高效率的3D图形数学库(2)---SSE与矩阵相乘

这次将介绍SSE扩展指令集，以及矩阵乘法的优化，不喜汇编者请发送WM_CLOSE消息！！ 闲话就不说了，SSE指令的历史到处都是，主要说说我对指令集的原理、作用和用法的理解。 SSE指令集的最大有点就是能够 4个float并行运算，与其说这恰好符合图形算法，到不如说就是为图形编程设计的。比如说，两个向量相加，x1+x2, y1+y2, z1+z2, w1+w2。用了4条加法指令，不如来一条省事。这就是SSE能为我们做的。这里要介绍8个寄存器：xmm0, xmm1, xmm2...xmm6, xmm7，这些寄存器都是128位的，每个寄存器都可以存放4个float，所以，x1, y1, z1, w1这4个float型可以放在xmm0中，而x2, y2, z2, w2可以放在xmm1中，于是 xmm0 += xmm1，结果就保存在xmm0寄存器了！下面是代码: struct Vector {        float x, y, z, w;        void Add(const Vector* pIn)        {           _asm           {              mov  eax, pIn;   // 这里其实应该是 mov eax, dword ptr[pIn];              mov  ecx, this;              movups  xmm0, [ecx];   // 把this的xyzw放入xmm0              movups  xmm1, [eax];   // 把pIn的xyzw放入xmm1              addps   xmm0, xmm1;    // xmm0 += xmm1              movups  [ecx], xmm0;     // 把xmm0的值给this              mov     [ecx+12], 3F800000h    // 别忘了给w = 1.0f           }        } } 其实也就这么简单，movups是把内存中的向量放入寄存器，或者把寄存器中的向量放回内存，总之是一次移动128个位的一条指令,这个指令比普通的MOV指令要慢70%左右，比浮点乘法要慢的多了，大量的时间花在了movups上。所以说，简单的算法不值得去用SSE指令。 这个向量加法指令很可能会比下面的算法更慢： void Add(const Vector* pIn) {     x += pIn->x;     y += pIn->y;     z += pIn->z;     w += pIn->w; } 那么，如果我要让一个向量的xyzw这4个float同时去加上同一个float值怎么办呢？比方说，我要让在xmm0中的xyzw同时加上float型变量h，就会像下面这样去做： float h = ...; _asm { movss  xmm1, h shufps xmm1, xmm1, 0 addps  xmm0, xmm1 } 好了，出现2个新的指令： movss和shufps。 movss是将一个32位的值移动到一个128位寄存器的低32位中。也就是说，这时xmm1中的4个32位区块中只有第0个区块是存放了h的值。 这时，我想让其他3个区块也存放同样的值，以便对xmm0进行并行加法处理，于是用到了下面的指令———— shufps是用来将128位寄存器中4个区块的数值进行相互调换、拷贝或覆盖，就像洗牌一样，所以叫做洗牌指令。我们现看该指令的第3个操作数是 0，该操作数是8位的，0 = 00 00 00 00，你看，我把8位数分成了4份，每一份都表示了一个寄存器区间。 00就是第0个区块 01就是第1个区块 10就是第2个区块 11就是第3个区块 shufps  dest, src, 00 00 00 00 我们将根据第3个操作数，从src中选取区间，并把该区块中的数给拖到dest相应的区块内。这里的操作数4个都是0，所以，dest的4个区块中存放的都是src中第0个区间的值。而dest和src是同一个寄存器的时候，就会是自我洗牌。于是xmm1中的4个区块存放的都是xmm1第0个区块的值。下面的示例会帮助你更好的理解这个问题： dest =  w1, z1, y1, x1 src  =  w2, z2, y2, x2 经过该指令： shufps  dest, src, 01 11 00 10 得到该结果： dest =  y2, w2, x2, z2 看下面的会更清晰： dest第3区块 _14 = pIn1->_11*pIn2._14 + pIn1->_12*pIn2._24 + pIn1->_13*pIn2._34 + pIn1->_14*pIn2._44; pOut->_21 = pIn1->_21*pIn2._11 + pIn1->_22*pIn2._21 + pIn1->_23*pIn2._31 + pIn1->_24*pIn2._41; pOut->_22 = pIn1->_21*pIn2._12 + pIn1->_22*pIn2._22 + pIn1->_23*pIn2._32 + pIn1->_24*pIn2._42; pOut->_23 = pIn1->_21*pIn2._13 + pIn1->_22*pIn2._23 + pIn1->_23*pIn2._33 + pIn1->_24*pIn2._43; pOut->_24 = pIn1->_21*pIn2._14 + pIn1->_22*pIn2._24 + pIn1->_23*pIn2._34 + pIn1->_24*pIn2._44; pOut->_31 = pIn1->_31*pIn2._11 + pIn1->_32*pIn2._21 + pIn1->_33*pIn2._31 + pIn1->_34*pIn2._41; pOut->_32 = pIn1->_31*pIn2._12 + pIn1->_32*pIn2._22 + pIn1->_33*pIn2._32 + pIn1->_34*pIn2._42; pOut->_33 = pIn1->_31*pIn2._13 + pIn1->_32*pIn2._23 + pIn1->_33*pIn2._33 + pIn1->_34*pIn2._43; pOut->_34 = pIn1->_31*pIn2._14 + pIn1->_32*pIn2._24 + pIn1->_33*pIn2._34 + pIn1->_34*pIn2._44; pOut->_41 = pIn1->_41*pIn2._11 + pIn1->_42*pIn2._21 + pIn1->_43*pIn2._31 + pIn1->_44*pIn2._41; pOut->_42 = pIn1->_41*pIn2._12 + pIn1->_42*pIn2._22 + pIn1->_43*pIn2._32 + pIn1->_44*pIn2._42; pOut->_43 = pIn1->_41*pIn2._13 + pIn1->_42*pIn2._23 + pIn1->_43*pIn2._33 + pIn1->_44*pIn2._43; pOut->_44 = pIn1->_41*pIn2._14 + pIn1->_42*pIn2._24 + pIn1->_43*pIn2._34 + pIn1->_44*pIn2._44; } else { _asm { mov edx, pIn2; // 这时保存的是pIn2 movups xmm4, [edx]; //pIn2的第1行 movups xmm5, [edx+16]; //pIn2的第2行 movups xmm6, [edx+32]; //pIn2的第3行 movups xmm7, [edx+48]; //pIn2的第4行 mov eax, pIn1; // 这时保存的是pIn1 mov edx, pOut; mov ecx, 4; // 循环4次 LOOPIT: // 开始循环 movss xmm0, [eax]; xmm0 = pIn1->x shufps xmm0, xmm0, 0; 洗牌xmm0 = pIn1->x, pIn1->x, pIn1->x, pIn1->x mulps xmm0, xmm4; movss xmm1, [eax+4]; xmm1 = pIn1->y shufps xmm1, xmm1, 0; 洗牌xmm1 = pIn1->y, pIn1->y, pIn1->y, pIn1->y mulps xmm1, xmm5; movss xmm2, [eax+8]; xmm2 = pIn1->z shufps xmm2, xmm2, 0; 洗牌xmm2 = pIn1->z, pIn1->z, pIn1->z, pIn1->z mulps xmm2, xmm6; movss xmm3, [eax+12]; xmm3 = pIn1->w shufps xmm3, xmm3, 0; 洗牌xmm3 = pIn1->w, pIn1->w, pIn1->w, pIn1->w mulps xmm3, xmm7; addps xmm0, xmm1; addps xmm2, xmm3; addps xmm0, xmm2; 最终结果行保存在xmm0 movups [edx], xmm0; 将结果保存到pOut中 add edx, 16; add eax, 16; 作为变址用 loop LOOPIT; } } } 这里的汇编对照上面的一般算法就很容易理解。下回我会说说矩阵类的关键算法。