1、多媒體CPUn制作人：胡偉俊n組員：胡偉俊，徐宇，徐杭多媒體CPU 5.10.1 多媒體技術的主要問題 5.10.2 MMX技術5.10.3 動態執行技術 返回返回下一頁下一頁上一頁上一頁 多媒體CPU 媒體一詞在涉及信息傳遞的領域中是指傳遞信息的媒介，它包括存儲信息的實體與傳遞信息的載體兩部分。磁盤、光盤等皆屬存儲信息的實體，而載體則指用來表達信息的形體，如數值、文字、聲音、圖形與動靜圖像等。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 多媒體CPU多媒體技術是指計算機把各種不同的電子媒質集成起來，統一進行存儲、處理和傳輸。這些電子媒質包括計算機屏幕顯示、視頻光盤、CD-ROM以及語言和聲音的綜合，同時

2、在這些部件之間建立邏輯連接，從而使整個系統具有交互性。顯然，多媒體技術使計算機進一步擺脫了“計算工具”的傳統觀念，成為處理各種信息的強有力工具。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁多媒體CPU 多媒體技術解決的主要問題有：1.圖像與聲音的壓縮技術多媒體技術很重要的內容是對圖像與聲音進行操作、存儲與傳送。這就需要將每幅圖像從模擬量轉換成數字量，然后進行圖像處理，與圖形文字等復合，再存儲在機器內。但是進行管理、操作、存儲的圖像并不只是數量很少的靜止圖像，而是符合視頻標準的每秒30幀的彩色圖像。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁多媒體CPU 如果由多媒體計算機存儲器能演放1秒鐘的音像制品，則信息量就高達

3、22.5兆字節，而目前用來存儲圖像、程序的光盤CD-ROM，容量只有550兆字節。可見如不對圖像采用壓縮技術，僅存儲圖像的要求這一點就無法達到，何況CD-ROM的數據傳輸率也只有150KB/s，無法做到多幅圖像的實時再現。圖像數據如不壓縮，則實現多媒體通信也就不可能。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁多媒體CPU圖像壓縮 是將圖像用像素存儲的方式，經過圖像變換、量化、高效編碼等 處理，轉換成特殊形式的編碼。這樣一來，計算機所需存儲與實時傳送的數據量就可大大降低。 上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁多媒體CPU2.適應多媒體技術的軟件技術為適應多媒體技術發展，一是需要開發具有多媒體功能的OS(操作

4、系統)，二是開展以編輯工具為中心的軟件技術研究。對第一個課題，Microsoft開發的視窗95至視窗2000系列多媒體OS版獲得了很大成功。對第二個課題，編輯工具必須將圖形、文檔、聲音、圖像、視像等多種媒質聯系在一起，為實際應用提供方便。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁多媒體CPU3.計算機系統結構方面的技術為了在算機系統中增加多媒體數據的獲取功能、壓縮解壓功能、實時處理功能、多媒體數據的I/O與通信功能，在計算機系統結構領域需要做三方面的改進：上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 多媒體CPU第一，選擇專用芯片和專用插卡來擴充功能，如聲卡、視頻卡、網卡、內接或外接調制解調器。第二，進一步改善總

5、 線的結構和性能，如加寬系統總線，提高時鐘速率。第三，將一些重要的多媒體技術融合到 CPU芯片或設計全新的多媒體CPU芯片。本節重點介紹多媒體CPU的系統結構特點 。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁MMX技術 MMX是一種多媒體擴展結構技術，它極大提高了計算機在多媒體和通信應用方式的功能。帶有MMX技術的CPU特別適合于數據量很大的圖形、圖像數據處理，從而使三維圖形、圖畫、運動圖像為目標的MPEG視頻、音樂合成、語音識別、虛擬現實等數據處理的速度有了很大提高 。 上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 MMX技術MMX技術集成到新一代pentium CPU時，主要體現在：采用4種新的數據類型，使用

6、8個64 位寬的MMX寄存器，增設57條新指令。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁 MMX技術1.MMX數據類型MMX技術定義了三種打包的數據類型及一種64位字長的數據類型。打包數據類型中的每個元素以及64位數都是帶符號或不帶符號的定點整數(字節、字、雙字、四字)。四種數據類型定義如下：上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁MMX技術緊縮字節類型：8個字節打包成一個64位 數據緊縮字類型： 4個字打包成一個64位數 據 緊縮雙字類型：兩個32位的雙字打包成 一個64位數據四字類型： 一個64位數。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁 MMX技術2.MMX寄存器8個MMX寄存器MM0MM7的寬度為64位

7、，但它們沒有單獨設置，而是借用浮點處理單元中的8 個(80位)數據寄存器，它是通過使用“別名”的辦法來實現的。即浮點單元的8個數據寄存 器被浮點指令看成ST0ST7，被MMX指令看成是MM0MM7。返回返回下一頁下一頁上一頁上一頁MMX技術 這樣，8個字節或4個字或2個雙字被打包裝入一個64位的MMX寄存器，一旦執行一條MMX指令時，將所有這些8個、4個或2個的數據同時取出，進行數學運算或邏輯操作，最后結果寫入MMX寄存器。事實上，這種運算處理過程是一種并行處理過程，故稱為SIMD(單指令 多數據)的并行處理。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁MMX技術3.MMX指令集如果一條指令支持多種數據類

8、型：字節（B)、字(W)、雙字(D)或四字(Q)的操作，則選用某一數據類型時，相應的字母B，W ，D或Q列入指令助記符的后面。對于轉換指令要列入兩個字母，例如WB表示把字拆成字節，而BW表示把字節拼成字。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁 MMX技術MMX指令的先進性體現在以下五個方面：SIMD結構本節以前，我們遇到的計算機是SISD(單指令單 數據)的系統結構。而SIMD結構則是單指令多數據的系統結構。MMX指令充分利用CPU64位帶 寬的處理能力，一次可以并行處理8個8位數據，或4個16位數據，或2個32位數據，因而成為提高計算性能的最基本因素。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 MMX技術飽

9、和運算方式 這是運算發生溢出時使用的處理方法。如果運算結果超過最大值，則將此值按最大值處理，低于最小值時按最小值處理。由于不需要進行溢出處理， 所以提高了處理能力。飽和運算適合于面向像素數據的處理。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁MMX技術積和運算方式 MMX的乘法指令中，PMADDWD指令是一條關鍵指令，它具有乘法-累加操作動能。下圖說明了它的操作功能，將兩個緊縮字類型的數中相應的元素(16位)相乘，生成4個32位的積，再將左側的兩個積相加，得出一個結果；右側的兩個積相加 ，得出另一個結果。這樣便生成一個緊縮雙字類型的結果數據。積和運算方式特別適合于向量計算與矩陣計算。上一頁上一頁返回返回

10、下一頁下一頁MMX技術圖5.101 PMADDWD指令功能示意圖下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁MMX技術比較指令特點 MMX的比較指令不建立標志位，而是建立真假條件的屏蔽字，后跟一個邏輯操作，從不同的輸入中選擇所需要的元素，從而對輸入數據并行地分別進行處理。下圖表示PCMPGTW指令的功能示意，對應部分比較結果所建立的全“0”表示假條件，全“1”表示真條件。 上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 MMX技術圖5.102 PCMPGTW指令功能示意圖 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁 MMX技術當輸入數據不同而進行分別處理時，傳統的做法是一條比較指令后面緊跟一條條件轉移指令。條件轉移指令會降低指令

11、流水線的性能。MMX的比較指令通過條件選擇能力，取消了轉移指令，這是MMX技術的一個重要性能特征。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁 MMX技術轉換指令特點 MMX的轉換指令，是緊縮或解緊縮指令，能方便地完成各種精度的數據轉換，其中緊縮指令帶有飽和操作。下圖表示PACKSSDW緊縮指令的功能示意。它取出4個32位數，將其緊縮為4個16位的數。如果某個數比16位數大，則執行飽和操作。 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁MMX技術圖5.103 PACKSSDW指令功能示意圖 上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁MMX技術轉換指令廣泛用于矩陣的行列轉換；以在每對像點之間插入新像點的插值操作；實現RGB與YU

12、V的彩色空間轉換等。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁動態執行技術 動態執行技術 是指通過預測程序流來調整指令的執行，并分析程序的數據流來選擇指令執行的最佳順序。動態執行技術涉及數據相關性及指令調度法、轉移預測法、指令的發射順序與完成順序等流水技術基本要素。它非常利于MMX指令的加速執行。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁動態執行技術下圖是動態執行技術的核心結構示意圖。 圖5.104 動態執行技術核心結構示意圖 下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁動態執行技術 實現動態執行的關鍵：取消傳統的“取指” 和“執行”兩階段之間指令需要線性排列的限制，而使用一個指令緩沖池以開辟一個較長的指令窗口，以便允許執行

13、單元能在一個較大的范圍內調遣和執行已譯碼過的程序指令流。 上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁動態執行技術與指令緩沖池相連的三個硬件單元是： 取指/譯碼單元其功能是從指令cache讀取程序指令流，將其譯碼成相應的微操作系列，以指明該指令流所需的數據流。遇到轉移指令，通過轉移目標緩沖器BTB來預測是否發生轉移，并給出下一指令地址送往指令指針寄存器IP中。取指/譯碼單元是一個有序單元，它有三個并行的指令譯碼器ID，故一個CPU周期能向指令緩沖池同時送入3個微操作。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁動態執行技術調遣/執行單元其功能是從數據cache接收數據流，根據數據的相關性和資源可用性來規劃微操作的執行

14、，并暫存推測執行的結果。調遣/執行單元是一個無序單元，它包括五個端口邏輯、兩個整數執行部件(IEU)、一個浮點執行部件(FEU)、一個轉移部件 (JEU)、兩個地址生成部件(AGU)。上一頁上一頁返回返回下一頁下一頁動態執行技術使用一種偽FIFO算法對它們進行調度，取得執行結果的偽 操作立即返回指令緩沖池。這個過程并不嚴格按照程序中原來的順序執行微操作，因此是一個無序完成的過程。調遣/執行單元在一個CPU周期內最多能執行5個微操作(每個端口1個)，但一般是執行3個微操作，故稱這種指令流水線是超標度為3的超標量結構。下一頁下一頁返回返回上一頁上一頁動態執行技術回收單元其功能是檢查指令緩沖池中的微操作狀態，找出那些已被執行完的微操作，并且按原始順序對它們重新排序。如果一條指