-- MMX Technology Reference --

MMXテクノロジは、Intelが開発したx86 CPUの拡張機能の1つで、単一命令・複数データ（SIMD）技法を使用して、複数のデータ要素を並行して処理することにより、マルチメディアおよびコミュニケーション・ソフトウェアを高速化することが可能になります。

MMXテクノロジは、現在最新技術であるIntel-SSE（KNI）やAMD-3DNow!テクノロジの基礎になっています。従って、MMXテクノロジを理解することはSSEや3DNow!テクノロジを理解することにもつながり、今後登場するSIMDテクノロジに柔軟に対応することができるようになると思われます。

本書はそのMMXテクノロジを理解することを目的とした解説書です。

MMXテクノロジは現在流通しているプロセッサにはほぼ全てに搭載されていますが、Intel-Pentium以前のプロセッサには搭載されていないのでMMX命令が使用可能か調べる必要があります。

MMXテクノロジを検出するにはCPUID命令を使用します。CPUID命令はCPUから、そのCPU固有の情報を得る命令です。しかし、そのためにはアセンブラコードを必要とします。では、具体的な方法をC言語（インラインアセンブラ）を用いて解説します。

C言語（インラインアセンブラ）例：

//**********************************************************************
// MMXテクノロジ検出関数
// BOOL IsMMXEnabled(void)
// 戻り値：
// TRUE （0以外) … MMXテクノロジが検出された
// FALSE （0）  … MMXテクノロジが検出されなかった//**********************************************************************

#define MMX_FLAG 0x00800000 //MMX検出ビットの定義
#define CPUID __asm _emit 0x0F __asm _emit 0xA2 //CPUID命令を定義

BOOL IsMMXEnabled(void)
{
    int flag=0;

_asm
{//=== インラインアセンブラ開始 ===========================

push eax //レジスタ退避
push ebx //レジスタ退避
push ecx //レジスタ退避
push edx //レジスタ退避

mov eax, 1 //レジスタeaxに １を代入

CPUID //CPUID命令

mov flag, edx //検出用フラグ取得

pop edx //レジスタ復元
pop ecx //レジスタ復元
pop ebx //レジスタ復元
pop eax //レジスタ復元

}//=== インラインアセンブラ終了 ===========================

if( (flag & MMX_FLAG) == 0 )
{
    return FALSE;
}

    return TRUE;
}
//**********************************************************************

　

解説：

まず、レジスタeaxに １を代入し、CPUID命令（ 0FA2 ）を実行します。すると自動的にedxにそのプロセッサに搭載されているテクノロジのフラグがセットされます。それを取得し、判定することでMMXテクノロジの検出が行えます。

これを少々改良すれば、現在の最新のテクノロジ、及び今後登場するテクノロジをも検出することが可能です。具体的には if((flag & XXX)==0) のXXXを変えればよいだけです。Intelの SSE（KNI）ならば 0x02000000 、AMDの3DNow!ならば0x80000000です。これらの値は各メーカーの、それぞれのプロセッサのデータシートを調べれば見つかるはずです。

この関数でFALSEが帰ってきた場合はそのテクノロジが使用不可ということになります。

　

MMXレジスタ ／ FPUレジスタ：

MMX命令にはMMXレジスタが使用され、それはMM0 〜 MM7 という ８つの新しい64 ビットレジスタです。しかし、実はFPUレジスタと共有されており、MMXモード／FPUモードを切り替えて使用しています。

MMXモード／FPUモードの切り替えは、FPU → MMX への切り替えは自動ですが、 MMX → FPUへの切り替えは命令を要します。

実際のプログラムでは、なるべくMMX命令とFPU命令を混在して使用しないようにし、MMXコードの終わりには「EMMS」という命令を実行してMMXレジスタをクリアするようにします。

　

モード切り替えペナルティ：

EMMS命令を使用してMMX命令とFPU命令を混在して使用することも可能ですが、モード切り替えのペナルティ（最大５０クロック）が大きいため、できるだけこの切り替えを少なくすることが重要です。

MMX命令は専用の新しいデータ型を使用します。それが「パックド整数値」とよび、下の図のように64ビットサイズで、1バイト整数×8個、2バイト整数×4個、4バイト整数×2個、8バイト整数×1個の4種類あります。また、この半分の32ビットサイズで、1バイト整数×4個、2バイト整数×2個、4バイト整数×1個を扱うこともできます。

パックド・バイト： 64 ビットにパックされた8 バイト

パックド・ワード： 64 ビットにパックされた4 ワード

パックド・ダブルワード： 64 ビットにパックされた2 ダブルワード

クワッドワード： 64 ビットクワッドワード

　

実際にはこれらは変数として宣言したりすることはできません。char mem[8]; などとして普通にメモリに割り当てます。

パックとはパックド・ワード → パックド・バイト、パックド・ダブルワード → パックド・ワードのようにパックされたそれぞれのデータをさらに上位ビットをカットして１つのデータサイズを小さくすることです。

アンパックとはパックの逆で、パックド・バイト → パックド・ワード、パックド・ワード → パックド・ダブルワードのようにパックされたそれぞれのデータを大きなサイズに変換することです。

簡単に言うとデータのキャストを複数同時に処理すると考えられます。

パックの例：

↓

アンパックの例：

↓

Wraparound：

通常、char などの変数には最大値があり、最大値を超えると最小値に戻ってしまいます。例えばchar型の変数に127（最大値）を代入し、さらに１を足すと ?128 になってしまいます。これをWraparoundといいます。これを防ぐ為には計算をうまくやるか、予想される最大値に収まる型を使用しなければなりません。また、最小値に対しても同様のことが起こります。

Satulation：

これに対し、Satulationは例えばchar型の変数に127（最大値）を代入し、さらに１を足してもその最大値を超えたり、Wraparoundせずに最大値を保持します。これは最小値に対しても同様の機能を果たします。SatulationはMMX演算時の特殊な機能でこれを知っておくと便利なことがあります。

実例：

実際には、例えばWindowsにおいて画像の1pixelの1成分（RGBのうちの１つ）は0~255なのでこの範囲内の値を保持しておけばよいのですが、計算時にこれを超えることがあります。そのときに超えているかどうかの判定をしなければならないところがしなくてもよくなります。具体的にプログラムでは、以下のようなことが起こります。

//***************************************************

int r,g,b; // int → unsigned char とすることができる

r = r + blightness;

if( r > 255 ){ r = 255; } // ← ここが不要になる

//***************************************************

MMXテクノロジではこのSatulationの機能を使用することができ、コードの簡略化および実行速度の高速化をすることができます。

SIMDとは：

SIMDはSingle Instruction Multiple Data の略で、１つの命令で複数のデータを扱い、並列に処理することで高速化を図る技術です。例えば、パックド・バイトならば１度に８つのデータを加算・減算などして処理できることになります。

SIMDの例：

下のような８個の要素をもつ配列 Ａ、Ｂ、Ｃ があったとします。

Ａ、Ｂのそれぞれの要素を足して結果をＣに代入したいとすると、

Ｃ１ ＝ Ａ１ ＋ Ｂ１     Ｃ２ ＝ Ａ２ ＋ Ｂ２

Ｃ３ ＝ Ａ３ ＋ Ｂ３     Ｃ４ ＝ Ａ４ ＋ Ｂ４

Ｃ５ ＝ Ａ５ ＋ Ｂ５     Ｃ６ ＝ Ａ６ ＋ Ｂ６

Ｃ７ ＝ Ａ７ ＋ Ｂ７     Ｃ８ ＝ Ａ８ ＋ Ｂ８

のように８回演算処理しなければなりません。

ところが、SIMDでは、

Ｃ ＝ Ａ ＋ Ｂ とするだけで同様の結果を得ることができます。

　

SIMDの長所：

・プロセッサでは 「メモリからレジスタへ移動」 → 「演算」 → 「メモリへ戻す」の作業の回数が少なくなるため、メモリアクセスタイミング等も考慮して非常に効率よくメモリアクセスができます。

・１度に複数処理をするのでループの回数を減らすことができます。ループの回数が減れば、ループ終了判定回数が減ることになり、そのぶん高速化します。

SIMDの短所：

・データ数に制限が起こります。N個同時に演算できるSIMDならば確保するデータのサイズはNの倍数である必要があり、処理できる個数もNの倍数となります。従って、無駄に多く処理してしまう場合や、少ない場合は残りのデータを処理するためにSIMDでない処理をすることになります。

命令表記フォーマット・法則：

MMX命令表記はプリフィックス、命令、サフィックスからなっています。

・プリフィックス … P （パックドの略）

・命令 … ADD や MOVなど

・サフィックス … Wraparound ／ 符号あり・なしのSatulation と データ型（
                    パックド・バイト ／パックド・ワード ／ パックド・ダブルワード／ クワッドワード ） を指定する。

Wraparound ： 特に表記しない

符号ありSatulation ： S

符号なしSatulation ： US

パックド・バイト ： B

パックド・ワード ： W

パックド・ダブルワード ： D

クワッドワード ： Q

まとめると次のようになります。

[P][Instruction][S/US][B/W/D/Q]

この章での表の見方：

Data-Transfar Instructins （データ転送命令）

データをMMXレジスタに転送する命令。

例：

movd mm0 mem1 （32ビットデータをメモリからMMXレジスタへ）
movq mem2 mm1   （64ビットデータをMMXレジスタからメモリへ）
movq mm1 mm2     （64ビットデータをMMXレジスタからMMXレジスタへ）

---

Add ／ Sub Instructions （加算／減算命令）

例：

paddb mm1 mm2 （BYTE型加算(Wraparound)）
paddsw mm2 mm3 （WORD型符号あり加算（Satulation））
psubusb mm4 mm5 （BYTE型符号なし減算(Satulation)）

---

Shift Instructions （シフト命令）

例／詳細：

psllw mm1 3 （WORD型左シフト演算）

それぞれのWORDを左へ３つシフトする

psrad mm6 5 （WORD型右シフト演算）

それぞれのDWORDを右へ５つシフトし最上位ビットは元の最上位ビットで埋める

Logical Instructions （論理演算命令）

pandn mm1 mm2
（mm1 のビットごとのNOT と mm2 のANDをとる mm1 = (~mm1)&mm2 ）

Multiply Instructions （掛算命令）

例／詳細：

pmaddwd mm1 mm2

↓演算後

pmaddwdは次のような演算をする。

Ｃ１ ＝ Ａ１ × Ｂ１ ＋ Ａ２ × Ｂ２
Ｃ２ ＝ Ａ３ × Ｂ３ ＋ Ａ４ × Ｂ４

---

Compare Instructions （比較命令）

例／詳細：

PCMPEQW mm1 mm3

↓演算後

WORDのそれぞれを比較して等しいならばFFFFをセットし、それ以外は0にセットする。

---

Pack ／ Unpack Instructions （パック／アンパック命令）

例／詳細：

mm2 及びmm3を以下の様に代入したとする。

PACKSSWB mm2 mm3

演算後：

それぞれの値が127 (0x7f)よりも大きい場合は127に、-128(0x80)よりも小さい場合は-128にSatulationされる。（下位４バイトにmm2の結果、上位４バイトにmm3の結果が合成されて出力される）

PACKUSWB mm2 mm3

演算後：

それぞれの値が255 (0xFF)よりも大きい場合は255に、0 (ここでWORDは符号ありで見られるため0x8000、つまり ?1 )よりも小さい場合は0にSatulationされる。

PUNPCKHWD mm2 mm3

演算後：

mm2とmm3のそれぞれの上位32ビットのうちのさらに上位16ビット／下位16ビットが結合されて出力される。

PUNPCKLWD mm2 mm3

演算後：

mm2とmm3のそれぞれの下位32ビットのうちのさらに上位16ビット／下位16ビットが結合されて出力される。

---

EMMS Instruction （EMMS命令）

MMXレジスタのMMX状態をクリアする。

MMXテクノロジの使用：

・MMXテクノロジを使用するにはアセンブラ言語で記述する必要があります。VisualC++ならばインラインアセンブラで実現できます。ただし、VisualC++ Ver4.2以降でないと第8章で解説したようなMMX命令に対応していないので、”_emit” などで直接機械語を入力することになります。

以下にインラインアセンブラでの記述例を示します。

void MMXalpha( void* pSrc1, void* pSrc2, void* pDst )
{
    _asm
     {
       mov eax, 7f7f7f7fh
      movd mm4, eax

punpckldq mm4, mm4

mov eax, pDst
mov esi, pSrc1
mov edi, pSrc2

movq mm0, [esi] //64ビット転送
movq mm1, [edi]

psrlq mm0, 1 //右に１シフト（ ２で割る ）
psrlq mm1, 1

pand mm0, mm4 //mm0 と mm4をAND演算
pand mm1, mm4

paddusb mm0, mm1 //mm0 と mm1を加算

movq [eax], mm0 //演算結果を出力先へ転送

emms

    }

}

・このサンプルはpSrc1とpSrc2のポインタで示すデータを64ビット（１バイト×８個のデータ）読み出し、それぞれ半分に割り、足した結果をpDstで示す先へ出力するものです。

これをC言語で書くと次のようになります。

unsigned int dst;

for( int n=0; n < 8; n++ )
{

dst = (*(pSrc1 + n) + *(pSrc2 + n)) /2;

if( dst < 255 ){ *(pDst + n) = (unsigned char)dst; }

else{ *(pDst + n) = 255; }

}

(注：引き数 pSrc1, pSrc2, pDstはvoid* ではなく、unsigned char* とする必要がある)

　

MMX命令の使用の流れ：

�@ movd または movq でmm0 からmm7 までのどれかのMMXレジスタにデータを転送する。

�A �@を繰り返し、必要なデータをそろえる。

�B パック／アンパック命令で、データ型をそろえる。

�B MMXレジスタに対し、MMX命令（paddusb、psrlwなど）を実行する。

�C �Bを繰り返し、計算したい演算を実行する。

�D パック／アンパック命令で、データ型をそろえる。

�E movd または movq で演算結果出力先に転送する。

�F EMMS 命令でMMX状態をクリアする。

　

MMX命令の使用に関して注意すべきこと：

（１）EMMS命令の使用

MMX命令の使用の流れにおいて、�Fは必ず必要です。Intelの“インテル・アーキテクチャ・ソフトウェア・ディベロッパーズ・マニュアル”によると、「FPU タグ・ワードがEMMS 命令によってリセットされる前に浮動小数点命令がFPU レジスタ・スタックのレジスタの1 つに値をロードした場合は、浮動小数点スタック・オーバフローが発生する可能性があり、その結果、浮動小数点例外が発生したり、誤った結果が生じることになる。」 とありますので注意する必要があります。もし、アプリケーションレベルで浮動小数点を使用しない場合においてもEMMS命令は使用しなくてはなりません。

MMX命令はアセンブラ言語で記述するため、アセンブラ言語をある程度理解しておくことが必要です。

（３）その他

MMX命令はSIMDであることに特に注意し、MMX命令を使用するべき部分、そうでない部分を見極めることが大切です。また、データ型も特殊であるため、この点も特に注意しなければなりません。

　

・MMX演算または通常演算で２つの画像をアルファブレンドするプログラムを作成し、実験をしてみた。