AVX 指令集架构简介

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AVX 指令集架构的改进和增强的功能：

• 128 位 SIMD 寄存器 xmm0 - xmm15 扩展为 256 位的 ymm0 - ymm15 寄存器
• 支持 256 位的矢量运算，由原来 128 位扩展为 256 位
• 指令可支持最多 4 个操作数，实现目标操作数无需损毁原来的内容
• 引进新的 AVX 指令，非 Legacy SSE 指令移植
• 新增 FMA 指令子集
• 引进新的指令编码模式，使用 VEX prefix 来设计指令编码

AVX 提供了一个子集：

• FMA 指令集

FMA 指令集进行 fused multiply-add/subtract 类运算，用式子表达为：

± (a * b) ± c

4.1 256 位的 SIMD 寄存器

在 AVX 架构中原 Legacy SSE 指令使用的 128 位 SIMD 寄存器扩展为 256 位，xmm0 - xmm15 相应地扩展为 ymm0 - ymm15 它们使用同一个编码：

xmm 寄存器是 ymm 寄存器的低 128 位，它们的关系就好像是在通用寄存器的 eax 寄存器是 rax 寄存器的低 32 位，在 64 位模式下修改 32 位的寄存器会使 64 位寄存器高 32 位清 0

对于 AVX 指令来说有同样的行为，如下所示：

addss xmm1, xmmword ptr [rax]          ; Legacy SEE 指令：结果 ymm1 高 128 位不变

vaddss xmm1, xmmword ptr [rax]         ; AVX 指令：ymm1 高 128 位清 0

在 AVX 指令中改变 xmm 寄存器的值结果会使相应的 ymm 寄存器高 128 位清 0，这种行为使得 SSE 指令与 AVX 指令变得不一致，因此在 AVX 代码中混合 SSE 代码时，Intel 建议调用 SSE 代码子例程前清 ymm 寄存器的高 128 位以避免性能损失。AVX 指令提供两条指令执行：

vzeroupper               ; 清所有 ymmm 寄存器的高 128 位

vzeroall                 ; 所有的 ymm 寄存器清为 0

4.2 AVX 指令集的功能

AVX 指令集提供了一系列的 floating-point（浮点）处理指令和 integer（整数）处理指令：

1. 提供的浮点处理指令，包括：
   • 两种宽度的 arithmetic（运算）类指令：
     • 256 位宽度的 vector（矢量）运算
     • 128 位宽度的 vector 与 scalar（标量）运算
   • 两种宽度的 non-arithmetic（非运算）类指令：
     • 256 位 non-arithmetic 类 vector 操作指令
     • 128 位 non-arithmetic 类 vector 与 scalar 操作指令
   • AVX 新增的 non-arithmetic 类指令：这些指令是 AVX 独有的新引进的指令，不存在对应的 SSE 版本
2. 整数处理指令包括：
   • 128 位的 packed integer 运算指令
   • 128 位的 packed integer 处理指令

除了新增的 AVX 指令外，其余的指令都是从原有的 SSE 指令移值或扩展而来，这些 AVX 指令有对应的 SSE 版本。

4.2.1 256 位浮点矢量运算指令

AVX 提供了 256 位的浮点矢量 arithmetic（运算）类指令，覆盖了 add，substract，multiply，divide 等各类算术运算，如下表所示：

这些指令根据所处理的浮点数据类型分为 double-precision（双精度）和 single-precision（单精度）版本，以后缀后 pd（双精度）和 ps（单精度）来区分，add/subtract 运算多了 horizontal（水平）形式的运算。

4.2.2 256 位浮点矢量处理指令

non-arithmetic（非运算）类指令，覆盖了：logic，blend，shuffle，broadcast，permute，insert/extract，test，convert 处理，如下表：

上面其中有几条是 AVX 新增的指令：

• vbroadcastsd，vbradcastss，vbroadcastf128
• vinsertf128 与 vextractf128
• vpermilpd，vpermilps，vperm2f128

4.2.3 128 位的矢量与标量运算指令

128 位 AVX 指令是从原 SSE 指令移值过来，包含了 vector 与 scalar 两类运算指令：

128 位的 AVX 运算指令只 256 位指令多了 scalar 数据的处理，在规格是一致的。

4.2.4 128 位 non-arithmetic 处理指令

其中：vbroadcastss，permilpd 以及 permilps 是 AVX 新增的指令

4.2.5 128 位整数运算指令

在这里还增加了几条 horizontal 数据的整数运算指令

4.2.6 128 位整数处理指令

4.2.7 AVX 指令集中的 load 与 store 指令

在 AVX 中有为数众多的 load/store 类指令，大部分从 SSE 移植过来，并新增了几条。

从功能上看：

• load：从 memory 到 register
• store：从 register 到 memory
• move：从 register 到 register

部分指令只有 load 或 store 功能，多数指令既可以做 load/store 也可以做 move

新增的指令 mask move 包括：

• vmaskmovepd
• vmaskmoveps

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