Набор инструкций FMA

Набор инструкций FMA является расширением 128- и 256-битных инструкций Streaming SIMD Extensions в x86 микропроцессора наборе команд для выполнения операций плавного умножения-сложения (FMA). ^[1] Есть два варианта:

FMA4 поддерживается в процессорах AMD , начиная с архитектуры Bulldozer . FMA4 был реализован аппаратно до FMA3. Поддержка FMA4 удалена начиная с Zen 1 . ^[2]
FMA3 поддерживается в процессорах AMD, начиная с архитектуры Piledriver , и Intel, начиная с процессоров Haswell и процессоров Broadwell с 2014 года.

Инструкции

Инструкции FMA3 и FMA4 имеют практически идентичную функциональность, но несовместимы. Оба содержат объединенного умножения-сложения инструкции (FMA) для скалярных операций с плавающей запятой и операций SIMD , но инструкции FMA3 имеют три операнда, а инструкции FMA4 - четыре. Операция FMA имеет форму d = round( a · b + c ), где функция округления выполняет округление , чтобы позволить результату поместиться в регистр назначения, если имеется слишком много значащих битов, чтобы поместиться в место назначения.

Форма с четырьмя операндами (FMA4) позволяет a , b , c и d быть четырьмя разными регистрами, тогда как форма с тремя операндами (FMA3) требует, чтобы d был тем же регистром, что и a , b или c . Форма с тремя операндами делает код короче и немного упрощает аппаратную реализацию, а форма с четырьмя операндами обеспечивает большую гибкость программирования.

см . в наборе инструкций XOP Дополнительную информацию о проблемах совместимости между Intel и AMD .

Набор инструкций FMA3

Процессоры с FMA3

АМД
- Piledriver (2012) и новые микроархитектуры ^[3]
  - 2-го поколения APU , «Trinity» (32 нм), 15 мая 2012 г.
  - «Бульдозер» 2-го поколения (бдвер2) с ядрами Piledriver, 23 октября 2012 г.
Интел
- Haswell (2013 г.) и более новые процессоры, кроме Pentium и Celeron. ^[4]^[5]

Отрывок из FMA3

Поддерживаемые команды включают в себя

Мнемоника	Операция	Мнемоника	Операция
ВФМ ДОБАВИТЬ	`result = + a · b + c`	ВФМ АДДСУБ	`result = a · b + c` для я = 1, 3, ... `result = a · b − c` для я = 0, 2, ...
ВФ Н М ДОБАВИТЬ	`result = − a · b + c`	ВФМ АДДСУБ
ВФМ СУБ	`result = + a · b − c`	ВФМ СУБАДД	`result = a · b − c` для я = 1, 3, ... `result = a · b + c` для я = 0, 2, ...
ВФ Н М СУБ	`result = − a · b − c`	ВФМ СУБАДД

Примечание

ВФ Н М ДОБАВИТЬ result = − a · b + c, нет result = − (a · b + c).
VF N M SUB генерирует −0, если все входные данные равны нулю.

Явный порядок операндов включается в мнемосхему с помощью номеров «132», «213» и «231»:

Постфикс 1	Операция	возможный операнд памяти	перезаписывает
132	`a = a · c + b`	`c` (фактор)	`a` (другой фактор)
213	`a = b · a + c`	`c` (слагаемое)	`a` (фактор)
231	`a = b · c + a`	`c` (фактор)	`a` (слагаемое)

а также формат операнда (упакованный или скалярный) и размер (одиночный или двойной).

Постфикс 2	точность	размер	Постфикс 2	точность	размер
SS	Одинокий	00 × 32 бит	С Д	Двойной	0 × 64 бит
П С х		0 4 × 32 бит	П Д х		2 × 64 бит
P S y		0 8 × 32 бит	П Д й		4 × 64 бит
П. С. з		16 × 32 бит	П Д з		8 × 64 бит

Это приводит к

Кодирование	Мнемоника	Операнды	Операция
`VEX.256.66.0F38.W1 98 /r`	ВФМАДД 132 ПД г	мм, мм, мм/м256	`a = a · c + b`
`VEX.256.66.0F38.W0 98 /r`	ВФМАДД 132 л.с.	мм, мм, мм/м256
`VEX.128.66.0F38.W1 98 /r`	ВФМАДД 132 ПД х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.128.66.0F38.W0 98 /r`	ВФМАДД 132 л.с. х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.LIG.66.0F38.W1 99 /r`	ВФМАДД 132 СД	хмм, хмм, хмм/м64
`VEX.LIG.66.0F38.W0 99 /r`	ВФМАДД 132 СС	хмм, хмм, хмм/м32
`VEX.256.66.0F38.W1 A8 /r`	ВФМАДД 213 ПД г	мм, мм, мм/м256	`a = b · a + c`
`VEX.256.66.0F38.W0 A8 /r`	ВФМАДД 213 ПС г	мм, мм, мм/м256
`VEX.128.66.0F38.W1 A8 /r`	ВФМАДД 213 ПД х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.128.66.0F38.W0 A8 /r`	ВФМАДД 213 ПС х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.LIG.66.0F38.W1 A9 /r`	ВФМАДД 213 СД	хмм, хмм, хмм/м64
`VEX.LIG.66.0F38.W0 A9 /r`	ВФМАДД 213 СС	хмм, хмм, хмм/м32
`VEX.256.66.0F38.W1 B8 /r`	ВФМАДД 231 ПД г	мм, мм, мм/м256	`a = b · c + a`
`VEX.256.66.0F38.W0 B8 /r`	ВФМАДД 231 ПС г	мм, мм, мм/м256
`VEX.128.66.0F38.W1 B8 /r`	ВФМАДД 231 ПД х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.128.66.0F38.W0 B8 /r`	ВФМАДД 231 ПС х	хмм, хмм, хмм/м128
`VEX.LIG.66.0F38.W1 B9 /r`	ВФМАДД 231 СД	хмм, хмм, хмм/м64
`VEX.LIG.66.0F38.W0 B9 /r`	ВФМАДД 231 СС	хмм, хмм, хмм/м32

Набор инструкций FMA4

Процессоры с FMA4

АМД
- Процессоры «Тяжелое оборудование»
  - Процессоры на базе бульдозера , 12 октября 2011 г. ^[6]
  - на базе Piledriver Процессоры ^[7]
  - на базе Steamroller Процессоры
  - Процессоры на базе экскаватора (включая «v2»)
- Дзен : Тестирование WikiChip показывает, что FMA4 все еще работает (в условиях тестов), несмотря на то, что он официально не поддерживается и даже не сообщается CPUID. Это также подтвердил Агнер Фог. ^[8] Но другие тесты дали неверные результаты. ^[9] Официальный веб-сайт AMD Примечание о поддержке FMA4. ЦП ZEN = AMD ThreadRipper 1900x, R7 Pro 1800, 1700, R5 Pro 1600, 1500, R3 Pro 1300, 1200, R3 2200G, R5 2400G. ^[10]^[11]^[12]
Интел
- Intel не выпустила процессоры с поддержкой FMA4.

Отрывок из FMA4

Мнемоника (AT&T)	Операнды	Операция
ВФМАДПДДкс	хмм, хмм, хмм/м128, хмм/м128	а = b·c + d
ВФМАДПДДи	мм, мм, мм/м256, мм/м256
ВФМАДДПСx	хмм, хмм, хмм/м128, хмм/м128
ВФМАДДПСы	мм, мм, мм/м256, мм/м256
ВФМАДСД	хмм, хмм, хмм/м64, хмм/м64
ВФМАДДСС	хмм, хмм, хмм/м32, хмм/м32

История

Несовместимость между FMA3 Intel и FMA4 AMD связана с тем, что обе компании изменили планы, не согласовав детали кодирования друг с другом. AMD изменила свои планы с FMA3 на FMA4, а Intel практически одновременно изменила свои планы с FMA4 на FMA3. Историю можно резюмировать следующим образом:

Август 2007 г.: AMD анонсирует набор инструкций SSE5 , который включает в себя инструкции FMA с тремя операндами. Введена новая схема кодирования (DREX), позволяющая инструкциям иметь три операнда. ^[13]
Апрель 2008 г.: Intel объявляет о своих наборах инструкций AVX и FMA, включая инструкции FMA с 4 операндами. Для кодирования этих инструкций используется новая схема кодирования VEX . ^[14] что более гибко, чем схема AMD DREX.
Декабрь 2008 г.: Intel меняет спецификацию своих инструкций FMA с инструкций с 4 операндами на инструкции с 3 операндами. Схема кодирования VEX используется до сих пор. ^[15]
Май 2009 г.: AMD меняет спецификацию своих инструкций FMA с формы DREX с 3 операндами на форму VEX с 4 операндами, совместимую со спецификацией Intel от апреля 2008 г., а не со спецификацией Intel от декабря 2008 г. ^[16]
Октябрь 2011 г.: процессор AMD Bulldozer поддерживает FMA4. ^[17]
Январь 2012 г.: AMD объявляет о поддержке FMA3 в будущих процессорах под кодовыми названиями Trinity и Vishera; они основаны на архитектуре Piledriver . ^[18]
Май 2012 г.: процессор AMD Piledriver поддерживает FMA3 и FMA4. ^[17]
Июнь 2013 г.: процессор Intel Haswell поддерживает FMA3. ^[19]
Февраль 2017 г.: первое поколение процессоров AMD Ryzen официально поддерживает FMA3, но не FMA4 согласно инструкции CPUID . ^[2] Возникла путаница относительно того, реализован ли FMA4 на этом процессоре или нет, из-за ошибок в первоначальном патче пакета GNU Binutils , которые с тех пор были исправлены. ^[20]^[21] Одно неподтвержденное сообщение об неправильных результатах ^[9] вызвало некоторые сомнения, но Mysticial (Александр Йи, разработчик y-cruncher) развенчал их: ^[22] FMA4 годами работал над побитовыми вычислениями больших чисел в своей системе Zen 1, и в одном отчете на Reddit никогда не проводилось никакого последующего расследования, чтобы исключить ошибки в программном обеспечении для тестирования, прежде чем он был широко повторен. Первоначальные процессоры Ryzen могли выйти из строя из-за определенной последовательности инструкций FMA3, но обновленный микрокод процессора устраняет проблему. ^[23]
Июль 2019 г.: процессоры AMD Zen 2 и более поздние версии Ryzen вообще не поддерживают FMA4. ^[24] Они продолжают поддерживать FMA3. Только Zen 1 и Zen+ имеют неофициальную поддержку FMA4.

Поддержка компилятора и ассемблера

Разные компиляторы обеспечивают разные уровни поддержки FMA:

GCC поддерживает FMA4 с -mfma4, начиная с версии 4.5.0. ^[25] и FMA3 с -mfma, начиная с версии 4.7.0.
Microsoft Visual C++ 2010 SP1 поддерживает инструкции FMA4. ^[26]
Microsoft Visual C++ 2012 поддерживает инструкции FMA3 (если процессор также поддерживает расширение набора инструкций AVX2).
Microsoft Visual C++ с версии VC 2013.
PathScale поддерживает FMA4 с -mfma. ^[27]
В LLVM 3.1 добавлена поддержка FMA4, ^[28] наряду с предварительной поддержкой FMA3. ^[29]
В Open64 5.0 добавлена «ограниченная поддержка».
Компиляторы Intel поддерживают только инструкции FMA3. ^[25]
NASM поддерживает инструкции FMA3 с версии 2.03 и инструкции FMA4 с 2.06.
FASM поддерживает инструкции FMA3 и FMA4.

Ссылки

^ «FMA3 и FMA4 не являются наборами команд, это отдельные инструкции — объединенное умножение и сложение. Они могут быть весьма полезны в зависимости от того, как Intel и AMD их реализуют» Вольтманн, Джордж (Prime95). «Intel AVX и GIMPS» . mersenneforum.org/index.php . Отличный проект поиска простых чисел Мерсенна в Интернете (GIMPS) . Проверено 27 июля 2011 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Микроархитектура процессоров Intel, AMD и VIA. Руководство по оптимизации для программистов-сборщиков и производителей компиляторов» (PDF) . Проверено 2 мая 2017 г.
^ Маффео, Робин (1 марта 2012 г.). «AMD и бета-версия Visual Studio 11» . АМД. Архивировано из оригинала 9 ноября 2013 года . Проверено 7 ноября 2018 г.
^ «CPU-Z — идентификатор: y5z6gq» . Проверено 1 мая 2022 г.
^ «CPU-Z — идентификатор: kr2mlx» . Проверено 1 мая 2022 г.
^ «Руководство программиста по архитектуре AMD64, том 6: 128-битные и 256-битные инструкции XOP, FMA4 и CVT16» (PDF) . АМД . 1 мая 2009 г.
^ «Новые инструкции для «Бульдозера» и «Сваедрайвера». Шаг вперед для разработки высокопроизводительного программного обеспечения» (PDF) . АМД . Октябрь 2012.
^ «Блог Агнера о процессорах — результаты тестов AMD Ryzen» . 2017-05-02.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Обсуждение — у Ryzen есть недокументированная поддержка FMA4» . Проверено 10 мая 2017 г.
^ «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .
^ «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .
^ «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .
^ «Набор 128-битных инструкций SSE5» . AMD Центр разработчиков . Архивировано из оригинала 15 января 2008 г. Проверено 28 января 2008 г.
^ «Справочник по программированию Intel Advanced Vector Extensions» (PDF) . Интел . Проверено 5 апреля 2008 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Справочник по программированию расширенных векторных расширений Intel» . Интел . Проверено 6 мая 2009 г.
^ «Достижение баланса» . Дэйв Кристи, блоги разработчиков AMD. 6 мая 2009 года. Архивировано из оригинала 8 июля 2012 года . Проверено 7 ноября 2018 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Новые инструкции для бульдозеров и сваебойщиков» (PDF) . АМД . Проверено 25 июля 2013 г.
^ «Руководство по оптимизации программного обеспечения для процессоров AMD семейства 15h» (PDF) . АМД . Проверено 19 апреля 2012 г.
^ «Справочник по программированию расширений набора команд архитектуры Intel» (PDF) . Интел . Проверено 25 июля 2013 г.
^ Гопаласубраманиан, Ганеш (10 марта 2015 г.). «[ИСПРАВЛЕНИЕ] добавить процессор znver1» . Проверено 1 мая 2022 г.
^ Павар, Амит (07 августа 2015 г.). «[ИСПРАВЛЕНИЕ] Удалить CpuFMA4 из флагов ЦП Znver1» . Проверено 1 мая 2022 г.
^ «Комментарий Mysticial о переполнении стека» . 16 июля 2019 г. Архивировано из оригинала 22 августа 2019 г. Проверено 1 сентября 2023 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ «Машина AMD Ryzen аварийно завершает работу при выполнении последовательности инструкций FMA3» . 16 марта 2017 года . Проверено 10 сентября 2017 г.
^ «Комментарий Mysticial о переполнении стека» . 16 июля 2019 г. Проверено 1 сентября 2023 г.
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Латиф, Лоуренс (14 ноября 2011 г.). «Инструкции AMD Bulldozer только FMA4 и XOP поддерживаются GCC, Intel по-прежнему без звука» . Спрашивающий . Архивировано из оригинала 17 ноября 2011 года. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ «Внутренности FMA4 добавлены в Visual Studio 2010 SP1» . 4 февраля 2013 г.
^ «ЭКОПат человек док» . Архивировано из оригинала 23 июня 2016 г. Проверено 24 июля 2013 г.
^ «Примечания к выпуску LLVM 3.1» .
^ «Включить обнаружение поддержки AVX и AVX2 через CPUID» . ЛЛВМ . 26 апреля 2012 г.

[prime95-1] «FMA3 и FMA4 не являются наборами команд, это отдельные инструкции — объединенное умножение и сложение. Они могут быть весьма полезны в зависимости от того, как Intel и AMD их реализуют» Вольтманн, Джордж (Prime95). «Intel AVX и GIMPS» . mersenneforum.org/index.php . Отличный проект поиска простых чисел Мерсенна в Интернете (GIMPS) . Проверено 27 июля 2011 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[:0-2] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Микроархитектура процессоров Intel, AMD и VIA. Руководство по оптимизации для программистов-сборщиков и производителей компиляторов» (PDF) . Проверено 2 мая 2017 г.

[3] Маффео, Робин (1 марта 2012 г.). «AMD и бета-версия Visual Studio 11» . АМД. Архивировано из оригинала 9 ноября 2013 года . Проверено 7 ноября 2018 г.

[4] «CPU-Z — идентификатор: y5z6gq» . Проверено 1 мая 2022 г.

[5] «CPU-Z — идентификатор: kr2mlx» . Проверено 1 мая 2022 г.

[6] «Руководство программиста по архитектуре AMD64, том 6: 128-битные и 256-битные инструкции XOP, FMA4 и CVT16» (PDF) . АМД . 1 мая 2009 г.

[7] «Новые инструкции для «Бульдозера» и «Сваедрайвера». Шаг вперед для разработки высокопроизводительного программного обеспечения» (PDF) . АМД . Октябрь 2012.

[8] «Блог Агнера о процессорах — результаты тестов AMD Ryzen» . 2017-05-02.

[zen-fma4-wrong-9] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Обсуждение — у Ryzen есть недокументированная поддержка FMA4» . Проверено 10 мая 2017 г.

[10] «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .

[11] «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .

[12] «www.amd.com, список моделей с поддержкой FMA4» .

[13] «Набор 128-битных инструкций SSE5» . AMD Центр разработчиков . Архивировано из оригинала 15 января 2008 г. Проверено 28 января 2008 г.

[14] «Справочник по программированию Intel Advanced Vector Extensions» (PDF) . Интел . Проверено 5 апреля 2008 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[15] «Справочник по программированию расширенных векторных расширений Intel» . Интел . Проверено 6 мая 2009 г.

[16] «Достижение баланса» . Дэйв Кристи, блоги разработчиков AMD. 6 мая 2009 года. Архивировано из оригинала 8 июля 2012 года . Проверено 7 ноября 2018 г.

[developer.amd.com-17] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б «Новые инструкции для бульдозеров и сваебойщиков» (PDF) . АМД . Проверено 25 июля 2013 г.

[18] «Руководство по оптимизации программного обеспечения для процессоров AMD семейства 15h» (PDF) . АМД . Проверено 19 апреля 2012 г.

[19] «Справочник по программированию расширений набора команд архитектуры Intel» (PDF) . Интел . Проверено 25 июля 2013 г.

[20] Гопаласубраманиан, Ганеш (10 марта 2015 г.). «[ИСПРАВЛЕНИЕ] добавить процессор znver1» . Проверено 1 мая 2022 г.

[21] Павар, Амит (07 августа 2015 г.). «[ИСПРАВЛЕНИЕ] Удалить CpuFMA4 из флагов ЦП Znver1» . Проверено 1 мая 2022 г.

[zen-fma4-fud-22] «Комментарий Mysticial о переполнении стека» . 16 июля 2019 г. Архивировано из оригинала 22 августа 2019 г. Проверено 1 сентября 2023 г. {{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[23] «Машина AMD Ryzen аварийно завершает работу при выполнении последовательности инструкций FMA3» . 16 марта 2017 года . Проверено 10 сентября 2017 г.

[zen2-no-fma4-24] «Комментарий Mysticial о переполнении стека» . 16 июля 2019 г. Проверено 1 сентября 2023 г.

[theinquirer-25] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б Латиф, Лоуренс (14 ноября 2011 г.). «Инструкции AMD Bulldozer только FMA4 и XOP поддерживаются GCC, Intel по-прежнему без звука» . Спрашивающий . Архивировано из оригинала 17 ноября 2011 года. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[msdn-26] «Внутренности FMA4 добавлены в Visual Studio 2010 SP1» . 4 февраля 2013 г.

[pathscale-27] «ЭКОПат человек док» . Архивировано из оригинала 23 июня 2016 г. Проверено 24 июля 2013 г.

[llvm-28] «Примечания к выпуску LLVM 3.1» .

[llvmfma3-29] «Включить обнаружение поддержки AVX и AVX2 через CPUID» . ЛЛВМ . 26 апреля 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

v т и Intel Технология
Platforms	Centrino Centrino 2 Viiv MID Tablet CULV Ultrabook Skulltrail NUC Galileo Edison Curie Evo
Discontinued	Common Building Block MultiProcessor Specification Intel Communication Streaming Architecture Intel Inboard 386 Intel Play MMC-1 MMC-2
Current	Advanced Programmable Interrupt Controller CNVi Intel Turbo Boost vPro Intel Secure Key Intel Management Engine Active Management Technology AMT versions High-bandwidth Digital Content Protection High Definition Audio Hub Architecture Rapid Storage Technology SpeedStep Serial Digital Video Out Host Embedded Controller Interface Hyper-threading Omni-Path Platform Environment Control Interface QuickPath Interconnect Platform Controller Hub System Management Bus Thunderbolt Ultra Path Interconnect
Upcoming	Silicon Photonics Link

v т и набора команд Расширения
SIMD ( РИСК )	Альфа седые волосы РУКА НЕОН ВСЕ МИПС МДМС МИПС-3D МХУ МИПС SIMD ПА-РИСК МАКС Мощность ОДИН ВМХ СПАРК ВИС
SIMD ( x86 )	ММХ (1996) 3DСейчас! (1998) ССЕ (1999) ССЕ2 (2001) ССЕ3 (2004) СССЭ3 (2006 г.) ССЕ4 (2006) ССЕ5 ~~(2007)~~ АВКС (2008) Ф16С (2009) ХОП (2009) FMA (FMA4: 2011, FMA3: 2012) АВХ2 (2013) АВХ-512 (2015) АМХ (2022 г.) AVX10 (2023)
Битовые манипуляции	ИМТ (ABM: 2007, BMI1: 2012, BMI2: 2013, TBM: 2012) ADX (2014)
Сжатые инструкции	Большой палец MIPS16e ASE РВК
Безопасность и криптография	Замок (2003) АЭС-НИ (2008 г.); ARMv8 также имеет инструкции AES. КЛМУЛ (2010) РДРАНД (2012) ША (2013) МПХ (2015) СГХ (2015) ТДКС (2021)
Транзакционная память	ТСХ (2013) АЧС
Виртуализация	ВТ-х (2005) AMD-V (2006) ВТ-д (AMD-Vi)
Даты приостановленных продлений ~~зачеркнуты~~ .