3DNow!

title: 历史.
content: 1996年Intel首先推出了支持MMX的Pentium处理器,极大地提高了CPU处理多媒体数据的能力,被广泛地应用于语音合成、语音识别、音频视频编解码、图像处理和串流媒体等领域。但是MMX只支持整数运算,浮点数运算仍然要使用传统的x87协处理器指令。由于MMX与x87的寄存器相互重叠,在MMX代码中插入x87指令时必须先执行"EMMS"指令清除MMX状态,频繁地切换状态将严重影响性能。这限制了MMX指令在需要大量浮点运算的程序,如三维几何变换、裁剪和投影中的应用。  另一方面,由于x87古怪的堆栈式暂存器结构,使得硬件上将其流水线化和软件上合理调度指令都很困难,这成为提高x86架构浮点性能的一个瓶颈。  为了解决以上这两个问题,AMD公司于1998年推出了包含21条指令的3DNow!指令集,并在其K6-2处理器中实现。K6-2是第一个能执行浮点SIMD指令的x86处理器,也是第一个支持水平浮点寄存器模型的x86处理器。借助3DNow!,K6-2实现了x86处理器上最快的浮点单元,在每个时钟周期内最多可得到4个单精度浮点数结果,是传统x87协处理器的4倍。许多游戏厂商为3DNow!优化了程序,微软的DirectX 7也为3DNow!做了优化,AMD处理器的游戏性能第一次超过Intel,这大大提升了AMD在消费者心目中的地位。K6-2和随后的K6-III成为市场上的热门货。  1999年,随着Athlon处理器的推出,AMD为3DNow!增加了5条新的指令,用于增强其在DSP方面的性能,它们被称为“扩展3DNow!”(Extended 3DNow!)。  为了对抗3DNow!,Intel公司于1999年推出了SSE指令集。SSE几乎能提供3DNow!的所有功能,而且能在一条指令中处理两倍多的单精度浮点数;同时,SSE完全支持IEEE 754,在处理单精度浮点数时可以完全代替x87。这迅速瓦解了3DNow!的优势。  1999年后,随着主流操作系统和软件都开始支持SSE并为SSE优化,AMD在其2000年发布的代号为“Thunderbird”的Athlon处理器中添加了对SSE的完全支持(“经典”的Athlon或K7只支持SSE中与MMX有关的部分,AMD称之为“扩展MMX”即Extended MMX)。随后,AMD致力于AMD64架构的开发;在SIMD指令集方面,AMD跟随Intel,为自己的处理器添加SSE2和SSE3支持,而不再改进3DNow!。  2010年八月,AMD宣布将在新一代处理器中取消除了两条数据预取指令之外3DNow!指令的支持,并鼓励开发者将3DNow!代码重新用SSE实现。
title: 支持检测.
content: 支持3DNow!的CPU的CPUID扩展功能字(EAX=80000001h时执行CPUID指令得到的EDX的内容)的(从低位到高位)第31位为1。支持扩展3DNow!的CPU的CPUID扩展功能字的(从低位到高位)第30位为1。  K6-2至K10之间AMD所有的x86处理器都支持3DNow!,包括Athlon 64、Opteron和Sempron处理器;AMD将3DNow!从Ryzen、AMD FX处理器移除;Cyrix等一些其他厂家生产的某些处理器也支持3DNow!;但Intel生产的所有处理器都不支持3DNow!。
title: 执行环境.
content: 3DNow!指令的执行环境与MMX一样,都是将8个x87寄存器ST0～ST7的低64位重命名为MMX寄存器MM0～MM7,并依平坦模式进行操作(即指令可以任意访问这8个寄存器中的任何一个而不必使用堆栈)。  由于3DNow!使用的寄存器与x87寄存器重叠,任务切换时,保存x87寄存器状态的同时也保存了3DNow!的状态,所以3DNow!不需要操作系统的额外支持。只要CPU支持3DNow!,含有3DNow!代码的程序可以在只考虑到x87状态的原有的操作系统上不加修改地运行。  由于3DNow!依平坦模式访问寄存器,对3DNow!浮点单元的管线化变得容易,这也利于编译器生成高效的浮点代码。
title: 3DNow!指令集.
content: 3DNow!和扩展3DNow!的26条指令从功能上可以分为以下五类。
title: 单精度浮点运算指令.
content: 此类指令的操作数均为64位,其高32位和低32位分别是IEEE 754格式的单精度浮点数。大部分指令一次可接受两个这样的操作数,并得到两个单精度浮点数的结果。它们的汇编语言助记符都以"PF"开头。  3DNow!还包含有计算单精度倒数和开方倒数的指令,并可以依程序需要,得到12位精度和24位精度的结果。这些指令一次只能处理一个单精度浮点数。  3DNow!的一个特色是可以将同一寄存器内的64位操作数中的两个单精度浮点数相加或相乘,这在复数运算和内积运算中非常有用。Intel直到最近才在SSE3指令集中增加了这项功能,称之为“"水平操作"”。  为了保证与旧有操作系统的兼容性,与MMX指令一样,3DNow!指令不引发任何算术异常。3DNow!指令不会生成也不能正确处理NaN和非规格化数,也不支持指定舍入模式。因此3DNow!并不是IEEE 754的一个完整实现,即使是只涉及单精度浮点数时也不能完全代替x87。
title: 增强的MMX指令.
content: "PAVGUSB"用于求64位紧缩字节(8×8位字节)的平均值,可用于视频编码中的像素平均和图像缩放等。可能是意识到这个功能的重要性,Intel在SSE中添加了功能完全相同的"PAVGB"指令。  "PMULHRW"则用来补充MMX指令"PMULHW"的不足,在紧缩字(4×16位字)相乘时可以得到比后者更准确的结果。Intel直到最近才在SSSE3中增加了功能相似的指令"PMULHRSW"。  "PSWAPD"指令用于交换紧缩双字(2×32位字)中两个双字数据的位置。
title: 数据类型转换指令.
content: "PF2ID"、"PI2FD"等4条指令用于完成整数和单精度浮点数之间的相互转换。
title: 数据预取指令.
content: "PREFETCH/PREFETCHW"指令用于把将要使用到的数据从主内存提前加载快取中,以减少访问主内存的指令执行时的延迟。Intel在SSE中添加了类似的"PREFETCHTx"指令
title: 快速退出MMX状态指令.
content: "FEMMS"指令与MMX中的"EMMS"功能相同,用于退出MMX状态。在K6-2和K6-III处理器中,"FEMMS"比"EMMS"更快;在Athlon及更新的处理器中,"FEMMS"等同于"EMMS"。

Summary: 3DNow!(据说是“3D No Waiting!”的缩写)是由AMD开发的一套SIMD多媒体指令集,支持单精度浮点数的矢量运算,用于增强x86架构的电脑在三维图像处理上的性能。

3DNow!: 3DNow! je název multimediální technologie vytvořené společností AMD pro nové vlastní procesory AMD K6-2, které byly uvedeny na trh v květnu 1998. Technologie 3DNow! je od počátku zamýšlena tak, aby překonala, do té doby, silně problematické místo v 3D grafických aplikacích a hrách – operace v plovoucí desetinné čárce. Na přelomu roku 1997 a 1998 sice už byla běžně k dispozici multimediální technologie MMX konkurenční firmy Intel, ale ta byla určena pouze pro urychlení celočíselných operací a 2D grafiky. Firma Intel se zpočátku snažila tuto úspěšnou technologii zcela ignorovat, ale později sama přidala do svého procesoru Pentium III sadu podobných instrukcí známých jako SSE.