АлтиВек

AltiVec одинарной точности с плавающей запятой и целочисленными значениями, SIMD — это набор инструкций разработанный и принадлежащий Apple , IBM и Freescale Semiconductor (ранее подразделение Motorola Semiconductor Products Sector) — альянсу AIM . Он реализован в версиях архитектуры PowerPC , включая процессоры Motorola G4 , IBM G5 процессорной и POWER6 , а также PA Semi PA6T от PWRficient . AltiVec — торговая марка, также называет систему Velocity Engine принадлежащая исключительно Freescale, поэтому Apple и VMX ( Vector Multimedia Extension ) IBM и PA Semi.

Хотя AltiVec относится к набору команд, реализации в процессорах IBM и Motorola отличаются с точки зрения логического проектирования. На сегодняшний день ни одно ядро ​​IBM не включает в себя логическую схему AltiVec, лицензированную у Motorola, или наоборот.

AltiVec является стандартной частью Power ISA v.2.03. спецификация. До этой спецификации он никогда формально не был частью архитектуры PowerPC, хотя он использовал форматы и синтаксис инструкций PowerPC и занимал пространство кода операции, специально выделенное для таких операций. целей.

Сравнение с x86-64 SSE

И VMX/AltiVec, и SSE имеют 128-битные векторные регистры, которые могут представлять шестнадцать 8-битных знаковых или беззнаковых символов, восемь 16-битных коротких чисел со знаком или без знака, четыре 32-битных целых числа или четыре 32-битные переменные с плавающей запятой. Оба предоставляют кэшем инструкции по управлению , предназначенные для минимизации загрязнения кэша при работе с потоками данных.

Они также демонстрируют важные различия. В отличие от SSE2 , VMX/AltiVec поддерживает специальный тип данных RGB « пиксель », но он не работает с 64-битными числами с плавающей запятой двойной точности, и нет возможности перемещать данные напрямую между скалярными и векторными регистрами. В соответствии с моделью «загрузка/сохранение» конструкции RISC PowerPC векторные регистры, как и скалярные регистры, могут только загружаться из памяти и сохраняться в ней. Однако VMX/AltiVec предоставляет гораздо более полный набор «горизонтальных» операций, которые работают со всеми элементами вектора; допустимые комбинации типов данных и операций гораздо более полны. Предусмотрено тридцать два 128-битных векторных регистра по сравнению с восемью для SSE и SSE2 (расширено до 16 в x86-64 ), и большинство инструкций VMX/AltiVec используют три регистровых операнда по сравнению с двумя операндами регистр/регистр или регистр/память. на ИА-32 .

VMX/AltiVec также уникален своей поддержкой гибкой инструкции векторной перестановки , в которой каждый байт результирующего значения вектора может быть взят из любого байта любого из двух других векторов, параметризованных еще одним вектором. Это позволяет выполнять сложные манипуляции в одной инструкции.

Последние версии из коллекции компиляторов GNU (GCC), компилятор IBM VisualAge и другие компиляторы предоставляют встроенные функции для доступа к инструкциям VMX/AltiVec непосредственно из программ C и C++ . Начиная с версии 4, GCC также включает возможности автоматической векторизации , которые позволяют интеллектуально создавать ускоренные двоичные файлы VMX/Altivec без необходимости для программиста напрямую использовать встроенные функции. Ключевое слово типа «вектор» введено для разрешения объявления собственных векторных типов, например: « vector unsigned char foo;" объявляет 128-битную векторную переменную с именем "foo", содержащую шестнадцать 8-битных беззнаковых символов. Полный набор арифметических и бинарных операторов определен для векторных типов, поэтому для управления векторными переменными можно использовать обычный язык выражений C. Существуют также перегруженные внутренние функции, такие как " vec_add", которые выдают соответствующий код операции в зависимости от типа элементов внутри вектора, и применяется очень строгая проверка типов. Напротив, определенные Intel типы данных для регистров SIMD IA-32 объявляют только размер векторного регистра (128 или 64 бита), а в случае 128-битного регистра, содержит ли он целые числа или значения с плавающей запятой, программист должен выбрать соответствующую внутреннюю функцию для используемых типов данных, например: ". _mm_add_epi16(x,y)" для сложения двух векторов, содержащих восемь 16-битных целых чисел.

История развития

Расширение Power Vector Media Extension (VMX) было разработано в период с 1996 по 1998 год в рамках совместного проекта Apple, IBM и Motorola. Apple была основным заказчиком Power Vector Media Extension (VMX) до тех пор, пока 6 июня 2005 года Apple не перешла на процессоры Intel на базе x86. Они использовали его для ускорения мультимедийных приложений, таких как QuickTime , iTunes и ключевых частей Apple Mac OS. X, включая графический редактор Quartz . Другие компании, такие как Adobe, использовали AltiVec для оптимизации своих программ обработки изображений, таких как Adobe Photoshop . Motorola была первой компанией, поставившей процессоры с поддержкой AltiVec, начиная с линейки G4. AltiVec также использовался в некоторых встроенных системах для высокопроизводительной цифровой обработки сигналов.

IBM последовательно исключала VMX из своих более ранних микропроцессоров POWER , которые предназначались для серверных приложений, где он был не очень полезен. Микропроцессор POWER6 , представленный в 2007 году, реализует AltiVec. Последний микропроцессор IBM для настольных ПК, PowerPC 970 (названный Apple «G5»), также реализовал AltiVec с аппаратным обеспечением, аналогичным аппаратному обеспечению PowerPC 7400 .

AltiVec — торговая марка, зарегистрированная Freescale (ранее Motorola) для стандартной категории:Векторная часть Power ISA v.2.03. спецификация. Эта категория также известна как VMX (используется IBM) и «Velocity Engine» (торговая марка, ранее использовавшаяся Apple).

Механизм Cell Broadband Engine, используемый (помимо прочего) в PlayStation 3 , также поддерживает расширение Power Vector Media Extension (VMX) в своем PPU, при этом SPU ISA улучшен, но архитектурно аналогичен.

Freescale представляет улучшенную версию AltiVec для e6500 на базе QorIQ процессоров .

ВМХ128

IBM усовершенствовала VMX для использования в Xenon (Xbox 360) и назвала это улучшение VMX128. Усовершенствования включают новые процедуры, предназначенные для игр (ускорение 3D-графики и игровой физики). и всего 128 регистров. VMX128 не полностью совместим с VMX/Altivec, поскольку ряд целочисленных операций был удален, чтобы освободить место для большего файла регистров и дополнительных операций, специфичных для приложения.

VSX (векторное скалярное расширение)

В Power ISA v2.06 представлены векторно-скалярные инструкции VSX. которые расширяют обработку SIMD для Power ISA для поддержки до 64 регистров с поддержкой обычного выполнения с плавающей запятой, десятичной с плавающей запятой и векторного выполнения. POWER7 — первый процессор Power ISA, поддерживающий Power ISA v2.06.

Новые инструкции представлены IBM в категории Vector Media Extension для целочисленных операций как часть расширения VSX в Power ISA 2.07.

Новые целочисленные векторные инструкции были представлены IBM вслед за кодировками VMX как часть расширения VSX в Power ISA v3.0. Будет представлен вместе с процессорами POWER9 .

Проблемы

В C++ стандартный способ доступа к поддержке AltiVec является взаимоисключающим с использованием стандартной библиотеки шаблонов. vector<> шаблон класса из-за обработки слова «вектор» как зарезервированного слова, когда компилятор не реализует версию вектора с контекстно-зависимым ключевым словом. Однако их можно объединить, используя обходные пути, специфичные для компилятора; например, в GCC можно сделать #undef vector удалить vector ключевое слово, а затем используйте специфичное для GCC __vector ключевое слово на своем месте.

В AltiVec до Power ISA 2.06 с VSX отсутствует загрузка из памяти с использованием естественного выравнивания типов. Например, приведенный ниже код требует специальной обработки для Power6 и ниже, когда эффективный адрес не выровнен по 16 байтам. Специальная обработка добавляет 3 дополнительные инструкции к операции загрузки, когда VSX недоступен.

#include <altivec.h>
typedef __vector unsigned char uint8x16_p;
typedef __vector unsigned  int uint32x4_p;
...
int main(int argc, char* argv)
{
    /* Natural alignment of vals is 4; and not 16 as required */
    unsigned int vals[4] = { 1, 2, 3, 4 };
    uint32x4_p vec;

#if defined(__VSX__) || defined(_ARCH_PWR8)
    vec = vec_xl(0, vals);
#else
    const uint8x16_p perm = vec_lvsl(0, vals);
    const uint8x16_p low  = vec_ld(0, vals);
    const uint8x16_p high = vec_ld(15, vals);
    vec = (uint32x4_p)vec_perm(low, high, perm);
#endif

}

В AltiVec до Power ISA 2.06 с VMX отсутствует поддержка 64-битных целых чисел. Разработчики, желающие работать с 64-битными данными, будут разрабатывать процедуры из 32-битных компонентов. Например, ниже приведены примеры 64-битной версии. add и subtract в C с использованием вектора с четырьмя 32-битными словами на машине с прямым порядком байтов . Перестановки перемещают биты переноса и заимствования из столбцов 1 и 3 в столбцы 0 и 2, как в школьном учебнике по математике. Для машины с прямым порядком байтов потребуется другая маска.

#include <altivec.h>
typedef __vector unsigned char uint8x16_p;
typedef __vector unsigned  int uint32x4_p;
...

/* Performs a+b as if the vector held two 64-bit double words */
uint32x4_p add64(const uint32x4_p a, const uint32x4_p b)
{
    const uint8x16_p cmask = {4,5,6,7, 16,16,16,16, 12,13,14,15, 16,16,16,16};
    const uint32x4_p zero = {0, 0, 0, 0};

    uint32x4_p cy = vec_addc(vec1, vec2);
    cy = vec_perm(cy, zero, cmask);
    return vec_add(vec_add(vec1, vec2), cy);
}

/* Performs a-b as if the vector held two 64-bit double words */
uint32x4_p sub64(const uint32x4_p a, const uint32x4_p b)
{
    const uint8x16_p bmask = {4,5,6,7, 16,16,16,16, 12,13,14,15, 16,16,16,16};
    const uint32x4_p amask = {1, 1, 1, 1};
    const uint32x4_p zero = {0, 0, 0, 0};

    uint32x4_p bw = vec_subc(vec1, vec2);
    bw = vec_andc(amask, bw);
    bw = vec_perm(bw, zero, bmask);
    return vec_sub(vec_sub(vec1, vec2), bw);
}

Power ISA 2.07, использованная в Power8, наконец, предоставила 64-битные двойные слова. Разработчику, работающему с Power8, достаточно выполнить следующее.

#include <altivec.h>
typedef __vector unsigned long long uint64x2_p;
...

/* Performs a+b using native vector 64-bit double words */
uint64x2_p add64(const uint64x2_p a, const uint64x2_p b)
{
    return vec_add(a, b);
}

/* Performs a-b using native vector 64-bit double words */
uint64x2_p sub64(const uint64x2_p a, const uint64x2_p b)
{
    return vec_sub(a, b);
}

Реализации

Следующие процессоры оснащены AltiVec, VMX или VMX128.

Моторола/Фрискейл

• MPC7400
• MPC7410
• MPC7450
• МПК7445/7455
• МПК7447/7447А/7457
• MPC7448
• MPC8641/8641D
• MPC8640/8640D
• MPC8610
• Т2081/Т2080
• Т4080/Т4160/Т4240
• Б4420/Б4860

ИБМ

• PowerPC 970
• PowerPC 970FX
• PowerPC 970MP
• Ксенон
• Ячейка БЭ
• PowerXCell 8i
• СИЛА6/СИЛА6+
• СИЛА7/СИЛА7+
• МОЩНОСТЬ8
• POWER9
• Мощность10

Семена ПА

• ПА6Т

Программные приложения

Известно, что следующие программные приложения используют аппаратное ускорение AltiVec или VMX.

• Helios имеет собственный порт POWER9/POWER10 с поддержкой VMX.

Внешние ссылки

• Развертывание AltiVec, часть 1: Представляем модуль PowerPC SIMD в IBM; Архивировано в Wayback Machine 10 сентября 2012 г.
• AltiVec Technologies в Freescale; Архивировано в Wayback Machine 4 февраля 2012 г.
• Использование архитектуры SIMD с параллельными данными в видеоиграх и суперкомпьютерах IBM; Архивировано в Wayback Machine 8 февраля 2012 г.
• Velocity Engine в Apple; Архивировано в Wayback Machine 28 ноября 2009 г.
• История SIMD и сравнение производительности