【x64 指令系统】之 XOP 指令集（完）

mik

声明：
　　由于 XOP 是 AMD 全新推出新一代基于 SSE5 的 SIMD 指令集，目前尚无应用成品，无应用环境测试，难免会有错漏。

　　敬请留意，不妥之处不吝指出

同时：
　　最好先读过【x64 指令系统】之 AVX 指令集 这个贴子。




目录
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1、XOP 指令集简介
2、XOP 指令格式
3、opcode
4、operands 寻址
5、XOP/FMA4 指令实例解析（完）
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:wink:

[ 本帖最后由 mik 于 2009-5-18 01:08 编辑 ]

mik

1、XOP 指令集简介

1、XOP 指令集产生的背景：
　　AMD 抢出推出 SSE5 指令集，但 Intel 打着如意算盘，却不跟进，推出了全新的 AVX 指令集。AVX 借鉴了一些 SSE5 的思想，但进行了扩充改良。客观地说，AVX 比 SSE5 更优，但 SSE5 既然有 Intel 值得学习的地方。AMD 是知道的。
　　AMD 最终决定跟进 Intel，除了兼容 AVX 指令外，另外推出一套 XOP 指令集（或者说是 XOP 指令扩展）、FMA4 和 CVT16 指令。XOP 指令集的产生是 AMD 也不愿　SSE5 被全盘推翻，保留了一些 SSE5 指令的优秀的地方。

　　目前，AMD 指令集方面的策略的是：全面兼容 Intel 的 AVX 指令，还保留自已一些独到的地方，产生了 XOP / FMA 指令。XOP 指令集是 AVX 以外的另一个指令集扩展。




2、XOP 指令集的特点

（１）XOP prefix 代替 VEX prefix
　　XOP prefix 是 3 bytes 的，固定以 8F。

（２）XOP prefix 格式实际上与几乎一样
　　除了以 8F 开头，固定为 3 bytes 外，其它基本没什么区别

（３）XOP prefix 同样起了集成 prefix 的作用

（４）XOP 指令的格式比 VAX 指令更灵活，体现在 operands 的寻址上。








:wink:

mik

3、 opcode

　　AMD 对 opcode 进行较详的叙述，opcode 里包含了指令的后缀，这个后缀定义了指令操作数据元素的大小。





上面是 opcode 的格式，其中 opcode[1:0] 定义了指令后缀


看看下面几条指令：

(1) vfmaddpd xmm1, xmm2, xmm3/m128, xmm4
(2) vfmaddps xmm1, xmm2, xmm3/m128, xmm4
(3) vfmaddsd xmm1, xmm2, xmm3/m64, xmm4
(4) vfmaddss xmm1, xmm2, xmm3/m32, xmm4
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它们都是执行同一操作： dest = src1 * src2 + src3
所不同的是，它们操作的对象元素大小之间的区别：pd、ps、sd和 ss

pd 是 packed double-precision（压缩的双精度）
ps 是 packed single-precision（压缩的单精度）
sd 是 double-precision （非压缩的双精度）
ss 是 single-precision（非压缩的单精度）


它们对应的 opcode 是：

69:        011010    01          ==>  pd
68:                     00           ==>  ps
6B:                     11           ==>  sd      
6A:                     10           ==>  ss

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不同后缀的指令使用不同 OES 码


注：
　　Intel 的指令在汇编代码级上有不同的指令后缀，但表现出来的 opcode 码却是相同的，也就是说：在 opcode 没体现出 OES 这个概念。




:wink:

mik

4、operands 寻址

　　
　　XOP 指令支持 2 ~ 4 个 operands，扩展出来的 XOP 指令集大多数是 4 个 operands 的。
　　AMD 的 FMA4 指令都是 4 operands，而 Intel 的 FMA 大多数是 3 operands。


1、XOP/FMA4 指令的 operands 寻址模式

与 Intel 的一样，4 operands 有以下几个域提供：

(1) XOP.vvvv
　　提供 sources 操作数的寻址，与 Intel 的 AVX 指令方案所不同的是：AVX 的 VEX.vvvv 可用作 destination 和 source 操作数寻址。而 XOP 指令中，XOP.vvvv 不能用来寻址 destination 操作数，只能用来寻址 source 操作数。

(2) ModRM.reg
　　提供 destination 操作数寻址，情况和上述一样，XOP 指令中，ModRM.reg 只能用来寻址 destination，不能作为 source 操作数寻。而 AVX 指令中可作为 source 操作数寻址。

(3) ModRM.r/m
　　提供 source 操作数的寻址。

(4) imme[7:4]
　　和 Intel 方案一样，使用 imme[7:4] 用来寻址其中一个 source 操作数，与 Intel 所不同的是：在 AVX 中 imme[7:4] 只能寻址 src3（即最后一个操作数）



2、XOP/FMA4 指令的 operands 寻址方案

＊ ModRM.reg 固定寻址 dest 操作数。
＊ 当不使用 XOP.vvvv 域时，AMD 遵循 Intel 的方案，必须 XOP.vvvv = 1111。这种情况下是只有 2 个 operands 的情况。
＊ XOP.W 提供 operands 寻址的补充规定。

(1) 4 个 operands 时的寻址
dest: ModRM.reg 提供
src1: XOP.vvvv 提供
src2：当 XOP.W = 0 时，由 ModRM.r/m 提供
　　　当 XOP.W = 1 时，由 imm[7:4] 提供
src3：当 XOP.W = 0 时，由 imm[7:4] 提供
　　　当 XOP.W = 1 时，由 ModRM.r/m 提供

(2) 3 个 operands 的寻址
dest：ModRM.reg 提供
src1：当 XOP.W = 0 时，由 ModRM.r/m 提供
　　　当 XOP.W = 1 时，由 XOP.vvvv 提供
src2：当 XOP.W = 0 时，由 XOP.vvvv 提供
　　　当 XOP.W = 1 时，由 ModRM.r/m 提供

无需 imme[7:4]


(3) 2 个 operands 的寻址
dest：ModRM.reg 提供
src1：ModRM.r/m 提供

XOP.vvvv = 1111

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　　对于 operands 寻址，AMD 都有明文规定，文档上都写得清清楚楚。而 Intel 文档表现得含糊，在 AVX 指令的描述上，Intel 只明文规定 VEX.vvvv 提供哪个操作数的寻址。其余的 operands 要靠理解。
　　这是 AMD 比 Intel 做得好的一点。



:wink:

mik

5、XOP/FMA4 指令实例解析

　　为什么要扯上 FMA4 指令？FMA4 指令又是什么一回事？

----- FMA 是 AVX 指令集中的一部分。
     Intel 的 FMA 指令是 3 operands 的，被称为 FMA3，而 AMD 的 FMA 是 4 operands 的，被称为 FMA4，AMD 认为 4 operands 更能提供效率。



1、　XOP 指令解析
　　
指令：vpmacsdd   xmm0, xmm8, [r9], xmm1
                        -----  -----   ---  -----
                          |        |        |      |
                          +-----+------+----+--------------> dest: ModRM.reg
                                   |         |      |
                                   +------+----+--------------> src1: XOP.vvvv
                                             |      |
                                             +----+--------------> src2: ModRM.r/m
                                                    |
                                                    +--------------> src3:  imme[7:4]


8F     110     01000        0    0111  0  00          9E        00-111-110       1110 0000
        ---      ------       -     ----   -  --          --         -----------       ----------
        RXB    mmmmm      W   vvvv   L  pp       opcode     mod-reg-r/m        imme


整条指令的 encode 是： 8F C8 38 9E 3E E0


(1) 8F 是 XOP.8F

(2) XOP.RXB = 110（反码形式）
　　XOP.R 扩展 ModRM.reg = [XOP.R+ModRM.reg] = 1111，也就是 xmm0
　　XOP.X 无用
　　XOP.B 扩展 ModRM.r/m = [XOP.B+ModRM.r/m] = 0110，它是寄存器 r9

(3) XOP.W = 0
　　XOP.W 设为 0 则为 ModRM.r/m 寻址 src2，在这里必须由 ModRM.r/m 来寻址 src2，所以 XOP.W 必须为 0

(4) XOP.vvvv = 0111（反码形式）
　　XOP.vvvv = 0111 也就是 xmm8，它用来寻址 src1

(5) XOP.L = 0
　　这里是 128 位数据

(6) XOP.pp = 00
　　对于 XOP 指令来说，并不需要 SIMD prefix

(7) opcode
　　9E 是它的 opcode

(8 ) ModRM 字节
mod-reg-r/m = 00-111-110

mod = 00 时，提供 [base] 寻址，这里它提供了 [r9] 寻址
reg = 111（反码）时：与 XOP.R 组合起来是 1111，就是 xmm0，它是 dest 操作数
r/m = 110（反码）时：与 XOP.B 组合起来是 0110，就是 [r9] 内存操作数，它是 src2 操作数。


(9) imme = 1110 0000 （反码形式）

imme[7:4] = 1110 也就是 xmm1，它是 src3 操作数。






2、FMA4 指令解析

指令：
　　vfmaddpd ymm0, ymm8, ymm1, [r9]
                   -----   -----  -----   ----
                      |         |       |        |
                      +------+-----+-----+-----------> ModRM.reg
                                |       |        |
                                +-----+-----+-----------> VEX.vvvv
                                         |        |
                                         +-----+-----------> imme[7:4]（VEX.W = 1)
                                                  |
                                                  +-----------> ModRM.r/m

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　　这是一条 FMA4 指令，实际上就是一条 AVX 指令。因此，它要遵循 AVX 指令编码的规范。但 AMD 将它更细化，使用 EX.W 来决定 src2 与 src3 的寻址。



C4    110   00011     1  0111  1  01      69       00 111  110      1110 0000
        ---   ------    -   -----  -  --      ---      -----------       ---------
       RXB  mmmmm   W  vvvv  L  pp   opcode   mod-reg-r/m      imme[7:4] = 1110


这条指令最终的 encode 是： C4 C3 BD 69 3E E0



(1)　VEX.C4

　　byte0 是 C4，它的 AVX 指令。


(2)  VEX.RXB = 110（反码）

VEX.R = 1：和 ModRM.reg 组合起来是 1111，也就是 ymm0
VEX.X = 1: 无使用
VEX.B = 0：和 ModRM.r/m 组合起来是 0110，也就是 r9 寄存器


(3) VEX.mmmmm = 00011
　　
VEX.mmmmm = 00011 它提供 escape prefix 是 0F3A


(4)  VEX.W = 1

VEX.W 是对 opcode 的补充说明，对于 AMD 来说是 operands 补充说明，对于 Intel 来说是 OES（operands elment size）的补充说。

VEX.W = 1，表明 src3（最后1个操作数） 由 ModRM.r/m 提供，而不是 imme[7:4] 提供


(5)  VEX.vvvv = 0111 （反码）

VEX.vvvv 这里提供 src1 寻址。
VEX.vvvv 是反码形式，它值为 0111，实际上是 1000 （ID），因此它是 ymm8 寄存器


(6) VEX.L = 1
　　操作数是 256 位



(7) VEX.pp = 01

VEX.pp =  01，表示指令的 SIMD prefix 是 66



(8 ) 69

这是指令的 opcode 码



(9) ModRM = 00-111-110（反码）

ModRM.mod = 00，为 ModRM.r/m 提供 [base] 的寻址模式
ModRM.reg = 111，与 VEX.R 组合起来是 1111，也就是 ymm0
ModRM.r/m = 110，与 VEX.B 组合起来是 0110，反码形式是 1001，即表示 r9 寄存器
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因此，ModRM 提供的寻址是 reg ＝　ymm0
                                   r/m =   [r9]



(10) imme = 11100000（反码）

imme[7:4] = 1110，表示为 ymm1 寄存器






由此可见：

　　AMD 的指令集里包含了兼容的 AVX 和 FMA（FMA4）指令，也就属于自己扩展的 XOP 指令。







------（完）-------
:wink:

[ 本帖最后由 mik 于 2009-5-18 23:41 编辑 ]