MMX 技术于 1997 年 1 月商业化推出，是 Intel 架构的扩展，它使用单指令多数据执行模型，允许同时处理多个数据元素。MMX 技术适用于那些使用小整数进行大量可并行计算的应用程序。这些应用程序的示例包括 2D/3D 图形、图像处理、虚拟现实、音频合成和数据压缩。

如果您的 Linux 系统配备了奔腾 II 或带有 MMX 技术的奔腾处理器，您可以使用 gcc 和少量汇编语言来构建利用 MMX 指令集的程序。在本文中，我将简要介绍 MMX 技术的主要特性，解释如何检测 x86 微处理器是否具有内置 MMX 功能，并展示如何编写一个简单的图像处理应用程序。

本文提供的汇编语言代码使用了 NASM，即 Netwide Assembler。NASM 采用标准的 Intel 语法，而不是许多流行的 UNIX 汇编器（如 GAS）使用的 AT&T 语法。

图 1. MMX 寄存器集

MMX 技术通过增加八个 64 位寄存器和 57 条指令来扩展 Intel 架构。新寄存器命名为 MM0 到 MM7（见图 1）。根据我们使用的指令，每个寄存器可以解释为一个 64 位四字、两个压缩的 32 位双字、四个压缩的 16 位字或八个压缩的 8 位字节（见图 2）。

图 2. MMX 数据类型

MMX 指令集包含几个类别的指令，包括用于算术、逻辑、比较、转换和数据传输操作的指令。

MMX 指令的语法与其他 x86 指令类似

OP Destination, Source

此行被解释为

Destination = Destination OP Source

在运行使用 MMX 指令的程序之前，务必确保您的微处理器实际上支持 MMX。您的 Linux 系统应该是 Intel x86 或兼容的微处理器（386、486、奔腾、奔腾 Pro、奔腾 II 或任何 Cyrix 或 AMD 克隆产品）。这可以通过执行 uname -m 命令轻松检查。此命令应返回 i386、i486、i586 或 i686。如果不是，则您的 Linux 系统运行在非 x86 架构上。

为了确定您的 CPU 是否支持 MMX 技术，请使用汇编语言 CPUID 指令。此指令揭示重要的处理器信息，例如其供应商、系列、型号和缓存信息。不幸的是，CPUID 指令仅存在于一些较晚的 80486 处理器及更高版本中。那么，您如何知道您的系统上是否可以使用 CPUID 呢？Intel 文档记录了以下技巧：如果您的程序可以修改 EFLAGS 寄存器的第 21 位，则 CPUID 指令可用；否则，您正在使用老旧的 CPU。请参阅清单 1（第 12-29 行）以了解如何完成此操作。

清单 1。

接下来，通过在 EAX 寄存器中放入值 1 并执行指令来请求 CPU 功能信息。结果值在 EDX 寄存器的第 23 位返回。如果此位为开启，则处理器支持 MMX 指令集；否则，它不支持。清单 1（第 43-50 行）显示了如何执行此操作。

程序应包含同一例程的两个版本：一个使用 MMX 技术，另一个使用常规标量代码。在运行时，程序可以决定实际应调用哪个例程。

如果在不支持 MMX 指令的系统中执行 MMX 指令，CPU 将引发“无效操作码异常”（中断向量号 6），该异常会被 Linux 内核捕获。Linux 内核反过来向违规进程发送“非法指令信号”（代码号 4）。默认情况下，此操作会终止程序并生成核心文件。

图 3. 原始灰度图像

假设我们有一个灰度位图图像，如图 3 所示。每个像素存储在一个无符号 8 位字节中，该字节包含在数组中。较小的数字表示较暗的灰色调，而较大的数字表示较亮的色调。数字 0 和 255 分别表示纯黑色和白色。为了代码的简洁性，此程序中使用的图像（请参见存档文件中的清单 2）使用了 Microsoft Windows 的灰度 BMP 文件格式。John Bradley 的 xv 实用程序可以在 Linux 下轻松用于创建和显示此类位图图像。

为了使图像更亮，我们只需要向其每个像素添加一个正整数（例如 64 十六进制）。在 C 语言中，我们将得到如下代码

#define BRIGHTENING_CONSTANT 0x64
unsigned char bitmap[BITMAP_SIZE];
size_t i;
/* Load image somehow ... */
for(i = 0; i < BITMAP_SIZE; i ++)
  bitmap[i] += BRIGHTENING_CONSTANT;

图 4. 使用回绕算术的亮度增强图像

不幸的是，我们最终得到了图 4 中的不 желаемый 图像。发生这种情况是因为回绕；如果加法的结果溢出（即超过 255，这是无符号 8 位字节的上限），则结果将被截断，以至于仅考虑较低（最低有效）位。例如，将 100（64 十六进制）添加到像素值 250（几乎纯白色）得到如下结果。

    250 decimal       11111010 binary
  + 100 decimal    +  01100100 binary
  -------------    ------------------
  = 350 decimal    = 101011110 binary   Overflow
                                        produced
  =  94 decimal    =  01011110 binary   Take the 8
                            least significant bits

结果是 94，它产生较暗的灰色而不是更亮的灰色，从而导致可观察到的反转效果。

我们需要的是，每当加法超过最大限制时，结果都应饱和（裁剪到预定义的数据范围限制）。在这种情况下，饱和值为 255，它表示纯白色。以下 C 代码片段处理饱和

int sum;
for(i = 0; i < BITMAP_SIZE; i ++)
  {
  sum = bitmap[i] + BRIGHTENING_CONSTANT;
  /* UCHAR_MAX is defined in <limits.h>
   * and is equal to 255u */
  if(sum > UCHAR_MAX)
    bitmap[i] = UCHAR_MAX;
  else
    bitmap[i] = (unsigned char) sum;
  }

现在我们获得了图 5 中显示的图像，该图像正如我们所期望的那样被亮度增强了。

图 5. 使用饱和算术的亮度增强图像

图 6. 使用饱和的无符号字节压缩加法

MMX 技术允许我们仅使用一条指令 paddusb 对八个无符号字节并行执行此饱和算术加法。图 6 显示了此指令的工作原理示例。我们的图像亮度增强算法（请参见清单 1，从第 61 行开始）可以描述如下

步骤 1 和 3 中使用的 movq MMX 指令将 64 位从源操作数复制到目标操作数。

每当我们完成执行 MMX 指令时，应使用 emms 指令（清单 1，第 81 行）来清除 MMX 状态。这是一个重要的问题，特别是如果我们的程序中随后有任何浮点指令。为了使 MMX 技术与现有的操作系统和应用程序兼容，Intel 工程师决定 MMX 寄存器应与浮点寄存器共享相同的物理空间。这被认为是必要的，例如，在 Linux 等多任务操作系统中，每当发生任务切换时，都必须保存正在运行的进程的状态，以便将来可以恢复它。此状态保存涉及将 CPU 的所有寄存器复制到内存中。如果向 CPU 添加更多寄存器，则还必须修改负责保存寄存器的操作系统代码。但是，如果您的新寄存器与现有寄存器别名，则代码中无需进行任何更改。

不幸的是，在 MMX 和浮点寄存器的情况下，这种折衷方案有一个主要的缺点：您不能同时使用这两种类型的寄存器，仅仅因为它们代表两种非常不同的数据类型。一般规则是您不能在同一代码段中混合使用 MMX 和浮点指令。因此，emms 指令是通知 CPU 程序中允许将来使用浮点指令的机制。

这一切都值得吗？这个问题的答案取决于您对速度的重视程度。将 MMX 示例程序与纯 C 语言版本进行比较，速度的提升不言而喻。当不进行优化编译时，MMX 例程比 C 版本（存档文件中的清单 2）快大约 14 倍，而在启用完全 -O2 优化时，快大约 5 倍。当然，您将失去可移植性，并且可能更难编写和调试汇编语言代码。生活充满了艰难的选择，不是吗？

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