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! bezeichnet die von AMD, Centaur und Cyrix erarbeitete Multimedia-Befehlssatzerweiterung, die mit dem AMD K6-2 1998 eingeführt wurde. Diese Erweiterung ermöglichte neue Befehle direkt in Hardware, die den Prozessor bei rechenintensiven Applikationen erheblich beschleunigen konnten. Diese neuen Befehle konnten allerdings erst ihre Wirkung entfalten, wenn sie auch von den jeweiligen Programmen unterstützt wurden, dies war allerdings seit der Einführung von 3DNow! nur in geringem Maße der Fall, da die Mehrzahl der Softwareentwickler nach der Einführung 1999 bevorzugt die Alternativentwicklung SSE von Intel einsetzte. Ein Vorteil der 3DNow!-Erweiterung gegenüber der SSE-Erweiterung war allerdings, dass man in einem 3DNow!-Register zwei 32-Bit-Gleitkommazahlen speichern und mit entsprechenden Befehlen auch miteinander verrechnen konnte, während dies bei SSE nicht möglich war. Diese Funktion wurde erst mit SSE3 mit den Befehlen HADD/HSUB/ADDSUB nachgereicht.