушена об'єднати в програмній моделі [[процесор]]а вісім [[Регістр процесора|регістрів]] MMX з [[мантиса]]ми восьми регістрів [[FPU]] ([[Математичний співпроцесор]]). Апаратно це можуть бути різні пристрої, але з точки зору програміста&nbsp;— це одні й ті ж регістри. Таким чином, не можна одночасно користуватися командами [[Математичний співпроцесор|Математичного співпроцесора]] і MMX.

== Типи даних MMX ==
Команди технології MMX працюють з 64-бітними [[Ціле число (тип даних)|цілочисельними даними]], а також з даними, упакованими в групи ([[вектор]]и) загальною довжиною 64 біта. Такі дані можуть перебувати в пам'яті або у восьми MMX-регістрах.

Команди технології MMX працюють з такими типами даних:
* Упаковані [[байт]]и (вісім байтів в одному 64-розрядному регістрі) ({{lang-en|packed byte}});
* упаковані [[машинне слово|слова]] (чотири 16-розрядних слова в 64-розрядному регістрі) ('' packed word '');
* Упаковані подвійні слова (два 32-розрядних слова в 64-розрядному регістрі) ('' packed doubleword '');
* 64-розрядні слова ('' quadword '').

== Синтаксис ==
'' MMX ''- команди мають такий синтаксис:
<code>instruction [dest, src]</code>
Тут ''' instruction '''&nbsp;— ім'я команди, ''' dest ''' позначає вихідний операнд, ''' src '''&nbsp;— вхідний операнд.

У систему команд введено 57 додаткових інструкцій для одночасної обробки декількох одиниць даних.
Більшість команд мають [[підрядок|суфікс]], який визначає тип даних і використану арифметику:
* US (unsigned saturation)&nbsp;— {{нп|арифметика з насиченням|||Saturation arithmetic}}, дані без знака.
* S або SS (signed saturation)&nbsp;— арифметика з насиченням, дані зі знаком. Якщо у суфіксі немає ні S, ні SS, використовується циклічна арифметика (wraparound).
* B, W, D, Q вказують тип даних. Якщо у суфіксі є дві з цих букв, перша відповідає вхідному операнду, а друга&nbsp;— вихідно.
Нові інструкції включають такі групи:
* Команди пересилання даних (Data Transfer Instructions) між регістрами MMX і цілочисельними регістрами і пам'яттю;
* Команди перетворення типів
* Арифметичні операції (Arithmetic Instructions), що включають додавання і віднімання в різних режимах, множення і комбінацію множення і складання;
* Команди порівняння (Comparison Instructions) елементів даних на рівність чи за величиною;
* Логічні операції (Logical Instructions)&nbsp;— І, І-НЕ, АБО і виключаюче АБО, що виконуються над 64 бітними операндами;
* Зсувні операції (Shift Instructions) логічні і арифметичні;
* Команди управління станом (Empty MMX State) очищення MMX&nbsp;— установка ознак порожніх регістрів в слові тегів.
Інструкції MMX не впливають на флаги умов.
Регістри MMX, на відміну від регістрів FPU, адресуються фізично, а не відносно [[TOS]]. Будь-яка інструкція MMX обнуляє поле TOS регістра стану FPU.
Інструкції MMX доступні з будь-якого режиму процесора.

== Див. також ==
* [[Streaming SIMD Extensions|SSE]]
* [[SSE2]]
* [[SSE3]]

== Джерела ==
{{reflist}}⏎
⏎
== Література ==
* Зубков С. В. Assembler для DOS, Windows, UNIX. 3-тє вид., Стер.&nbsp;— М.: ДМК Прес; СПб. : Питер, 2004.&nbsp;— 608 с.

== Посилання ==
* [https://web.archive.org/web/20090124124345/http://download.intel.com/design/PentiumII/manuals/24319002.PDF IA Software Developer's Manual, Vol 1] {{ref-en}} , Див. розділ 8 про програмування MMX
* [http://www.codenet.ru/progr/optimize/mmx.php Codenet.ru] {{ref-ru}} , Стаття про програмування ММХ

[[Категорія:ПроцесориІнструкції x86]]
[[Категорія:SIMD]]