лабы архитект. Методические указания к лабораторным работам для студентов 1го курса фпми
 Скачать 417 Kb.
|
|
Получается два варианта перебора элементов массива:
Рассмотрим задачу перемножения двух квадратных матриц N×N. Если напрямую запрограммировать известную формулу:  , например, на языке Си, получим следующий фрагмент программы:for (i=0;i for (k=0;k for (j=0;j Заметим, что в этом случае массив A перебирается по строкам, а массив B – по столбцам (смотрим на внутренний цикл). Зная, что массивы в языке Си хранятся по строкам, приходим к выводу, что элементы массива A перебираются последовательно, а элементы массива B – нет. В данном случае порядок обхода массива C практически не важен, поскольку между обращениями к различным его элементам проходит довольно много времени. Чтобы ускорить программу, нужно, чтобы, по крайней мере, во внутреннем цикле элементы массивов перебирались последовательно. Для этого необходимо либо заранее транспонировать массив B, либо переставить циклы следующим образом: for (i=0;i for (j=0;j for (k=0;k Задание. Реализовать прямой обход памяти (Обязательное задание – 1 балла). Реализовать обратный обход памяти (Обязательное задание – 1 балла). Реализовать случайный обход памяти (Обязательное задание – 1 балла). Определить степень ассоциативности кэш-памяти (Обязательное задание – 2 балла). Сравнить умножение двух квадратных матриц с использованием стандартного алгоритма и алгоритма с учётом прямого обхода памяти (Дополнительное задание – 5 баллов). Крайний срок сдачи – 15 апреля 2011 года. Лабораторная работа № 3 Использование SIMD-расширений архитектуры x86 Цель работы. Научиться использовать SIMD-расширения архитектуры x86 в программах на языках С/С++. Методические указания. 1. SIMD-расширения архитектуры x86 SIMD-расширения (Single Instruction Multiple Data) были введены в архитектуру x86 с целью повышения скорости обработки потоковых данных. Основная идея заключается в одновременной обработке нескольких элементов данных за одну инструкцию. 1.1. Расширение MMX Первой SIMD-расширение в свой x86-процессор ввела фирма Intel – это расширение MMX. Оно стало использоваться в процессорах Pentium MMX (расширение архитектуры Pentium или P5) и Pentium II (расширение архитектуры Pentium Pro или P6). Расширение MMX работает с 64-битными регистрами MM0-MM7, физически расположенными на регистрах сопроцессора, и включает 57 новых инструкций для работы с ними. 64-битные регистры логически могут представляться как одно 64-битное, два 32-битных, четыре 16-битных или восемь 8-битных упакованных целых. Еще одна особенность технологии MMX – это арифметика с насыщением. При этом переполнение не является циклическим, как обычно, а фиксируется минимальное или максимальное значение. Например, для 8-битного беззнакового целого x: обычная арифметика: x=254; x+=3; // результат x=1 арифметика с насыщением: x=254; x+=3; // результат x=255 1.2. Расширение 3DNow! Технология 3DNow! была введена фирмой AMD в процессорах K6-2. Это была первая технология, выполняющая потоковую обработку вещественных данных. Расширение работает с регистрами 64-битными MMX, которые представляются как два 32-битных вещественных числа с одинарной точностью. Система команд расширена 21 новой инструкцией, среди которых есть команда выборки данных в кэш L1. В процессорах Athlon и Duron набор инструкций 3DNow! был несколько дополнен новыми инструкциями для работы с вещественными числами, а также инструкциями MMX и управления кэшированием. 1.3. Расширение SSE С процессором Intel Pentium III впервые появилось расширение SSE (Streaming SIMD Extension). Это расширение работает с независимым блоком из восьми 128-битных регистров XMM0-XMM7. Каждый регистр XMM представляет собой четыре упакованных 32-битных вещественных числа с одинарной точностью. Команды блока XMM позволяют выполнять как векторные (над всеми четырьмя значениями регистра), так и скалярные операции (только над одним самым младшим значением). Кроме инструкций с блоком XMM в расширение SSE входят и дополнительные целочисленные инструкции с регистрами MMX, а также инструкции управления кэшированием. 1.4. Расширение SSE2 В процессоре Intel Pentium 4 набор инструкций получил очередное расширение – SSE2. Оно позволяет работать с 128-битными регистрами XMM как с парой упакованных 64-битных вещественных чисел двойной точности, а также с упакованными целыми числами: 16 байт, 8 слов, 4 двойных слова или 2 учетверенных (64-битных) слова. Введены новые инструкции вещественной арифметики двойной точности, инструкции целочисленной арифметики, 128-разрядные для регистров XMM и 64-разрядные для регистров MMX. Ряд старых инструкций MMX распространили и на XMM (в 128-битном варианте). Кроме того, расширена поддержка управления кэшированием и порядком исполнения операций с памятью. 1.5. Расширение SSE3 Дальнейшее расширение системы команд – SSE3 – вводится в процессоре Intel Pentium 4 с ядром Prescott. Это набор из 13 новых инструкций, работающих с блоками XMM, FPU, в том числе двух инструкций, повышающих эффективность синхронизации потоков, в частности, при использовании технологии Hyper-Threading. 1.6. Поддержка SIMD-расширений архитектурой x86-64 Процессоры AMD Athlon64 и AMD Opteron с архитектурой x86-64 поддерживают все выше перечисленные SIMD-расширения, кроме SSE3. Кроме того, число XMM регистров у этих процессоров увеличилось до 16 (XMM0-XMM15). Подробное описание типов и команд SSE приведено в приложении. 2. Встроенные функции потокового SIMD расширения Типы данных Для работы с векторными данными, содержащими несколько упакованных значений, используются следующие типы: __m64 – 64-бит (регистр MMX) 1 * 64-битное целое 2 * 32-битных целых 4 * 16-битных целых 8 * 8-битных целых. __m128 – 128-бит (регистр XMM): 4 * 32-битных вещественных (SSE), 2 * 64-битных вещественных (SSE2), 2 * 64-битное целых (SSE2), 4 * 32-битных целых (SSE2), 8 * 16-битных целых (SSE2), 16 * 8-битных целых (SSE2). Для наибольшей эффективности элементы таких типов данных должны быть выровнены в памяти по соответствующей границе. Например, начало массива элементов типа __m64 выравнивается по 8 байтам, а массив элементов __m128 – по 16 байтам. Статические переменные и массивы компилятор выравнивает автоматически. Динамические данные компилятор обычно выравнивает по только величине 4 байта. Если данные векторных типов оказались невыровненными, то для работы с ними следует применять специальные команды невыровненного чтения и записи (они работают медленнее обычных – выровненных). Для выделения памяти с выравниванием используется функция: void *_mm_malloc(int size, int align) size – объем выделяемой памяти в байтах (как в malloc), align – выравнивание в байтах. Для освобождения памяти, выделенной таким образом, используется функция: void _mm_free(void *p); Например: float *x; // массив для обработки с помощью инструкций SSE x=(float)_mm_malloc(N*sizeof(float),16); // … здесь обработка … _mm_free(x); Встроенные функции SSE для работы с вещественными числами Заголовочный файл xmmintrin.h содержит объявления встроенных функций (intrinnsics) SSE. Арифметические функции
Функции сравнения Каждая встроенная функция сравнения выполняет сравнение операндов a и b. В векторной форме сравниваются четыре вещественных значения параметра a с четырьмя вещественными значениями параметра b, и возвращается 128-битная маска. В скалярной форме сравниваются младшие значения параметров, возвращается 32-битная маска, остальные три старших значения копируются из параметра a. Маска устанавливается в значение 0xffffffff для тех элементов, результат сравнения которых истина, и 0x0, где результат сравнения ложь.
|