5. XOP 指令集架构简介

介绍 XOP 指令集之前应该要先了解一下 SSE5 指令集的情况，AMD 在 2007 年发布 SSE5 指令集规范，SSE5 指令集是原生 128 位设计，而 AVX 指令采用的是 256 位原生设计，AVX 的规格功强更强大。SSE5 指令最大的特色是支持 4 个操作数。并且引进了 multiply-add/subtract（融合了乘加减）类运算。

SSE5 提供的功能总结为：

• floating point multiply and add/subtract 浮点乘加减运算
• integer multiply and add（accumulate）整数的乘加（累积）运算
• integer horizontal add and subtract 操作数水平的整数加减运算
• vector conditional moves 矢量条件传送操作
• integer rotates and shifts 整数的循环和位移操作
• floating point comparison and predicate generation 浮点比较判定操作
• test instruction
• convert 操作
• rounding and precision control 舍入操作和精度控制操作

由于是 128 位设计，SSE5 指令最使用的操作数是 128 位 xmm 寄存器，事实上 XOP 指令集和 FMA 指令集（包括 FMA3 和 FMA4）都取材自 SSE5 指令集，XOP 继承了 SSE5 的整数指令，而 FMA 继承了 floating point multiply-add/subtract 类运算。

5.1 XOP 指令集功能

SSE5 指令集已经被宣布废止了，AMD 推出 XOP 和 FMA4 来取代 SSE5，并且继承了 SSE5 的绝大部分功能，虽然 XOP 也被扩展为 256 位设计，可是大部分指令依旧是使用 128 位的操作数，256 位操作数的指令为数不多，所以 XOP 最大的改进和特色是：

• 扩展为 256 位（大部分指令依旧操作 128 位操作数）
• 提供强大的整数运算能力
• 指令支持最多 4 个操作数
• 采用了与 AVX 指令相同的编码设计方案，使用 XOP prefix

XOP 废除了 SSE5 沿用多年的 SIMD 指令编码方式（SIMD prefix + escape opcode + opcode），引用了 XOP prefix 来设计指令编码，XOP prefix 与 AVX 的 VEX prefix 起相同的作用。

XOP 指令集提供的功能总结为：

• integer multiply and add(accumulate)
• integer horizontal add and subtract
• vector conditional moves
• integer rotates and shifts
• integer comparison and predicate generation
• fraction extract

可以看出 XOP 继承了大部分 SSE5 指令功能，提供了整数操作指令和少量的浮点操作指令。而另一个分支： FMA 指令（包括 Intel 的 FMA3 和 AMD 的 FMA4）提供了浮点的 mulitply-add/subtract 运算指令。

5.1.1 integer multiply and add(accumulate) 指令

这类指令做的运算是：

它们支持 4 个操作数，这类指令如下图的表格所示：

上面这些指令操作的都是 singed integer (符号数），分为 saturation 和 non-saturation 两类，指令的 mnemonic（助记符）设定都有特定的规律，下面描述为：

上面是指令 vpmacssww 的 mnemonic 格式描述说明，上表中 mnemonic 还有 l 表示 low，h 表示 high

5.1.2 saturation（饱和）的结果值

我们来看看什么是 saturation 的结果，什么是 non-saturation 结果，在 SIMD 系列指令中，在进行 packed integer 的运算中结果有可能会产生 overflow（溢出）的情况。

下面的例子在一个 packed integer 为 word 宽度的运算中，当 7000H + 2000H 的结果是多少呢？

没错结果等于 9000H，然而这个结果 overflow（溢出）了：两个正数相加结果为负数! 在 SIMD 系列指令中对这类结果的处理为分 saturation 和 non-saturation，non-saturation 是不进行任何处理，结果值直接写入目标操作数，这个结果值往往不是我们想要的结果，在这种情况下，我们并不知道结果值是否 overflow 了。

因此有另一个处理手法，是 saturation 处理，当发生溢出的时候，结果值会被限定为一个最大值（也就是饱和值），规则是：

• 两个正数相加，发生溢出时：结果被设为 7FFFh（正数的最大数）
• 两个负数相加，发生溢出时：结果被设为 8000h（负数的最大值，即：-1）

这表明 saturation 的结果是 limit 值，如果是 byte 宽度的数据，则 saturation 结果被限定为 7Fh 和 80h，需要明白的是，正数和负数相加是不可能发生溢出情况的。

同样在一个 unsigned integer 运算中也可能会产生 overflow 情况，saturation 处理手法同样被使用在 unsigned integer 的 SIMD 数据中，以 word 宽度为例，规则是：

• 两个数相加，发生溢出时：结果被设为 FFFFh（unsigned 数的最大值）

例如：FF00h + C000h = 1BF00h 这个结果产生了 overflow 情况，那么 saturation 结果就是 FFFFh

总结 saturation 处理手法的结果就是可以让我们知道，这个结果溢出了。在 non-saturation 结果中，我们可能并不能保证计算的结果是否正确。从上面的表格我们知道 XOP 指令集中提供了 saturation 处理和 non-saturation 处理的两类运算指令。

5.1.3 integer multiply add and accumulate 指令

这类指令提供的操作如下面的示意：

这类指令只有 2 条：

• vpmadcsswd
• vpmadcswd

同样分为 saturation 和 non-saturation 版本，multiply-add 是 word 宽度，最后 accumulate 是 double word 宽度。

5.1.4 packed integer horizontal add and subtract 指令

这类指令做的运算是：

这类指令提供了如下表格：

其中包括了 signed 和 unsigned integer，分为 add 和 subtract 运算。

5.1.5 vector conditional moves 指令

这类指令共有两条：

• vpcmov
• vpperm

这两条指令都有 4 个操作数，其中第 4 个操作数（src3）是 selector

• vpcmov dest, src1, src2, selector

这条指令做的操作如下示意：

目标操作数的每 1 bit 根据 selector 相应的 bit 来进行选择，当 = 1 时从 src1 相应的位送到 dest，当 = 0 时，从 src2 相应的位送到 dest

• vpperm dest, src1, src, selector

这条指令以 byte 为单位进行传递，它的操作如下示意：

selector 除了 [4:0] 之外，还有 [7:5] 控制着 move 的方式。