Advanced Vector Extensions

AVX (Advanced Vector Extensions) – rozszerzenie zestawu instrukcji SSE opublikowane w marcu 2008 przez firmę Intel. Jako pierwszy procesor zawierający ten zestaw instrukcji miał się pojawić w pierwszym kwartale 2011 roku i być oparty na układzie Sandy Bridge firmy Intel. AMD zapowiadał wprowadzenie procesora z AVX na trzeci kwartał 2011 roku - miałby być to układ BullDozer.

Rozszerzenia:

1. W AVX wprowadzono 256-bitowe rejestry - 2 razy większe niż wykorzystywane dotychczas w SSE. Nowych rejestrów jest 16 i w asemblerze noszą nazwy YMM0...YMM15. W dalszych wersjach AVX mogą pojawić się jeszcze większe rejestry, 512-, a nawet 1024-bitowe.
2. Dodano kilka rozkazów działających wyłącznie na rejestrach YMM (19 instrukcji).
3. Dodane 4-argumentowe rozkazy akumulujące wyniki mnożenia wektorów liczb zmiennoprzecinkowych, tj. wykonujące obliczenia według schematu $w = \pm z + (\pm x \cdot y)$ (12 instrukcji).
4. Dodane specjalizowane instrukcje wspomagające szyfrowanie AES (6 instrukcji).
5. Część rozkazów SSE, głównie tych działających na wektorach liczb zmiennoprzecinkowych, może wykonywać działania na rejestrach YMM (88 instrukcji).
6. Rozszerzone kodowanie rozkazów, dzięki któremu możliwe stało się wykonywanie niektórych rozkazów SSE w wariancie 3-argumentowym lub 4-argumentowym. Dotychczas wszystkie rozkazy były 2-argumentowe z czego jeden był docelowy (nadpisywany) i często zachodziła konieczność jego zapisania/przepisania do innego rejestru czy pamięci, jeśli musiał zostać wykorzystany w dalszej części obliczeń - w wariancie 3-argumentowym można wprost wskazać docelowy rejestr (rozwiązanie zapożyczone z architektury RISC) (166 instrukcji).

Rejestry

Mikroprocesor pracujący w trybie 32-bitowym ma dostęp do pierwszych 8 rejestrów (0..7), w trybie 64-bitowym do wszystkich. Istniejące rejestry SSE (XMM0...XMM7) zostały zamapowane na młodsze 128 bitów rejestrów YMM0...YMM7.

Typy danych

W związku z dwukrotnym poszerzeniem rejestru pojawiły się nowe typy wektorowe tylko dla liczb zmiennoprzecinkowych:

• 8 x 32 bity - wektor 8 liczb zmiennoprzecinkowych pojedynczej precyzji
• 4 x 64 bity - wektor 4 liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji

Mnemoniki instrukcji

Mnemoniki instrukcji AVX jak również SSE działających na 256-bitowych rejestrach rozpoczynają się literą V. Typ danych, na jakich działają określa sufiks:

• PS, PD - wektor liczb zmiennoprzecinkowych,
• SS, SD - skalar (pierwszy element wektora), tj. liczba zmiennoprzecinkowa, odpowiednio, pojedynczej i podwójnej precyzji

Mnemoniki instrukcji akumulujących wyniki mnożenia rozpoczynają się od VFM lub VFNM, natomiast mnemoniki rozkazów wspomagających szyfrowanie od AES.

Instrukcje AVX

Instrukcje AVX działają na rejestrach YMM, niektóre również na XMM.

Nowe instrukcje

Instrukcja	Działanie
VBROADCASTSS VBROADCASTSD VBROADCASTF128	powielenie liczby 32-, 64- lub 128-bitowej pobranej z pamięci w rejestrze XMM lub YMM
VEXTRACTF128	przepisanie starszych lub młodszych 128 bitów z rejestru YMM do pamięci lub rejestru XMM (zerując starsze 12 bitów stowarzyszonego z nim rejestru YMM)
VINSERTF128	wpisanie 128 bitów z rejestru XMM lub pamięci do starszej lub młodszej połówki źródłowego rejestru YMM i przepisanie tak utworzonego wektora docelowego YMM
VMASKMOVPS VMASKMOV	przesłanie wybranych elementów z do pamięci (przesłania 128 lub 256-bitowe)
VPERMILPD VPERMILPS	dowolna permutacja elementów wektora
VPERMIL2PD VPERMIL2PS VPERM2F128	dowolna permutacja elementów z dwóch wektorów; dodatkowo można wskazać które elementy wektora wynikowego mają zostać wyzerowane
PCLMULQDQ	ang. carry-less-multiplication - mnożenie liczb binarnych 64-bitowych, w którym przy dodawaniu nie uwzględnia się przeniesień (kolejne bity wyniku to efekt wykonania pewnej liczby różnic symetrycznych)
VPTESTPS VPTESTPD	rozkazy podobne do VPTEST (PTEST, patrz opis SSE4), przy czym działania bitowe nie są przeprowadzane na całych rejestrach, lecz na bitach znaków liczb zmiennoprzecinkowych
VZEROALL	w trybie 64-bitowym wyzerowanie wszystkich rejestrów YMM, w trybie 32-bitowym - YMM0..YMM7
VZEROUPPER	w trybie 64-bitowym wyzerowanie bitów 128..255 we wszystkich rejestrach YMM, w trybie 32-bitowym - w rejestrach YMM0..YMM7
VLDMXCSR VSTMXCSR	załadowanie/zapis zawartości rejestru kontrolnego z/do pamięci

Akumulujące wyniki mnożenia (FMA)

Liczba instrukcji należących do tej grupy wynosi 12. Wszystkie są czteroargumentowe VFMxxxxx w, x, y, z i wykonują działanie według schematu $w = \pm z + (\pm x \cdot y)$.

Instrukcje skalarne, tj. działające na pierwszym elemencie wektora (sufiks SD lub SS), zachowują się inaczej niż instrukcje skalarne SSE: wpisują bowiem wartość zero na pozostałe pozycje wektora wynikowego, podczas gdy w SSE przepisywane są elementy jednego z argumentów.

Lista instrukcji FMA:

Instrukcja	Działanie
VFMADDPD VFMADDPS VFMADDSD VFMADDSS	$w_i = (x_i \cdot y_i) + z_i$, $i = 0\ldots 7$ lub $i = 0\ldots 15$
VFMSUBPD VFMSUBPS VFMSUBSD VFMSUBSS	$w_i = (x_i \cdot y_i) - z_i$
VFNMADDPD VFNMADDPS VFNMADDSD VFNMADDSS	$w_i = -(x_i \cdot y_i) + z_i$
VFNMSUBPD VFNMSUBPS VFNMSUBSD VFNMSUBSS	$w_i = -(x_i \cdot y_i) - z_i$
VFMADDSUBPD VFMADDSUBPS	$w_i = (x_i \cdot y_i) \pm z_i$, przy czym dla $i$ parzystego wykonywane jest dodawanie, dla nieparzystego - odejmowanie
VFMSUBADDPD VFMSUBADDPS	$w_i = (x_i \cdot y_i) \mp z_i$, przy czym dla $i$ nieparzystego wykonywane jest dodawanie, dla parzystego - odejmowanie

Wspomagające szyfrowanie algorytmem AES

• AESDEC, AESDECLAST - deszyfrowanie
• AESENC, AESENCLAST - szyfrowanie
• AESIMC
• AESKEYGENASSIST

Rozszerzone instrukcje SSE

AVX rozszerza możliwości instrukcji SSE na dwa sposoby:

• umożliwia przeprowadzanie obliczeń na dwa razy szerszych rejestrach YMM
• rozszerza liczbę argumentów z dwóch na trzy lub trzech na cztery

Instrukcje SSE mogące dodatkowo działać na rejestrach YMM

Instrukcja	Działanie
VCVTDQ2PD VCVTDQ2PS	konwersja 32-bitowych liczb całkowitych na zmiennoprzecinkowe
VCVTPD2DQ VCVTTPD2DQ VCVTPS2DQ VCVTTPS2DQ	konwersja liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej/pojedynczej precyzji na 32-bitowe liczby całkowite
VCVTPD2PS	konwersja liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji na liczby pojedynczej precyzji
VCVTPS2PD	konwersja liczb zmiennoprzecinkowych pojedynczej precyzji na liczby podwójnej precyzji
VLDDQU VMOVDQU VMOVUPD VMOVUPS	załadowanie 256 bitów z pamięci (adresy pamięci dowolne)
VMOVPAD VMOVAPS VMOVDQA	załadowanie 256 bitów z pamięci (adresy pamięci wyrównane do granicy 256 bitów)
VMOVDDUP	powielenie elementów
VMOVMSKPD	utworzenie 4-bitowej maski bitowej z najstarszych bitów wektora liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji (4 x 64 bity)
VMOVMSKPS	utworzenie 8-bitowej maski bitowej z najstarszych bitów wektora liczb zmiennoprzecinkowych pojedynczej precyzji (8 x 32 bity)
VMOVSHDUP VMOVSLDUP	powielenie elementów o nieparzystych/parzystych indeksach w wektorze liczb 32-bitowych
VPTEST
VRCPPS	aproksymacja odwrotności
VRSQRTPS	aproksymacja odwrotności pierwiastka
VROUNDPD VROUNDPS	zaokrąglanie
VSHUFPD VSHUFPS	utworzenie wektora z elementów dwóch innych wekorów
VSQRTPD VSQRTPS	pierwiastek
VUNPCKHPD VUNPCKHPS VUNPCKLPD VUNPCKLPS

Trójargumentowe instrukcje SSE mogące działać na rejestrach XMM oraz YMM

Instrukcja	Działanie
VADDPD VADDPS	dodawanie
VSUBPD VSUBPS	odejmowanie
VMULPD VMULPS VMULSD VMULSS	mnożenie
VDIVPD VDIVPS VDIVSD VDIVSS	dzielenie
VSUBADDPD VSUBADDPS	naprzemienne dodawanie i odejmowanie
VHADDPD VHADDPS	dodawanie sąsiednich elementów
VHSUBPD VHSUBPS	odejmowanie sąsiednich elementów
VMAXPD VMAXPS VMINPD VMINPS	wybranie maksymalnych/minimalnych wartości z dwóch wektorów
VANDPD VANDPS	iloczyn bitowy
VANDNPD VANDNPS	iloczyn bitowy z jednym z argumentów zanegowanym
VORPD VORPS	suma bitowy
VXORPD VXORPS	różnica symetryczna
VCMPPD VCMPPS VCMPSD VCMPSS	porównania (rozszerzono także z 8 do 32 liczbę relacji, które można sprawdzić)
VCVTSD2SS	konwersja liczby zmiennoprzecinkowej podwójnej precyzji na pojedynczej precyzji
VCVTSS2SD	konwersja liczby zmiennoprzecinkowej pojedynczej precyzji na podwójnej precyzji
VMOVSD VMOVSS	wpisanie pojedynczej liczby zmiennoprzecinkowej podwójnej/pojedynczej precyzji
VRCPSS	aproksymacja odwrotności
VRSQRTSS	aproksymacja odwrotności pierwiastka
VROUNDSD VROUNDSS	zaokrąglanie
VSQRTSD VSQRTSS	pierwiastek
VPACKSSDW VPACKSSWB	konwersja liczb całkowitych 32-bitowych na 16-bitowe/16-bitowych na 8-bitowe; wyniki są nasycane
VPACKUSDW VPACKUSWB	konwersja liczb całkowitych 32-bitowych na 16-bitowe bez znaku/16-bitowych na 8-bitowe bez znaku; wyniki są nasycane

Trójargumentowe instrukcje SSE mogące działać wyłącznie na rejestrach XMM

Rozkazy działające na wektorach liczb zmiennoprzecinkowych:

Instrukcja	Działanie
VADDSD VADDSS	dodawanie skalarne
VSUBSD VSUBSS	odejmowanie skalarne
VMAXSD VMAXSS VMINSD VMINSS	wybranie maksymalnych/minimalnych wartości z dwóch skalarów
VMOVHLPS	przepisanie starszych 64 bitów (64..127) rejestru XMM na najmłodsze pozycje (0..63), wyzerowanie starszych 128 bitów stowarzyszonego z nim rejestru YMM
VMOVLHPS	przepisanie młodszych 64 bitów (0..63) rejestru XMM na najmłodsze pozycje (0..63), wyzerowanie starszych 128 bitów stowarzyszonego z nim rejestru YMM
VMOVHPD VMOVHPS	skopiowanie bitów młodszych 64 bitów (0..63) argumentu na pozycje 0..63 i 64..127 rejestru XMM, wyzerowanie starszych 128 bitów stowarzyszonego z nim rejestru YMM
VMOVLPD VMOVLPS

Rozkazy działające na wektorach liczb całkowitych:

Instrukcja	Działanie
VMPSADBW	wyznaczenie 8 kolejnych sum modułów różnic (dokładny opis działania w artykule SSE4)
VPADDB VPADDW VPADDD VPADDQ	dodawanie wektorów liczb całkowitych (8-, 16-, 32- i 64-bitowych)
VPSUBB VPSUBW VPSUBD VPSUBQ	odejmowanie wektorów liczb całkowitych (8-, 16-, 32- i 64-bitowych)
VPADDSB VPADDSW	dodawanie z nasyceniem wektorów liczb całkowitych ze znakiem (8- i 16-bitowych)
VPSUBSB VPSUBSW	odejmowanie z nasyceniem wektorów liczb całkowitych ze znakiem (8- i 16-bitowych)
VPSUBUSB VPSUBUSW	odejmowanie z nasyceniem wektorów liczb całkowitych bez znaku (8- i 16-bitowych)
VPHADDW VPHADDD	dodawanie sąsiednich elementów wektorów liczb całkowitych (16- i 32-bitowych)
VPHSUBW VPHSUBD	odejmowanie sąsiednich elementów wektorów liczb całkowitych (16- i 32-bitowych)
VPHADDSW	dodawanie z nasyceniem sąsiednich elementów wektorów 16-bitowych liczb całkowitych
VPHSUBSW	odejmowanie z nasyceniem sąsiednich elementów wektorów 16-bitowych liczb całkowitych
VPADDUSB VPADDUSW	dodawanie z nasyceniem wektorów liczb całkowitych bez znaku (8- i 16-bitowych)
VPALIGNR	połączenie dwóch wektorów 16-bajtowych w 32-bitowy i wybranie z niego zakresu 16 bajtów
VPAND VPOR VPXOR VPANDN	działania bitowe: iloczyn, suma, różnica symetryczna, iloczyn z zanegowanym jednym z argumentów
VPAVGB VPAVGW	średnia arytmetyczna wektorów
VPCMPEQB VPCMPEQW VPCMPEQD VPCMPEQQ	testowanie relacji równości liczb całkowitych (8-, 16-, 32- i 64-bitowych)
VPCMPGTB VPCMPGTW VPCMPGTD VPCMPGTQ	testowanie relacji większości liczb całkowitych ze znakiem (8-, 16-, 32- i 64-bitowych)
VPINSRB VPINSRW VPINSRD VPINSRQ
VMPADDWD VMPADDUBSW	mnożenie wektorowe, następnie dodawanie sąsiednich elementów: $a_i \cdot b_i + a_{i+1} \cdot b_{i+1}$)
VPMAXSB VPMINSB VPMAXSW VPMINSW VPMAXSD VPMINSD	wybranie maksymalnych/minimalnych liczb całkowitych ze znakiem (z wektorów 8-, 16- i 32-bitowych liczb)
VPMAXUSB VPMINUSB VPMAXUSW VPMINUSW VPMAXUSD VPMINUSD	wybranie maksymalnych/minimalnych liczb całkowitych bez znaku (z wektorów 8-, 16- i 32-bitowych liczb)
VPMULHUW VPMULHW	mnożenie liczb 16-bitowych ze znakiem/bez znaku, zapis starszego słowa wyniku
VPMULHRSW	mnożenie liczb 16-bitowych ze znakiem, zapis starszego słowa wyniku po zaokrągleniu
VPMULLW VPMULLD	mnożenie liczb 16-bitowych/32-bitowych ze znakiem, zapis młodszego słowa wyniku
VPMULDQ VPMULUDQ	mnożenie liczb 32-bitowych ze znakiem/bez znaku, zapis pełnego 64-bitowego wyniku
VPSADBW	obliczenie odległości wektorów w metryce manhattan, tj. suma modułów różnic bajtów ($\sum_{i=0}^n |a_i - b_i|$)
VPSHUFB VPHSHUFD VPHSHUFHW VPHSUFLW	permutacje wektorów
VPSIGNB VPSIGNW VPSIGND
VPSQLLDQ VPSRLDQ VPSLLW VPSLLD VPSLLQ VPSRAW VPSRAD VPSRLW VPSRLD VPSRLQ	przesunięcie bitowe
VPUNPCKLBW VPUNPCKLWD VPUNPCKLDQ VPUNPCKLQDQ VPUNPCKHBW VPUNPCKHWD VPUNPCKHDQ VPUNPCKHQDQ	naprzemienne kopiowanie elementów z dwóch wektorów

Czteroargumentowe instrukcje SSE mogące działać na rejestrach XMM oraz YMM

Instrukcja	Działanie
VBLENDPD VBLENDPS VBLENDVPD VBLENDVPS	przepisanie wybranych elementów wektora
VDPPS	wyznaczenie iloczynu skalarnego
VPBLENDVB	przepisanie wybranych bajtów wektora
VPBLENDW	przepisanie wybranych słów wektora

Czteroargumentowe instrukcje SSE mogące działać tylko na rejestrach XMM

Instrukcja	Działanie
VDPPD	wyznaczenie iloczynu skalarnego
VINSERTPS	wstawienie elementu do wektora XMM

Rozkazy konwersji

Wersje SSE działają na 32-bitowych liczbach całkowitych, AVX - 64-bitowych.

Instrukcja	Działanie
VCVTSD2SI VCVTTSD2SI	konwersja liczby zmiennoprzecinkowej podwójnej precyzji na 64-bitową liczbę całkowitą
VCVTSI2SD	konwersja 64-bitowej liczby całkowitej na liczbę zmiennoprzecinkową podwójnej precyzji
VCVTSS2SI VCTTSS2SI	konwersja liczby zmiennoprzecinkowej pojedynczej precyzji na 64-bitową liczbę całkowitą
VCVTSI2SS	konwersja 64-bitowej liczby całkowitej na liczbę zmiennoprzecinkową pojedynczej precyzji

Bibliografia

• Advanced Vector Extensions Programming Reference (dokument 319433-002), Intel, marzec 2008

Linki zewnętrzne

• Strona producenta nt AVX

Zobacz też

• MMX
• 3DNow!
• SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4, SSE5, AVX