1 IA MMX^TM技術(shù)簡介
　　個人計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜度和數(shù)量的急劇增長，對微處理器的性能提出了更高的要求。其中以視頻、3D圖形、動畫、音頻和虛擬現(xiàn)實為特征的應(yīng)用更是對微處理器的性能提出嶄新的要求。IA MMX^TM技術(shù)應(yīng)運而生。它的設(shè)計目的就是用來加強(qiáng)多媒體和通信方面的應(yīng)用。這一技術(shù)包括新的指令和數(shù)據(jù)類型。IA MMX^TM技術(shù)介紹了一些新的通用指令，這些指令以并行處理的方式完成對一個64位數(shù)據(jù)組中的多個數(shù)據(jù)元素的操作。IA MMX^TM指令集在不增加新的模式并保持對操作系統(tǒng)的透明性的基礎(chǔ)上，形成了一個簡單而靈活的軟件模型。IA MMX^TM技術(shù)定義了57條新的指令、8個64位寬度的IA MMX^TM 寄存器和四種新數(shù)據(jù)類型。
　　IA MMX^TM 技術(shù)最重要的特點是單指令多操作數(shù)據(jù)(SIMD)，這一技術(shù)允許一條指令并行處理多個數(shù)據(jù)元素。正是這種并行處理的能力極大地提高了應(yīng)用程序的性能。IA MMX^TM指令處理定點數(shù)，多個整數(shù)字節(jié)、字或雙字被組合在一個單獨的64位IA MMX^TM寄存器中。定點值的小數(shù)點位置由程序員自己決定，這樣保證了處理數(shù)據(jù)精度的靈活性。在IA MMX^TM技術(shù)中支持有符號和無符號的定點整數(shù)字節(jié)、字、雙字和四字的各種運算。
　　Intel Pentium處理器是先進(jìn)的超標(biāo)量處理器，它建立在兩個通用整數(shù)流水線和一個可流水作業(yè)的浮點處理單元之上。一個軟件透明的動態(tài)分支預(yù)測機(jī)制使得流水線阻塞降低到最小。帶有IA MMX^TM 技術(shù)的Intel Pentium處理器給流水線加入新的處理階段。Intel Pentium處理器能在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條指令，每條流水線執(zhí)行一條指令。第一條邏輯流水線稱為U流水線，第二條稱為V流水線。在任何指令的解碼期間，下兩條指令被檢查，如果可能，它們被分別送入U、V流水線；否則，下一條指令送入U流水線，而沒有指令送入V流水線。IA MMX^TM技術(shù)指令通過指令調(diào)度可以充分利用Intel Pentium處理器的雙流水線機(jī)制以提高程序的運行速度。IA MMX^TM 寄存器和狀態(tài)是IA浮點寄存器和狀態(tài)的別名，這保證了IA MMX^TM技術(shù)與現(xiàn)有的操作系統(tǒng)和應(yīng)用的完全兼容性。但是應(yīng)用浮點操作和IA MMX^TM指令混合編程時，浮點操作指令流和IA MMX^TM指令流必須分開并且在執(zhí)行完離開時要進(jìn)行必要的清理工作，在IA MMX^TM技術(shù)指令后要寫一條EMMS指令，在浮點操作完成后要清空浮點寄存器堆棧。IA MMX^TM技術(shù)指令集如表1所示。

　　由于IA 體系的復(fù)雜性和IA MMX^TM技術(shù)的本身特點，開發(fā)一個應(yīng)用IA MMX^TM技術(shù)的應(yīng)用程序?qū)⑹潜容^復(fù)雜的，涉及到許多方面。其中主要有應(yīng)用的特點是否適應(yīng)IA MMX^TM技術(shù)的要求，算法是否具有強(qiáng)的并行特點。這是決定應(yīng)用IA MMX^TM技術(shù)的前提條件。具體在編程時要進(jìn)行優(yōu)化，一般的優(yōu)化策略包括地址生成互鎖(AGI)優(yōu)化、代碼及數(shù)據(jù)對齊、避免部分寄存器阻塞、分支預(yù)測信息和指令的合理調(diào)度。另外指令選擇優(yōu)化、內(nèi)存優(yōu)化和高速緩存優(yōu)化也極大地制約了應(yīng)用的性能。
2 圖象處理中的DCT和IDCT
　　在圖象處理中，離散余弦變換(DCT)及其反變換(IDCT)一直是運動估計/補(bǔ)償變換編解碼系統(tǒng)的速度瓶頸。盡管出現(xiàn)了大量的快速算法，但是由于圖象處理數(shù)據(jù)量非常大，使得這一系統(tǒng)在實時應(yīng)用中性能不佳。注意到圖象處理的DCT中，輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)都是整數(shù)，基于這一特點本文介紹了應(yīng)用奔騰處理器IA MMX^TM技術(shù)，選擇特定的快速算法，將8×8塊的DCT和IDCT的速度提高了3倍以上。限于篇幅，這里只介紹DCT。
2.1采用行列快速算法DCT
　　在計算二維N×N點DCT時、一種常用的算法是采用行列快速算法。該算法首先按行計算N個一維DCT，再按列計算N個一維DCT，從而把乘法的計算量減少到直接計算的一半，其算法規(guī)律性強(qiáng)，便于程序?qū)崿F(xiàn)。
　　c(u)＝α(u)∑f(n)cos[πu(2n＋1)/2N]　　　　　　　　(1)
　　(1)式給出了計算公式、這里、α(0)＝1/、 α(u)＝，u≠0。直接計算一個1D N點DCT的乘法次數(shù)為N²次。通過研究DCT的特點，Chun－Yen Lu和Kuei－Ann Wen提出了系數(shù)選擇8點一維DCT模式，現(xiàn)在簡單介紹其方法。實數(shù)序列{f(n):n＝0、1、...、N－1}的1D DCT－II可以表述如下：
　　在這里我們設(shè)定N＝8、對于(1)式我們定義如下的系數(shù)矩陣F(n)和數(shù)據(jù)矩陣D(n)：
　　

　　
　　從(2)式可以看出，1D8點DCT的計算可以分解為以下幾步：
　　·計算數(shù)據(jù)向量D；
　　·通過排列矩陣P重新排列D0，D1，D2和D3，即：D’＝PD；
　　·計算SFD’，相應(yīng)的余弦系數(shù)集通過選擇矩陣Si從F中選擇。
　　通過這一過程，我們不難看出，系數(shù)選擇模式1D 8點DCT具有簡明的規(guī)律性，便于程序?qū)崿F(xiàn)。
2.2 算法的IA MMX^TM技術(shù)實現(xiàn)
2.2.1 對上述算法的改進(jìn)
　　簡單地利用(2)式來計算DCT，并不能充分發(fā)揮IA MMX^TM技術(shù)的優(yōu)越性能，我們對(2)式做如下變形：
　　

　　u＝0、1...7。[D′(u)]^T是8點數(shù)據(jù)的規(guī)律性組合(見D(u)、區(qū)別是分別去掉了系數(shù)1、p(n)、q(n)、r(n))，是DCT的固定部分，對于不同數(shù)據(jù)的DCT保持不變。 從而將DCT分為固定部分[[S_uF] [P_uD_c(u)]]^T，和數(shù)據(jù)部分D′(u)。這樣計算時可以首先計算[[S_uF][P_uDc(u)]]^T并制成表存儲起來，程序中通過查表獲取乘法因子。從而使得1D8點DCT的計算變得適合IA MMX^TM技術(shù)的實現(xiàn)。
2.2.2 將浮點運算轉(zhuǎn)換為整數(shù)運算
　　雖然通過算法的改進(jìn)使之適合程序?qū)崿F(xiàn)、但是在算法中仍然存在浮點乘法、對于數(shù)字視頻，其象素的各個分量一般為8位整數(shù)，為了消除浮點運算，將余弦系數(shù)擴(kuò)大65536倍，相當(dāng)于左移16位，因為這里的余弦系數(shù)都小于1/2，因此擴(kuò)大后的數(shù)據(jù)不會超出16位有符號短整型數(shù)據(jù)的范圍。這樣就把浮點運算轉(zhuǎn)化為整型運算。制定如下數(shù)組：
　　short A^[8][4]＝{{iA1、iA1、iA1、iA1}、{iC1、iC2、iC3、iC4}、{iB1、iB2、－iB2、－iB1}、{iC2、－iC4、－iC1、－iC3}、{iA1、－iA1、－iA1、iA1}、{iC3、－iC1、iC4、iC2}、{iB2、－iB1、iB1、－iB2}、{iC4、－iC3、iC2、－iC1}};
　　其中iA1＝A1×65536，iBu＝Bu×65536，iCj＝Cj×65536，u＝1，2；j＝1，2，3，4。注意到該數(shù)組共占用8×4×2＝64個字節(jié)，正好是奔騰處理器高速緩存線的整數(shù)倍，并且要把數(shù)組的起始位置放在32字節(jié)邊界上，這樣就可以優(yōu)化高速緩存的線讀入。
2.2.3 輸入數(shù)據(jù)格式
　　假設(shè)輸入是按自然順序的8點數(shù)據(jù)，由D(n)的定義、在處理前要對后四點進(jìn)行反序調(diào)整、既將前四點按順序放入MMX^TM寄存器中、并將其擴(kuò)展成16位數(shù)據(jù)、將后四位反序后以同樣的格式放入另一個MMX^TM寄存器中。這樣可以用以下三條指令得出f(i)±f(7－i)、i＝0、1、2、3。(設(shè)前四個放在MM0中、后四個放在MM2中)。
　　MOVQ MM1、MM0
　　PADDSW MM0、MM2 //MM0存放四個和值
　　PSUBSW MM1、MM2 //MM1存放四個差值
　　這樣、MM0和MM1為分別對應(yīng)n為偶數(shù)和奇數(shù)的情況。調(diào)整好輸入數(shù)據(jù)的格式將為IA MMX^TM技術(shù)指令的應(yīng)用提供極大方便。
2.2.4 乘法運算與精度問題
　　通過以上的準(zhǔn)備工作，接下來就是依次計算8個DCT系數(shù)C(u)(u＝0、1...7)了。這涉及到指令選擇的優(yōu)化問題，從公式(3)我們知道，對于每個DCT系數(shù)C(u)是四個并行16位×16位的整數(shù)乘積的和，為了保證精度要求結(jié)果保留32位。在IA MMX^TM技術(shù)指令集中，PMADDWD 正好完成這一并行乘法運算和兩個乘積的和值計算，只要再做一次和就可以得出結(jié)果。另外，要根據(jù)n是偶數(shù)或奇數(shù)選擇f(i)±f(7－i)。下面是PMADDWD的操作示例：

　　在做完乘法和加法以后，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行右移16位，相當(dāng)于除以65536，這樣就將數(shù)據(jù)還原為其真實值了。如果要進(jìn)一步提高精度可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行四舍五入處理，關(guān)于這一點在此不做詳細(xì)說明。鑒于程序流程簡單明了，其流程圖和程序清單就不在此占用篇幅了。
　　在實際編程中，必須注意指令的調(diào)度問題，這也是程序優(yōu)化的很關(guān)鍵的一個方面。下面就IA MMX^TM技術(shù)指令與整型指令的配對規(guī)則做簡要介紹。
　　· 整型指令的配對規(guī)則如表2
　　· MMX^TM技術(shù)指令的配對

　　(1)由于僅有一個MMX^TM移位單元，所以兩條MMX^TM移位單元的MMX^TM指令不能配對。移位操作可以在U流水線或V流水線中進(jìn)行，但不能在同一個時鐘周期內(nèi)的兩個流水線中處理。
　　(2) 同樣，兩條MMX^TM乘法指令不能配對。
　　(3) 無論是對內(nèi)存還是對整數(shù)寄存器的文件訪問的MMX^TM指令僅被U流水線處理。
　　(4) U流水線指令的MMX^TM目的寄存器不與V流水線指令的源或目的寄存器配對。
　　(5) EMMS指令不可配對。
　　· U流水線中的整數(shù)指令和V流水線中的MMX^TM技術(shù)指令配對規(guī)則
　　(1)在浮點指令之后的第一條指令不能是MMX^TM技術(shù)指令。
　　(2)V流水線的MMX^TM指令不能訪問內(nèi)存或整數(shù)寄存器文件。
　　(3)U流水線整數(shù)指令是可配對的U流水線整數(shù)指令。
　　· U流水線中的MMX^TM技術(shù)指令和V流水線中的整數(shù)指令配對規(guī)則
　　(1)V流水線整數(shù)指令是可配對的V流水線整數(shù)指令。
　　(2)U流水線MMX^TM指令不能對內(nèi)存或整數(shù)寄存器存取。
　　根據(jù)以上配對原則，相信讀者可以自己安排程序中的指令配對。
　　該程序雖然占用了不多的存儲單元，但是(接上頁)
　　卻極大地提高了運算速度，由于大存儲量的存儲體價格較低，因此這一點并不重要。
　　除此之外，筆者還在運動估計搜索算法中應(yīng)用IA MMX^TM技術(shù)，同樣性能顯著地提高了。
　　總之，IA MMX^TM技術(shù)在數(shù)據(jù)處理的許多算法中都能發(fā)揮優(yōu)越的性能，能夠成倍地提高運行速度。目前在多媒體應(yīng)用中，離散余弦變換(DCT)是經(jīng)常用到的變換編碼技術(shù)，因此提高DCT的速度一直是這一應(yīng)用領(lǐng)域中的關(guān)鍵。利用IA MMX^TM技術(shù)在不增加其他硬件的情況下，充分發(fā)揮Intel Pentium處理器的性能可以輕松地完成這一任務(wù)。在多媒體應(yīng)用中，IA MMX^TM技術(shù)大大降低了程序?qū)μ幚砥鞯恼加寐?，使處理器能夠同時更有效地執(zhí)行其他任務(wù)。
參考文獻(xiàn)
1 Intel Architecture MMX^TM Technology Programmer＇s Reference Manual.1996
2 Intel Architecture MMX^TM Technology Manual.1996.
3 [美]Intel公司著，李暉譯.Intel體系結(jié)構(gòu)MMX^TM技術(shù)開發(fā)指南.北京：電子工業(yè)出版社，1997
4 Chung－Yen Lu，Kuei－Ann Wen.On the Design of Selective Coefficient DCT Module.IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY、1998；8(2)(收稿日期：1999－12－29)