CPU指令集——AVX2

全栈程序员-站长 • 2022年5月7日下午12:20 • 未分类 • 阅读 1280

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1.查看CPU所支持的指令集

对于windows系统，可借助CPU-Z工具，可查看当前CPU所支持的指令集：
对于Linux系统，可运行cat /proc/cpuinfo | grep flags来查看当前CPU所支持的指令集：

由此可知，Intel i7-7700CPU支持AVX2指令集，但是不支持AVX-512指令集。
AVX512-IFMA为Intel AVX512指令集的一个extension扩展集，主要用于加速整数运算。
根据https://medium.com/@hdevalence/even-faster-edwards-curves-with-ifma-8b1e576a00e9 可知，其基于AVX512-IFMA的实现是AVX2速度的1.5倍。

目前支持AVX512-IFMA指令集的CPU主要有Cannon Lake（如Intel® Core™ i3-8121U Processor）和Ice Lake系列处理器：
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2. SIMD

SIMD的全称为：Single Instruction stream Multiple Data streams，对应的中文名为：单指令流多数据流。
SIMD为并行计算中的一种。
计算机架构Flynn分类法（1966年提出），根据指令流和数据流的并发数量分为：

Single instruction stream single data stream(SISD)，典型的串行机。
Single instruction stream multiple data streams(SIMD)，即单一指令可同时操作多个不同的数据流。指令可以pipeline方式顺序执行，也可通过多个功能单元并行执行。
Multiple instruction streams single data stream(MISD)，多条指令对应一个数据流。该架构除用于容错场景外（如多个系统同时操作相同的数据流，必须达成相同的结果），不常用。
Multiple instruction streams multiple data streams(MIMD)，多个自治处理器同时对不同的数据执行不同的指令。MIMD包括多核超标量处理器和分布式系统。

3. AVX

AVX为在CPU处理器上实现SIMD操作的指令集。主要衍化流程为：

AVX，全称为：Advanced Vector Extensions（又名，Sandy Bridge New Extensions）,是Intel和AMD微服务器x86指令集的extension扩展。
AVX2扩充到了支持256bit的整数运算指令，引入了Fused-Multiply-Add(FMA)运算。所谓FMA，即可通过单一指令实现 $A = A * B + C$ 计算。
AVX-512通过使用新的EVEX prefix编码方式，将AVX扩充到了支持512-bit运算。

Intel AVX introduces support for 256-bit wide SIMD registers (YMM0-YMM7 in operating modes that are 32-bit or less, YMM0-YMM15 in 64-bit mode). The lower 128-bits of the YMM registers are aliased to the respective 128-bit XMM registers.
AVX硬件由16个256bitYMM寄存器（YMM0~YMM15）和1个32-bit control/status控制/状态MXCSR寄存器组成。其中YMM寄存器的低128位与Intel SSE指令集的128-BIT XMM寄存器复用。
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AVX指令集遵循IEEE-754规范，其中的32-bit浮点数为单精度浮点数（float），64-bit浮点数为双精度浮点数（double）。因为AVX中的YMM寄存器为256-bit，所以若存储单精度浮点数32-bit，可存储8个，若存储双精度浮点数64-bit，可存储4个。

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尽管VGX并不要求内存对齐，但是内存对齐有助于提升性能。如对于128-bit访问的16字节对齐和对于256-bit访问的32字节对齐。

MXCSR寄存器的0~5位除非使用LDMXCSR或FXRSTOR命令清理，否则将保持不变，分别代表无效的操作：denormal、除0、overflow、underflow和精度。

4. AVX2指令集

根据《Intel® Advanced Vector Extensions Programming Reference.pdf》有：

1） PMULUDQ – Multiply Packed Unsigned Doubleword Integers
2）vpunpckldq- Unpack Low Data
3）vpunpckhdq- Unpack High Data
4）VPSHUFD- Shuffle Packed Doublewords
5）VPBLENDD – Blend Packed Dwords
6）VPERMD – Full Doublewords Element Permutation
7）VPSRLVD——Variable Bit Shift Right Logical

参考资料：
[1] https://www.cpuid.com/softwares/cpu-z.html
[2] https://medium.com/@hdevalence/even-faster-edwards-curves-with-ifma-8b1e576a00e9
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/AVX-512
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Vector_Extensions
[5] https://software.intel.com/en-us/articles/introduction-to-intel-advanced-vector-extensions
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/SIMD
[7] 《Intel® Advanced Vector Extensions Programming Reference.pdf》

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