基于MMX指令集的程序设计简介

** 基于MMX指令集的程序设计简介 **

作者：Alex Farber
出处： http://www.codeproject.com/cpp/mmxintro.asp

MMX技术简介

Intel 公司的MMX™（多媒体增强指令集）技术可以大大提高应用程序对二维三维图形和图象的处理能力。Intel MMX技术可用于对大量数据和复杂数组进行的复杂处理，使用MMX技术可处理的数据基本单位可以是字节（byte）、字（word），或者是双字（double-word）。

Visual Studio .NET 2003提供了对MMX指令集特性的支持，从而可以不必编写汇编代码，直接使用C++代码就可以实现MMX指令的功能。通过参考Intel软件说明书（Intel Software manuals）[1]以及阅读MSDN中有关MMX编程技术的主题会使你更好地把握MMX编程的要点。

MMX技术实现了单道指令多道数据流（SIMD，single-instruction, multiple-data）的执行模式。考虑下面一个需要编程完成的任务，在一个字节（BYTE）数组中使其中每一个元素加上一个数，在传统的程序中，实现这个功能的算法如下：

for each b in array //对数组中的每一个元素b
b = b + n //加上一个数n

下面看看它的实现细节：

for each b in array //对数组中的每一个元素b
{
把b加载到寄存器中
把此寄存器中的数加上n
把所得寄存器中的结果放回内存
}

具有MMX指令集支持的处理器有八个64位的寄存器，每一个寄存器可以存放8个字节（byte）、4个字(word)或2个双字(double-word)。MMX技术同时提供了一个MMX指令集，其中的指令可以可以把一个数值（其类型可以是字节、字或双字）加载到这些MMX寄存器中，在寄存器中进行算术或逻辑运算，然后把寄存器中的结果放回内存存储单元。上面的例子采用MMX技术后的算法是这样的：

for each 8 members in array //把数组中的8个字节（其中一个字节为数组中的一个单位）作为一组取出
{
把这8个字节加载到MMX寄存器中
通过一个CPU指令执行周期把这个寄存器中的8个字节都加上n
把寄存器中计算的结果写回内存
}

C++编程人员不必直接使用MMX指令集中的指令访问这些MMX寄存器。你可以使用64位的数据类型__m64和一系列C++函数来进行相关的算术和逻辑运算。而决定程序使用哪个MMX寄存器以及代码优化是C++编译器的任务。

Visual C++ MMXSwarm [4]是MSDN中提供的一个很好的使用MMX技术进行图象处理的例子，它包含了一些封装好了的类简化了使用MMX技术的操作，并向你展示了对各种不同格式图象进行处理的操作（如单色24位象素RGB、32位象素RGB等）。本文只是对使用Visual C++实现MMX程序设计的简单介绍。如果你感兴趣的话，可以参看MSDN上MMXSwarm的例子。

MMX程序设计详细介绍

包含的头文件

所有的MMX指令集函数在emmintrin.h文件中定义：
#include

  1<emmintrin.h>   
  2因为程序中用到的MMX处理器指令是由编译器决定，所以它并没有相关的.lib库文件。 
  3
  4**__m64 数据类型**
  5
  6这种类型的变量可用作MMX指令的操作数，它不能被直接访问。_m64类型的变量被自动分配为8个字节的字长。 
  7
  8** CPU对MMX指令集的支持  **
  9
 10如果你的CPU能够具有了MMX指令集，你就可以使用Visual Studio .NET 2003提供的对MMX指令集支持的C++函数库了，你可以查看MSDN中的一个Visual C++ CPUID[3]的例子，它可以帮你检测你的CPU是否支持SSE、MMX指令集或其它的CPU功能。 
 11
 12** 饱和算法（Saturation Arithmetic）和封装模式（Wraparound Mode）  **
 13
 14MMX技术支持一种叫做saturating arithmetic（饱和算法）的计算模式。在饱和模式下，当计算结果发生溢出（上溢或下溢）时，CPU会自动去掉溢出的部分，使计算结果取该数据类型表示数值的上限值（如果上溢）或下限值（如果下溢）。饱和模式的计算用于对图象的处理。   
 15下面的例子能够让你理解饱和模式和封装模式的区别。如果一个字节(BYTE)类型变量的值为255，然后将其值加一。在封装模式下，相加结果为0（去掉进位）；在饱和模式下，结果为255。饱和模式用类似的方法来处理下溢出，比如对于一个字节数据类型的数在饱和模式下，1减2的结果为0（而不是-1）。每一个MMX算术指令都有这两种模式：饱和模式和封装模式。本文所要讨论的项目只使用饱和模式下的MMX指令。 
 16
 17**编程实例**
 18
 19以下讲解了MMX技术在Visual Studio .NET 2003下的应用实例，你可以在 http://www.codeproject.com/cpp/mmxintro/MMX_src.zip 下载示例程序压缩包。该压缩包中含有两个项目，这两个项目是基于微软基本类库（MFC）建立的Visual C++.NET项目，你也可以按照下面的讲解建立这两个项目。 
 20
 21**MMX8 演示项目**
 22
 23MMX8是一个单文档界面（SDI）的应用程序，用来对每象素8位的单色位图进行简单处理。源图象和处理后的图象会在窗体中显示出来。新建的ATL（活动模版库）类 Cimage用来从资源中提取图象并在窗体中显示出来。程序要对图象进行两种处理操作：图象颜色反相和改变图象的亮度。每一种处理操作可以用下面几种方法之中其中的一种来实现： 
 24
 25纯C++代码；   
 26使用C++的MMX功能函数的代码；   
 27使用MMX汇编指令的代码。 
 28
 29对图象进行处理计算的时间会显示在状态栏中。 
 30
 31**用纯C++实现的图象颜色反相函数：**
 32
 33void CImg8Operations::InvertImageCPlusPlus(   
 34BYTE* pSource,   
 35BYTE* pDest,   
 36int nNumberOfPixels)   
 37{   
 38for ( int i = 0; i &lt; nNumberOfPixels; i++ )   
 39{   
 40*pDest++ = 255 - *pSource++;   
 41}   
 42} 
 43
 44  
 45为了查询使用C++ MMX指令函数的方法，需要参考Intel软件说明书（Intel Software manuals）中有关MMX汇编指令的说明，首先我是在第一卷的第八章找到了MMX相关指令的大体介绍，然后在第二卷找到了有关这些MMX指令的详细说明，这些说明有一部分涉及了与其特性相关的C++函数。然后我通过这些MMX指令对应的C++函数查找了MSDN中与其相关的说明。在MMX8示例程序中用到的MMX指令和相关的C++函数见下表： 
 46
 47  
 48
 49
 50** 实现的功能  ** |  ** 对应的MMX汇编指令  ** |  ** Visual C++.NET中的MMX函数  **  
 51---|---|---  
 52清除MMX寄存器中的内容，即初始化（以避免和浮点数操作发生冲突）。  |  emms  |  _mm_empty   
 53将两个64位数中对应的（8个）无符号（8位）字节同时进行减法操作。  |  psubusb  |  _mm_subs_pu8   
 54将两个64位数中对应的（8个）无符号（8位）字节同时进行加法操作。  |  paddusb  |  _mm_adds_pu8   
 55  
 56**用Visual C++.NET的MMX指令函数实现图象颜色反相的函数：**
 57
 58void CImg8Operations::InvertImageC_MMX(   
 59BYTE* pSource,   
 60BYTE* pDest,   
 61int nNumberOfPixels)   
 62{   
 63__int64 i = 0;   
 64i = ~i; // 0xffffffffffffffff 
 65
 66// 每次循环处理8个象素   
 67int nLoop = nNumberOfPixels/8; 
 68
 69__m64* pIn = (__m64*) pSource; // 输入的字节数组指针   
 70__m64* pOut = (__m64*) pDest; // 输出的字节数组指针 
 71
 72__m64 tmp; // 临时工作变量 
 73
 74_mm_empty(); // 执行MMX指令：emms，初始化MMX寄存器 
 75
 76__m64 n1 = Get_m64(i); 
 77
 78for ( int i = 0; i &lt; nLoop; i++ )   
 79{   
 80tmp = _mm_subs_pu8 (n1 , *pIn); // 饱和模式下的无符号减法   
 81//对每一个字节执行操作：tmp = n1 - *pIn   
 82*pOut = tmp; 
 83
 84pIn++; // 取下面的8个象素点   
 85pOut++;   
 86} 
 87
 88_mm_empty(); // 执行MMX指令：emms，清除MMX寄存器中的内容   
 89} 
 90
 91__m64 CImg8Operations::Get_m64(__int64 n)   
 92{   
 93union __m64__m64   
 94{   
 95__m64 m;   
 96__int64 i;   
 97} mi; 
 98
 99mi.i = n;   
100return mi.m;   
101} 
102
103虽然这个函数在非常短的时间就执行完成了，但我记录了这3种方法需要的时间，以下是在我的计算机上运行的结果：   
104  
105纯C++代码 43毫秒   
106使用C++的MMX指令函数的代码 26毫秒   
107使用MMX汇编指令的代码 26毫秒 
108
109上面的图象处理时间必须在程序Release优化编译后执行时才能体现出很好的效果。 
110
111而改变图象的亮度我采用了最简单的方法：对图象中的每一个象素的颜色值进行加减运算。相对前面的处理函数而言，这样的转换函数有些复杂，因为我们需要把处理过程分成两种情况，一种是增加象素颜色值，另一种是减少象素颜色值。 
112
113  
114**用纯C++函数实现的改变图象亮度的函数：**
115
116void CImg8Operations::ChangeBrightnessCPlusPlus(   
117BYTE* pSource,   
118BYTE* pDest,   
119int nNumberOfPixels,   
120int nChange)   
121{   
122if ( nChange &gt; 255 )   
123nChange = 255;   
124else if ( nChange &lt; -255 )   
125nChange = -255; 
126
127BYTE b = (BYTE) abs(nChange); 
128
129int i, n; 
130
131if ( nChange &gt; 0 ) //增加象素颜色值   
132{   
133for ( i = 0; i &lt; nNumberOfPixels; i++ )   
134{   
135n = (int)(*pSource++ + b); 
136
137if ( n &gt; 255 )   
138n = 255; 
139
140*pDest++ = (BYTE) n;   
141}   
142}   
143else //减少象素颜色值   
144{   
145for ( i = 0; i &lt; nNumberOfPixels; i++ )   
146{   
147n = (int)(*pSource++ - b); 
148
149if ( n &lt; 0 )   
150n = 0;   
151*pDest++ = (BYTE) n;   
152}   
153}   
154} 
155
156  
157**用Visual C++.NET的MMX指令函数实现的改变图象亮度函数：**
158
159void CImg8Operations::ChangeBrightnessC_MMX(   
160BYTE* pSource,   
161BYTE* pDest,   
162int nNumberOfPixels,   
163int nChange)   
164{   
165if ( nChange &gt; 255 )   
166nChange = 255;   
167else if ( nChange &lt; -255 )   
168nChange = -255; 
169
170BYTE b = (BYTE) abs(nChange); 
171
172__int64 c = b; 
173
174for ( int i = 1; i &lt;= 7; i++ )   
175{   
176c = c &lt;&lt; 8;   
177c |= b;   
178} 
179
180// 在一次循环中处理8个象素   
181int nNumberOfLoops = nNumberOfPixels / 8; 
182
183__m64* pIn = (__m64*) pSource; // 输入的字节数组   
184__m64* pOut = (__m64*) pDest; // 输出的字节数组 
185
186__m64 tmp; // 临时工作变量 
187
188  
189_mm_empty(); // 执行MMX指令：emms 
190
191__m64 nChange64 = Get_m64(c); 
192
193if ( nChange &gt; 0 )   
194{   
195for ( i = 0; i &lt; nNumberOfLoops; i++ )   
196{   
197tmp = _mm_adds_pu8(*pIn, nChange64); // 饱和模式下的无符号加法   
198// 对每一个字节执行操作：tmp = *pIn + nChange64 
199
200*pOut = tmp; 
201
202pIn++; // 取下面8个象素   
203pOut++;   
204}   
205}   
206else   
207{   
208for ( i = 0; i &lt; nNumberOfLoops; i++ )   
209{   
210tmp = _mm_subs_pu8(*pIn, nChange64); // 饱和模式下的无符号减法   
211// 对每一个字节执行操作：tmp = *pIn - nChange64 
212
213*pOut = tmp; 
214
215pIn++; //取下面8个象素   
216pOut++;   
217}   
218} 
219
220_mm_empty(); // 执行MMX指令：emms   
221}   
222
223
224注意参数nChange的符号每次调用函数时在循环体外只检查一次，而不是放在循环体内，那样会被检查成千上万次。下面是在我的计算机上处理图象花费的时间： 
225
226纯C++代码 49毫秒   
227使用C++的MMX指令函数的代码 26毫秒   
228使用MMX汇编指令的代码 26毫秒 
229
230  
231** MMX32 演示项目  **
232
233MMX32项目可对32位象素的RGB图象进行处理。进行的图象处理工作是图象颜色反相操作和更改图象颜色的平衡度（将象素点的每一种颜色乘以一定的值）操作。 
234
235MMX的乘法实现起来比加减法复杂得多，因为乘法运算通常得出的结果的位数不再是以前位数的大小。比如，如果乘法的操作数有一个字节（8位的BYTE）大小，那么结果会达到一个字（16位的WORD）大小。这需要额外的转换，并且使用MMX汇编指令和C++代码进行图象转换花费时间的差别不是很大（时间差为5-10%）。 
236
237**用Visual C++.NET的MMX指令函数实现的更改图象颜色平衡度的函数：**
238
239void CImg32Operations::ColorsC_MMX(   
240BYTE* pSource,   
241BYTE* pDest,   
242int nNumberOfPixels,   
243float fRedCoefficient,   
244float fGreenCoefficient,   
245float fBlueCoefficient)   
246{   
247int nRed = (int)(fRedCoefficient * 256.0f);   
248int nGreen = (int)(fGreenCoefficient * 256.0f);   
249int nBlue = (int)(fBlueCoefficient * 256.0f); 
250
251// 设置相乘系数   
252__int64 c = 0;   
253c = nRed;   
254c = c &lt;&lt; 16;   
255c |= nGreen;   
256c = c &lt;&lt; 16;   
257c |= nBlue; 
258
259__m64 nNull = _m_from_int(0); // null   
260__m64 tmp = _m_from_int(0); // 临时工作临时变量初始化 
261
262_mm_empty(); // 清空MMX寄存器。 
263
264__m64 nCoeff = Get_m64(c); 
265
266DWORD* pIn = (DWORD*) pSource; // 输入双字数组   
267DWORD* pOut = (DWORD*) pDest; // 输出双字数组 
268
269for ( int i = 0; i &lt; nNumberOfPixels; i++ )   
270{   
271tmp = _m_from_int(*pIn); // tmp = *pIn (在tmp的低32位写入数据) 
272
273tmp = _mm_unpacklo_pi8(tmp, nNull ); //将tmp中低位的4个字节转化为字   
274//字的高位用nNull中对应位上的位值填充。 
275
276tmp = _mm_mullo_pi16 (tmp , nCoeff); //将tmp中的每一个字相乘，将相乘结果的高位送到nCoeff，在tmp中只保留每个结果的低位。 
277
278tmp = _mm_srli_pi16 (tmp , 8); // 将tmp中的每一个字右移8位，相当于除以256 
279
280tmp = _mm_packs_pu16 (tmp, nNull); // 使用饱和模式将tmp中的结果做如下处理：   
281//将tmp中的4个字转化为4个字节，并将这4个字节写到tmp中的低32位中   
282// 同时，将nNull中的4个字转化为4个字节，并将这4个字节写到tmp的高32位中。 
283
284*pOut = _m_to_int(tmp); // *pOut = tmp (将tmp低32位的数据放入pOut数组中)   
285  
286pIn++;   
287pOut++; 
288
289} 
290
291_mm_empty();   
292} 
293
294你可以参看示例项目的源代码了解有关此项目的更多的细节。 
295
296**SSE2 技术**
297
298SSE2技术包含有一个类似MMX中对整数操作的指令集，同时也包含128位的SSE寄存器组。比如，用SSE2技术实现更改图象颜色平衡度能够比用纯C++代码实现此功能在效率上有很大提升。SSE2同时是SSE技术的扩展，比如它不仅可以单精度浮点数数组，而且能够处理双精度浮点数数据类型的数组。用C++实现的MMXSwarm 示例项目不仅使用了MMX指令函数，而且使用了SSE2指令对整型数操作的函数。 
299
300** 参考文档：  **
301
302[1] Intel软件说明书（Intel Software manuals）： http://developer.intel.com/design/archives/processors/mmx/index.htm 。 
303
304[2] MSDN中有关MMX技术的主题： http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vclang/html/vcrefsupportformmxtechnology.asp 。 
305
306[3] Microsoft Visual C++ CPUID项目示例： http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamcpuiddeterminecpucapabilities.asp 。 
307
308[4] Microsoft Visual C++ MMXSwarm项目示例：   
309http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamMMXSwarmSampleDemonstratesCImageVisualCsMMXSupport.asp 。   
310  
311[5]   
312Matt Pietrek在Microsoft Systems Journal 1998年2月刊上的评论文章：   
313http://www.microsoft.com/msj/0298/hood0298.aspx 。</emmintrin.h>