[科普中国]-多媒体指令

多媒体指令是计算机能够识别和执行的操作命令。每一条指令都明确的规定了计算机必须完成的一套操作。将各种指令排成一个序列，由计算机顺序的执行，就可以完成一个复杂的处理任务。

简介CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集(CISC指令集)和精简指令集(RISC指令集)两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和AMD的3D Now!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。通常把CPU的扩展指令集称为"CPU的指令集"。

精简指令集在最初发明计算机的数十年里，随着计算机功能日趋增大，性能日趋变强，内部元器件也越来越多，指令集日趋复杂，过于冗杂的指令严重的影响了计算机的工作效率。后来经过研究发现，在计算机中，80%程序只用到了20%的指令集，基于这一发现，RISC精简指令集被提了出来，这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC体系结构的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。1RISC指令集有许多特征，其中最重要的有：

指令种类少，指令格式规范：

RISC指令集通常只使用一种或少数几种格式。指令长度单一（一般4个字节），并且在字边界上对齐，字段位置、特别是操作码的位置是固定的。

寻址方式简化：

几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不超过5个。其他更为复杂的寻址方式，如间接寻址等则由软件利用简单的寻址方式来合成。

大量利用寄存器间操作：

RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器操作，只以简单的Load和Store操作访问内存。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1个，访问内存的操作不会与算术操作混在一起。

简化处理器结构：

使用RISC指令集，可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，而不必像CISC处理器那样使用微程序来实现指令操作。因此RISC处理器不必像CISC处理器那样设置微程序控制存储器，就能够快速地直接执行指令。

便于使用VLSI技术：

随着LSI和VLSI（超大规模集成电路）技术的发展，整个处理器（甚至多个处理器）都可以放在一个芯片上。RISC体系结构可以给设计单芯片处理器带来很多好处，有利于提高性能，简化VLSI芯片的设计和实现。基于VLSI技术，制造RISC处理器要比CISC处理器工作量小得多，成本也低得多。

加强了处理器并行能力：

RISC指令集能够非常有效地适合于采用2流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。目前，常用的处理器内部并行操作技术基本上是基于RISC体系结构发展和走向成熟的。

正由于RISC体系所具有的优势，它在高端系统得到了广泛的应用，而CISC体系则在桌面系统中占据统治地位。

CPU的扩展指令集对于CPU来说，在基本功能方面，它们的差别并不太大，基本的指令集也都差不多，但是许多厂家为了提升某一方面性能，又开发了扩展指令集，扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必需要有软件支持。

MMX 指令集MMX（Multi Media eXtension，多媒体扩展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益处在于，当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行MMX程序。但是，问题也比较明显，那就是MMX指令集与x87

浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集式的交错切换才可以正常执行，这种情况就势必造成整个系统运行质量的下降。

SSE指令集SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel在Pentium III处理器中率先推出的。其实，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI（Katmai New Instruction）指令集，这个指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本，即MMX2指令集。究其背景，原来"KNI"指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称，而所谓的"MMX2"则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对"KNI"的 评价，Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。

而最终推出的SSE指令集也就是所谓胜出的"互联网SSE"指令集。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3D Now!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

SSE2指令集SSE2(Streaming SIMD Extensions 2，Intel官方称为SIMD 流技术扩展 2或数据流单指令多数据扩展指令集2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE，SSE2使用了144个新增指令，扩展了MMX技术和SSE技术，这些指令提高了广大应用程序的运行性能。随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128 位，使SIMD整数类型操作的有效执行率成倍提高。双倍精度浮点SIMD指令允许以 SIMD格式同时执行两个浮点操作，提供双倍精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增强，通过支持多种数据类型(例如，双字和四字)的算术运算，支持灵活并且动态范围更广的计算功能。SSE2指令可让软件开发员极其灵活的实施算法，并在运行诸如MPEG-2、MP3、3D图形等之类的软件时增强性能。Intel是从Willamette核心的Pentium 4开始支持SSE2指令集的，而AMD则是从K8架构的SledgeHammer核心的Opteron开始才支持SSE2指令集的。

SSE3指令集SSE3(Streaming SIMD Extensions 3，Intel官方称为SIMD 流技术扩展 3或数据流单指令多数据扩展指令集 3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2，SSE3在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。SSE3 中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现，最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。Intel是从Prescott核心的Pentium 4开始支持SSE3指令集的，而AMD则是从2005年下半年Troy核心的Opteron开始才支持SSE3的。但是需要注意的是，AMD所支持的SSE3与Intel的SSE3并不完全相同，主要是删除了针对3Intel超线程技术优化的部分指令。

3D Now!指令集3DNow！是AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，并被AMD广泛应用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow!指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。

与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同，3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。后来在Athlon上开发了Enhanced 3DNow!。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因为受到Intel在商业上以及Pentium III成功的影响，软件在支持SSE上比起3DNow!更为普遍。Enhanced 3DNow!AMD公司继续增加至52个指令，包含了一些SSE码，因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。

SSE4多媒体指令集Intel公司真正严格意义上的第五代多媒体指令集-- Streaming SIMD Extension 4（SSE4）被视为是继2001年的SSE2之后最为重要的多媒体指令集改进。除扩展Intel 64位指令外，还新增对于影像编辑、视讯编码、三维渲染以及游戏应用等方面的指令，使得处理器的效能受益性更为广泛。

将分为SSE4.1以及SSE4.2两个版本，其中SSE4.1版本将首度于45纳米Penryn家族处理器中出现，共增加了47条新的指令。全新的SSE4多媒体指令集将增加两组不同的32-bit向量整数乘法运算单元，并引入八位无符号最大值/最小值运算支持，以及16-bit/32-bit有符号和无符号运算支持，从而有效改善编译器执行效率并提升向量整数以及单精度代码的运算能力。与此同时，SSE4多媒体指令集进一步改善插入、提取、寻找、离散、跨步负载以及存储等动作模式，使得向量运算趋于专门化。 第五代SSE4多媒体指令集新增六条浮点点积运算指令，支持单精度、双精度浮点运算以及浮点生成操作，这对于3D游戏以及三维内容生成将产生积极影响。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所