AVX2指令集详细阐述

发布时间：2023-05-19

一、指令集介绍

AVX2即Advanced Vector Extensions 2，是Intel推出的扩展指令集，主要针对SIMD(Single Instruction Multiple Data)操作。 与SSE(SIMD Extensions)指令集相比，AVX2指令集可以处理更多的数据，同时对于一些复杂的计算可以降低运算的时间和成本。 在AVX2指令集中，可以同时处理256位的数据，也就是可以同时进行8个64位的数据的计算。

二、数据的加载与存储

在使用AVX2指令集进行计算的时候，首先需要将需要处理的数据加载到处理器中，然后计算后再存储回内存中。 AVX2指令集提供了多种数据的加载与存储指令，其中最常用的指令包括：

vmovdqa    xmm1, [rdi]      ;将8个数据从rdi指针指向的内存地址加载到xmm1寄存器中
vpmovzxwd  ymm1, [rdi]      ;将16个无符号16位数据从rdi指针指向的内存地址加载到ymm1寄存器中，其余的位数为0
vpmovsxdq  ymm1, [rdi]      ;将8个有符号64位数据从rdi指针指向的内存地址加载到ymm1寄存器中，其余的位数为0
vpmovsqd   [rdi], ymm1      ;将8个有符号64位数据从ymm1寄存器存储到rdi指针指向的内存地址中
vzeroupper                 ;清空ymm寄存器的上半部分，以便正确执行SSE指令

三、算术运算

AVX2指令集提供了多种算术运算指令，包括加、减、乘、除和求模等，其中比较常用的指令如下：

vaddpd    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数相加，结果存放到ymm1寄存器中
vsubpd    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数相减，结果存放到ymm1寄存器中
vmulpd    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数相乘，结果存放到ymm1寄存器中
vdivpd    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数相除，结果存放到ymm1寄存器中
vpsrldq   ymm1, ymm2, 4         ;将ymm2寄存器中的16个字节向右移4个字节，结果存放到ymm1寄存器中
vpmullw   ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的16个无符号16位数据相乘，结果存放到ymm1寄存器中
vpaddq    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个64位整数相加，结果存放到ymm1寄存器中

四、逻辑运算

AVX2指令集还提供了多种逻辑运算指令，包括与、或、非、异或和移位等，常用指令如下：

vandpd   ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数按位相与，结果存放到ymm1寄存器中
vorpd    ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数按位相或，结果存放到ymm1寄存器中
vandnpd  ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数按位与非，结果存放到ymm1寄存器中
vxorpd   ymm1, ymm2, ymm3      ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数按位异或，结果存放到ymm1寄存器中
vpslld   ymm1, ymm2, 4         ;将ymm2寄存器中的8个有符号32位数据向左移4个位，结果存放到ymm1寄存器中
vpsrld   ymm1, ymm2, 4         ;将ymm2寄存器中的8个有符号32位数据向右移4个位，结果存放到ymm1寄存器中

五、条件运算

AVX2指令集还提供了多种条件运算指令，包括比较运算和条件选择等，常用指令如下：

vpcmpeqd   ymm1, ymm2, ymm3     ;比较ymm2和ymm3两个寄存器中的8个32位整数是否相等，结果存放到ymm1寄存器中
vpcmpgtq   ymm1, ymm2, ymm3     ;比较ymm2和ymm3两个寄存器中的8个64位整数的大小关系，结果存放到ymm1寄存器中
vblendpd   ymm1, ymm2, ymm3, 1  ;将ymm2和ymm3两个寄存器中的8个双精度浮点数按照条件1进行选择，结果存放到ymm1寄存器中

六、汇编示例

下面是一个简单的AVX2汇编示例，实现了将两个向量相乘，结果存在另一个向量中：

.data
x: .double 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0
y: .double 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0
z: .double 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0
.section .text
.globl main
main:
    mov     $8, %rax              ;将向量长度存储到寄存器rax中
    lea     x(%rip), %rdi         ;将向量x的地址存储到寄存器rdi中
    lea     y(%rip), %rsi         ;将向量y的地址存储到寄存器rsi中
    lea     z(%rip), %rdx         ;将向量z的地址存储到寄存器rdx中
    vmovupd (%rdi), %ymm0         ;将向量x的前四个元素加载到ymm0寄存器中
    vmovupd (%rsi), %ymm1         ;将向量y的前四个元素加载到ymm1寄存器中
    vmulpd  %ymm0, %ymm1, %ymm2   ;将ymm0和ymm1两个寄存器中的8个双精度浮点数相乘，结果存放到ymm2寄存器中
    vmovupd %ymm2, (%rdx)         ;将向量z的前四个元素存储到内存中
    add     $32, %rdi             ;向量x的地址移动到下一个元素
    add     $32, %rsi             ;向量y的地址移动到下一个元素
    add     $32, %rdx             ;向量z的地址移动到下一个元素
    dec     %rax                  ;寄存器rax减1
    jnz     main                  ;若rax不为0，则跳转到main循环重新执行上述指令
    xor     %eax, %eax            ;将eax寄存器的值置0，然后返回
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