CPU 中的新指令集答案

【问题标题】：New instruction sets in CPUCPU 中的新指令集
【发布时间】：2011-02-01 13:45:33
【问题描述】：

每一代新的 CPU 都会引入一些新指令集，即 MMX、3DNOW、SSE 等。

我有几个关于它们的一般性问题：

如果某些程序使用例如 SSE 指令，它可以在不支持 SSE 的 CPU 上运行吗？
如果是，是否意味着这些指令将被更改为更多更简单的指令？
如果不是，是否意味着此类新指令的真正性能影响将在几年后大多数 CPU 将支持此类技术（因此不会出现任何不兼容性）？
当我编译一个带有优化的 C++ 程序时，这是否意味着它会使用这些新指令？（我知道这取决于许多因素，尤其是代码，但我想要一些一般性的答案）。还是它们主要用于用 asm 编写的程序？

【问题讨论】：

据我所知，过去 3-4 年制造的任何处理器，无论是 Intel 还是 AMD，都至少支持 SSE2。您可能只是假设他们在那里，具体取决于您的目标受众。
@Blindy：总的来说，这不是一个好主意。如果您的程序不是一个巨大的资源消耗者，那么在十年前的硬件上运行应该不是问题。也就是说，如果您的程序针对 64 位操作系统，或者仅在 Windows 8 或更高版本上运行，那么您可以安全地使用 SSE2 及更低版本（所有 x86-64 处理器都至少包含 SSE2 支持，并且 Windows 8 强制要求 SSE2 支持，即使对于32 位版本的操作系统）。

标签： x86 cpu simd instruction-set

【解决方案1】：

包含新指令的可执行文件只能在支持这些新指令的 CPU 上执行。您可以将编译器配置为针对特定 CPU 进行编译。

【讨论】：

只有当这些指令真正被执行时。如果它们从未被执行（例如，因为它们在检查当前 CPU 是否支持它们的条件跳转后面），那么就没有问题。 IOW：当且仅当 CPU 实际尝试执行一个操作码时，CPU 才会捕获非法操作码。

【解决方案2】：

是和否：CPU 将认为它们无效，但如果程序检查 CPU 是否支持这些指令，则它可以回退到不使用这些指令的版本，从而允许程序运行.
程序必须使用更“基本”的指令提供替代实现，并知道何时使用哪个指令。
由于程序可以检查 CPU，因此可以立即获得好处，但是当然，如果您的用户使用不支持这些指令的 CPU，他们将看不到任何好处。
这完全取决于编译器和优化器。一些指令集可能被认为足够老，编译器将始终使用它们，除非你告诉它不要这样做，而另一些则相反：你必须告诉编译器使用它们。它是否也会自动创建回退也取决于编译器。

【讨论】：

【解决方案3】：

MMX 自 1996 年以来一直存在，SSE 于 1999 年问世，SSE2 于 2001 年与 Pentium 4 一起首次亮相。我认为可以肯定地假设您将使用的任何 CPU 都具有 MMX 和 SSE，并且可能还有 SSE2。 3DNOW 我认为只有 AMD，所以不要指望这些指令可用。

【讨论】：

【解决方案4】：

为了详细说明 Michael Madsen 对问题 4 的回答，GCC 默认为 i386 处理器生成代码。它提供了一个名为-march（也称为-mcpu）的标志，用于确定编译器将发出哪种指令。微软的cl.exe 提供/arch: 和/Gx 标志用于相同目的。

该标志还会影响指令的排序方式，因为不同的 CPU 执行一段给定代码的速度可能相对较慢或较快，具体取决于指令出现的顺序。

我不知道有任何静态编译器会创建自动功能集后备代码。通常这必须由程序员明确地完成。但好消息是，程序员不一定是你；例如，liboil 库（优化内循环）将在运行时根据运行它的机器选择要运行的最佳代码。

【讨论】：

大多数发行版配置 gcc，因此它的 32 位代码生成默认使用 Pentium Pro 作为指令集基线，而不是 i386（cmov 但不是 MMX 或 SSE）。您还可以构建 gcc，以便默认的 32 位代码生成启用 SSE2。 x86-64 (-m64) 模式使用第一代 K8 作为基线，因此使用 SSE2 而不是 cmpxchg16b (-mcx16)，这是 x86-64 之后的首批扩展之一。
顺便说一句，您可以将 -mtune=haswell 与 -march=nehalem 分开设置，因此您的代码将在 Nehalem 或更新版本上运行，但指令选择和排序针对较新的 CPU 进行了优化。

【解决方案5】：

如果某些程序使用例如 SSE 指令，它可以在不支持 SSE 的 CPU 上运行吗？

没有。但一般来说，这通常会产生一个陷阱或异常，如果需要，陷阱/中断处理程序可以处理它。

例如，很久以前的软件通常包含 x87 的代码。如果有 x87 协处理器，该指令在硬件中可以正常运行，但如果计算机没有 x87 协处理器，则会产生一个陷阱，之后该指令将在软件中处理并正常返回结果。见What is the protocol for x87 floating point emulation in MS-DOS?

Hackintosh 的第一个版本也使用它在不支持此指令集的 CPU 上模拟 SSE2。当然性能很糟糕，但它会运行。

如果不是，这是否意味着此类新指令的真正性能影响将在几年后大多数 CPU 将支持此类技术（因此不会出现任何不兼容性）？

是的。但几年后，也许软件需要更新，对吧？对于关键性能软件，可能需要重写以利用新指令集。对于其他一些人来说，性能的提升可能并不明显

当我编译一个带有优化的 C++ 程序时，这是否意味着它会使用这些新指令？（我知道这取决于很多因素，尤其是代码，但我想要一些一般性的答案）还是它们主要保留给用 asm 编写的程序？

取决于编译器和您在编译时传递给它的选项。

现代编译器支持auto-vectorization，因此它们将支持detect common idioms and optimize it。您只需重新编译 即可利用新指令集。但对于复杂的情况，您仍然需要手动优化使用 SIMD 内在函数

如果您使用外部库，当库更新以支持新指令集时，您将自动获得速度提升，即使您对程序不做任何事情也是如此 p>

【讨论】：

澄清一下，现在在中断处理程序中进行 SSE 仿真需要内核补丁。用户空间软件不能挂钩 Linux 或 Windows 中的中断处理程序。或者也许你可以在用户空间的 SIGILL 处理程序中做到这一点？当然，如果需要额外往返用户空间和返回，则速度会更慢。