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SSE指令介绍及其C、C++应用

2009-08-26 00:03 441 查看



SSE指令介绍及其C、C++应用

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text = text + "/r/n/n本文来自CSDN博客,转载请标明出处:" + location.href;
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}
}

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http://blog.csdn.net/olncy/archive/2009/04/16/4084374.aspx

作者:Alex Farber

出处:http://www.codeproject.com/cpp/sseintro.asp

SSE技术简介

Intel公司的单指令多数据流式扩展(SSE,Streaming SIMD
Extensions)技术能够有效增强CPU浮点运算的能力。Visual Studio
提供了对SSE指令集的编程支持,从而允许用户在C++代码中不用编写汇编代码就可直接使用SSE指令的功能。MSDN中有关SSE技术的主题
[1]有可能会使不熟悉使用SSE汇编指令编程的初学者感到困惑,但是在阅读MSDN有关文档的同时,参考一下Intel软件说明书(Intel
Software manuals)[2]会使你更清楚地理解使用SSE指令编程的要点。

SIMD(single-instruction,
multiple-data)是一种使用单道指令处理多道数据流的CPU执行模式,即在一个CPU指令执行周期内用一道指令完成处理多个数据的操作。考虑
一下下面这个任务:计算一个很长的浮点型数组中每一个元素的平方根。实现这个任务的算法可以这样写:

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print
?

for
each f in array
//对数组中的每一个元素


f = sqrt(f) //计算它的平方根


end for


for each   f in array      //对数组中的每一个元素
     f = sqrt(f)              //计算它的平方根
end for


为了了解实现的细节,我们把上面的代码这样写:

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print
?

for
each f in array

{

把f从内存加载到浮点寄存器

计算平方根

再把计算结果从寄存器中取出放入内存

}

for each   f in array
{
     把f从内存加载到浮点寄存器
     计算平方根
     再把计算结果从寄存器中取出放入内存
}


具有Intel
SSE指令集支持的处理器有8个128位的寄存器,每一个寄存器可以存放4个(32位)单精度的浮点数。SSE同时提供了一个指令集,其中的指令可以允许
把浮点数加载到这些128位的寄存器之中,这些数就可以在这些寄存器中进行算术逻辑运算,然后把结果放回内存。采用SSE技术后,算法可以写成下面的样
子:

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print
?

for
each 4 members in array
//对数组中的每4个元素


{

把数组中的这4个数加载到一个128位的SSE寄存器中

在一个CPU指令执行周期中完成计算这4个数的平方根的操作

把所得的4个结果取出写入内存

}

for each   4 members in array   //对数组中的每4个元素
{
     把数组中的这4个数加载到一个128位的SSE寄存器中
     在一个CPU指令执行周期中完成计算这4个数的平方根的操作
     把所得的4个结果取出写入内存
}


C++编程人员在使用SSE指令函数编程时不必关心这些128位的寄存器,你可以使用128位的数据类型“__m128”和一系列C++函数来实现
这些算术和逻辑操作,而决定程序使用哪个SSE寄存器以及代码优化是C++编译器的任务。当需要对很长的浮点数数组中的元素进行处理的时候,SSE技术确
实是一种很高效的方法。

SSE程序设计详细介绍

包含的头文件:

所有的SSE指令函数和__m128数据类型都在xmmintrin.h文件中定义:

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print
?

#include <xmmintrin.h>


#include <xmmintrin.h>



因为程序中用到的SSE处理器指令是由编译器决定,所以它并没有相关的.lib库文件。

数据分组(Data Alignment)

由SSE指令处理的每一个浮点数数组必须把其中需要处理的数每16个字节(128位二进制)分为一组。一个静态数组(static array)可由__declspec(align(16))关键字声明:

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?

__declspec
(align(16))
float
m_fArray[ARRAY_SIZE];

__declspec(align(16)) float m_fArray[ARRAY_SIZE];


动态数组(dynamic array)可由_aligned_malloc函数为其分配空间:

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print
?

m_fArray = (
float
*) _aligned_malloc(ARRAY_SIZE *
sizeof
(
float
), 16);

m_fArray = (float*) _aligned_malloc(ARRAY_SIZE * sizeof(float), 16);


由_aligned_malloc函数分配空间的动态数组可以由_aligned_free函数释放其占用的空间:

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print
?

_aligned_free(m_fArray);

_aligned_free(m_fArray);


__m128 数据类型

该数据类型的变量可用做SSE指令的操作数,它们不能被用户指令直接存取。_m128类型的变量被自动分配为16个字节的字长。

CPU对SSE指令集的支持

如果你的CPU能够具有了SSE指令集,你就可以使用Visual Studio .NET
提供的对SSE指令集支持的C++函数库了,你可以查看MSDN中的一个Visual C++
CPUID的例子[4],它可以帮你检测你的CPU是否支持SSE、MMX指令集或其它的CPU功能。

编程实例

以下讲解了SSE技术在Visual Studio .NET 2003下的应用实例,你可以在http://www.codeproject.com/cpp/sseintro/SSE_src.zip
下载示例程序压缩包。该压缩包中含有两个项目,这两个项目是基于微软基本类库(MFC)建立的Visual C++.NET项目,你也可以按照下面的讲解建立这两个项目。

SSETest 示例项目

SSETest项目是一个基于对话框的应用程序,它用到了三个浮点数组参与运算:

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?

fResult[i] = sqrt( fSource1[i]*fSource1[i] + fSource2[i]*fSource2[i] ) + 0.5

fResult[i] = sqrt( fSource1[i]*fSource1[i] + fSource2[i]*fSource2[i] ) + 0.5


其中i = 0, 1, 2 ... ARRAY_SIZE-1

其中ARRAY_SIZE被定义为30000。数据源数组(Source数组)通过使用sin和cos函数给它赋值,我们用Kris
Jearakul开发的瀑布状图表控件(Waterfall chart control)[3]
来显示参与计算的源数组和结果数组。计算所需的时间(以毫秒ms为单位)在对话框中显示出来。我们使用三种不同的途径来完成计算:

纯C++代码;

使用SSE指令函数的C++代码;

包含SSE汇编指令的代码。

纯C++代码:

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?

void
CSSETestDlg::ComputeArrayCPlusPlus(

float
* pArray1,
// [输入] 源数组1


float
* pArray2,
// [输入] 源数组2


float
* pResult,
// [输出] 用来存放结果的数组


int
nSize)
// [输入] 数组的大小


{

int
i;

float
* pSource1 = pArray1;

float
* pSource2 = pArray2;

float
* pDest = pResult;

for
( i = 0; i < nSize; i++ )

{

*pDest = (float
)sqrt((*pSource1) * (*pSource1) + (*pSource2)

* (*pSource2)) + 0.5f;

pSource1++;

pSource2++;

pDest++;

}

}

void CSSETestDlg::ComputeArrayCPlusPlus(
           float* pArray1,                    // [输入] 源数组1
           float* pArray2,                    // [输入] 源数组2
           float* pResult,                    // [输出] 用来存放结果的数组
           int nSize)                             // [输入] 数组的大小
{
     int i;
     float* pSource1 = pArray1;
     float* pSource2 = pArray2;
     float* pDest = pResult;
     for ( i = 0; i < nSize; i++ )
     {
         *pDest = (float)sqrt((*pSource1) * (*pSource1) + (*pSource2)
                  * (*pSource2)) + 0.5f;
         pSource1++;
         pSource2++;
         pDest++;
     }
}


下面我们用具有SSE特性的C++代码重写上面这个函数。为了查询使用SSE指令C++函数的方法,我参考了Intel软件说明书
(Intel Software
manuals)中有关SSE汇编指令的说明,首先我是在第一卷的第九章找到的相关SSE指令,然后在第二卷找到了这些SSE指令的详细说明,这些说明有
一部分涉及了与其特性相关的C++函数。然后我通过这些SSE指令对应的C++函数查找了MSDN中与其相关的说明。搜索的结果见下表:

实现的功能 对应的SSE汇编指令 Visual C++.NET中的SSE函数

将4个32位浮点数放进一个128位的存储单元。 movss 和 shufps _mm_set_ps1

将4对32位浮点数同时进行相乘操作。这4对32位浮点数来自两个128位的存储单元,再把计算结果(乘积)赋给一个128位的存储单元。 mulps _mm_mul_ps

将4对32位浮点数同时进行相加操作。这4对32位浮点数来自两个128位的存储单元,再把计算结果(相加之和)赋给一个128位的存储单元。 addps _mm_add_ps

对一个128位存储单元中的4个32位浮点数同时进行求平方根操作。 sqrtps _mm_sqrt_ps

使用Visual C++.NET的 SSE指令函数的代码:

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print
?

void
CSSETestDlg::ComputeArrayCPlusPlusSSE(

float
* pArray1,
// [输入] 源数组1


float
* pArray2,
// [输入] 源数组2


float
* pResult,
// [输出] 用来存放结果的数组


int
nSize)
// [输入] 数组的大小


{

int
nLoop = nSize/ 4;

__m128 m1, m2, m3, m4;

__m128* pSrc1 = (__m128*) pArray1;

__m128* pSrc2 = (__m128*) pArray2;

__m128* pDest = (__m128*) pResult;



__m128 m0_5 = _mm_set_ps1(0.5f); // m0_5[0, 1, 2, 3] = 0.5


for
(
int
i = 0; i < nLoop; i++ )

{

m1 = _mm_mul_ps(*pSrc1, *pSrc1); // m1 = *pSrc1 * *pSrc1


m2 = _mm_mul_ps(*pSrc2, *pSrc2); // m2 = *pSrc2 * *pSrc2


m3 = _mm_add_ps(m1, m2); // m3 = m1 + m2


m4 = _mm_sqrt_ps(m3); // m4 = sqrt(m3)


*pDest = _mm_add_ps(m4, m0_5); // *pDest = m4 + 0.5




pSrc1++;

pSrc2++;

pDest++;

}

}

void CSSETestDlg::ComputeArrayCPlusPlusSSE(
           float* pArray1,                    // [输入] 源数组1
           float* pArray2,                    // [输入] 源数组2
           float* pResult,                    // [输出] 用来存放结果的数组
           int nSize)                         // [输入] 数组的大小
{
     int nLoop = nSize/ 4;
     __m128 m1, m2, m3, m4;
     __m128* pSrc1 = (__m128*) pArray1;
     __m128* pSrc2 = (__m128*) pArray2;
     __m128* pDest = (__m128*) pResult;
     __m128 m0_5 = _mm_set_ps1(0.5f);         // m0_5[0, 1, 2, 3] = 0.5
     for ( int i = 0; i < nLoop; i++ )
     {
         m1 = _mm_mul_ps(*pSrc1, *pSrc1);         // m1 = *pSrc1 * *pSrc1
         m2 = _mm_mul_ps(*pSrc2, *pSrc2);         // m2 = *pSrc2 * *pSrc2
         m3 = _mm_add_ps(m1, m2);                 // m3 = m1 + m2
         m4 = _mm_sqrt_ps(m3);                    // m4 = sqrt(m3)
         *pDest = _mm_add_ps(m4, m0_5);           // *pDest = m4 + 0.5
        
         pSrc1++;
         pSrc2++;
         pDest++;
     }
}


使用SSE汇编指令实现的C++函数代码:

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print
?

void
CSSETestDlg::ComputeArrayAssemblySSE(

float
* pArray1,
// [输入] 源数组1


float
* pArray2,
// [输入] 源数组2


float
* pResult,
// [输出] 用来存放结果的数组


int
nSize)
// [输入] 数组的大小


{

int
nLoop = nSize/4;

float
f = 0.5f;

_asm

{

movss xmm2, f // xmm2[0] = 0.5


shufps xmm2, xmm2, 0 // xmm2[1, 2, 3] = xmm2[0]


mov esi, pArray1 // 输入的源数组1的地址送往esi


mov edx, pArray2 // 输入的源数组2的地址送往edx


mov edi, pResult // 输出结果数组的地址保存在edi


mov ecx, nLoop //循环次数送往ecx


start_loop:

movaps xmm0, [esi] // xmm0 = [esi]


mulps xmm0, xmm0 // xmm0 = xmm0 * xmm0


movaps xmm1, [edx] // xmm1 = [edx]


mulps xmm1, xmm1 // xmm1 = xmm1 * xmm1


addps xmm0, xmm1 // xmm0 = xmm0 + xmm1


sqrtps xmm0, xmm0 // xmm0 = sqrt(xmm0)


addps xmm0, xmm2 // xmm0 = xmm1 + xmm2


movaps [edi], xmm0 // [edi] = xmm0


add esi, 16 // esi += 16


add edx, 16 // edx += 16


add edi, 16 // edi += 16


dec ecx // ecx--


jnz start_loop //如果不为0则转向start_loop


}

}

void CSSETestDlg::ComputeArrayAssemblySSE(
           float* pArray1,                    // [输入] 源数组1
           float* pArray2,                    // [输入] 源数组2
           float* pResult,                    // [输出] 用来存放结果的数组
           int nSize)                         // [输入] 数组的大小
{
     int nLoop = nSize/4;
     float f = 0.5f;
     _asm
     {
         movss    xmm2, f                          // xmm2[0] = 0.5
         shufps   xmm2, xmm2, 0                    // xmm2[1, 2, 3] = xmm2[0]
         mov          esi, pArray1                 // 输入的源数组1的地址送往esi
         mov          edx, pArray2                 // 输入的源数组2的地址送往edx
         mov          edi, pResult                 // 输出结果数组的地址保存在edi
         mov          ecx, nLoop                   //循环次数送往ecx
start_loop:
         movaps       xmm0, [esi]                  // xmm0 = [esi]
         mulps        xmm0, xmm0                   // xmm0 = xmm0 * xmm0
         movaps       xmm1, [edx]                  // xmm1 = [edx]
         mulps        xmm1, xmm1                   // xmm1 = xmm1 * xmm1
         addps        xmm0, xmm1                   // xmm0 = xmm0 + xmm1
         sqrtps       xmm0, xmm0                   // xmm0 = sqrt(xmm0)
         addps        xmm0, xmm2                   // xmm0 = xmm1 + xmm2
         movaps       [edi], xmm0                  // [edi] = xmm0
         add          esi, 16                      // esi += 16
         add          edx, 16                      // edx += 16
         add          edi, 16                      // edi += 16
         dec          ecx                          // ecx--
         jnz          start_loop                 //如果不为0则转向start_loop
     }
}


最后,在我的计算机上运行计算测试的结果:

纯C++代码计算所用的时间是26 毫秒

使用SSE的C++ 函数计算所用的时间是 9 毫秒

包含SSE汇编指令的C++代码计算所用的时间是 9 毫秒

以上的时间结果是在Release优化编译后执行程序得出的。

SSESample 示例项目

SSESample项目是一个基于对话框的应用程序,其中它用下面的浮点数数组进行计算:

fResult[i] = sqrt(fSource[i]*2.8)

其中i = 0, 1, 2 ... ARRAY_SIZE-1

这个程序同时计算了数组中的最大值和最小值。ARRAY_SIZE被定义为100000,数组中的计算结果在列表框中显示出来。其中在我的机子上用下面三种方法计算所需的时间是:

纯C++代码计算 6 毫秒

使用SSE的C++ 函数计算 3 毫秒

使用SSE汇编指令计算 2 毫秒

大家看到,使用SSE汇编指令计算的结果会好一些,因为使用了效率增强了的SSX寄存器组。但是在通常情况下,使用SSE的C++
函数计算会比汇编代码计算的效率更高一些,因为C++编译器的优化后的代码有很高的运算效率,若要使汇编代码比优化后的代码运算效率更高,这通常是很难做
到的。

纯C++代码:

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?

// 输入: m_fInitialArray


// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax


void
CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonCplusplus()

{

m_fMin = FLT_MAX;

m_fMax = FLT_MIN;

int
i;

for
( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++ )

{

m_fResultArray[i] = sqrt(m_fInitialArray[i] * 2.8f);

if
( m_fResultArray[i] < m_fMin )

m_fMin = m_fResultArray[i];

if
( m_fResultArray[i] > m_fMax )

m_fMax = m_fResultArray[i];

}

}

// 输入: m_fInitialArray
// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax
void CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonCplusplus()
{
     m_fMin = FLT_MAX;
     m_fMax = FLT_MIN;
     int i;
     for ( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++ )
     {
         m_fResultArray[i] = sqrt(m_fInitialArray[i]   * 2.8f);
         if ( m_fResultArray[i] < m_fMin )
             m_fMin = m_fResultArray[i];
         if ( m_fResultArray[i] > m_fMax )
             m_fMax = m_fResultArray[i];
     }
}


使用Visual C++.NET的 SSE指令函数的代码:

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?

// 输入: m_fInitialArray


// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax


void
CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonSseC()

{

__m128 coeff = _mm_set_ps1(2.8f); // coeff[0, 1, 2, 3] = 2.8


__m128 tmp;

__m128 min128 = _mm_set_ps1(FLT_MAX); // min128[0, 1, 2, 3] = FLT_MAX


__m128 max128 = _mm_set_ps1(FLT_MIN); // max128[0, 1, 2, 3] = FLT_MIN


__m128* pSource = (__m128*) m_fInitialArray;

__m128* pDest = (__m128*) m_fResultArray;

for
(
int
i = 0; i < ARRAY_SIZE/4; i++ )

{

tmp = _mm_mul_ps(*pSource, coeff); // tmp = *pSource * coeff


*pDest = _mm_sqrt_ps(tmp); // *pDest = sqrt(tmp)


min128 = _mm_min_ps(*pDest, min128);

max128 = _mm_max_ps(*pDest, max128);

pSource++;

pDest++;

}

// 计算max128的最大值和min128的最小值


union
u

{

__m128 m;

float
f[4];

} x;

x.m = min128;

m_fMin = min(x.f[0], min(x.f[1], min(x.f[2], x.f[3])));

x.m = max128;

m_fMax = max(x.f[0], max(x.f[1], max(x.f[2], x.f[3])));

}

// 输入: m_fInitialArray
// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax
void CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonSseC()
{
     __m128 coeff = _mm_set_ps1(2.8f);       // coeff[0, 1, 2, 3] = 2.8
     __m128 tmp;
     __m128 min128 = _mm_set_ps1(FLT_MAX);   // min128[0, 1, 2, 3] = FLT_MAX
     __m128 max128 = _mm_set_ps1(FLT_MIN);   // max128[0, 1, 2, 3] = FLT_MIN
     __m128* pSource = (__m128*) m_fInitialArray;
     __m128* pDest = (__m128*) m_fResultArray;
     for ( int i = 0; i < ARRAY_SIZE/4; i++ )
     {
         tmp = _mm_mul_ps(*pSource, coeff);       // tmp = *pSource * coeff
         *pDest = _mm_sqrt_ps(tmp);               // *pDest = sqrt(tmp)
         min128 =   _mm_min_ps(*pDest, min128);
         max128 =   _mm_max_ps(*pDest, max128);
         pSource++;
         pDest++;
     }
     // 计算max128的最大值和min128的最小值
     union u
     {
         __m128 m;
         float f[4];
     } x;
     x.m = min128;
     m_fMin = min(x.f[0], min(x.f[1], min(x.f[2], x.f[3])));
     x.m = max128;
     m_fMax = max(x.f[0], max(x.f[1], max(x.f[2], x.f[3])));
}


使用SSE汇编指令的C++函数代码:

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print
?

// 输入: m_fInitialArray


// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax


void
CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonSseAssembly()

{



float
* pIn = m_fInitialArray;

float
* pOut = m_fResultArray;

float
f = 2.8f;

float
flt_min = FLT_MIN;

float
flt_max = FLT_MAX;

__m128 min128;

__m128 max128;

// 使用以下的附加寄存器:xmm2、xmm3、xmm4:


// xmm2 – 相乘系数


// xmm3 – 最小值


// xmm4 – 最大值


_asm

{

movss xmm2, f // xmm2[0] = 2.8


shufps xmm2, xmm2, 0 // xmm2[1, 2, 3] = xmm2[0]


movss xmm3, flt_max // xmm3 = FLT_MAX


shufps xmm3, xmm3, 0 // xmm3[1, 2, 3] = xmm3[0]


movss xmm4, flt_min // xmm4 = FLT_MIN


shufps xmm4, xmm4, 0 // xmm3[1, 2, 3] = xmm3[0]


mov esi, pIn // 输入数组的地址送往esi


mov edi, pOut // 输出数组的地址送往edi


mov ecx, ARRAY_SIZE/4 // 循环计数器初始化


start_loop:

movaps xmm1, [esi] // xmm1 = [esi]


mulps xmm1, xmm2 // xmm1 = xmm1 * xmm2


sqrtps xmm1, xmm1 // xmm1 = sqrt(xmm1)


movaps [edi], xmm1 // [edi] = xmm1


minps xmm3, xmm1

maxps xmm4, xmm1

add esi, 16

add edi, 16

dec ecx

jnz start_loop



movaps min128, xmm3

movaps max128, xmm4

}

union
u

{

__m128 m;

float
f[4];

} x;

x.m = min128;

m_fMin = min(x.f[0], min(x.f[1], min(x.f[2], x.f[3])));

x.m = max128;

m_fMax = max(x.f[0], max(x.f[1], max(x.f[2], x.f[3])));

}

// 输入: m_fInitialArray
// 输出: m_fResultArray, m_fMin, m_fMax
void CSSESampleDlg::OnBnClickedButtonSseAssembly()
{
   
     float* pIn = m_fInitialArray;
     float* pOut = m_fResultArray;
     float f = 2.8f;
     float flt_min = FLT_MIN;
     float flt_max = FLT_MAX;
     __m128 min128;
     __m128 max128;
     // 使用以下的附加寄存器:xmm2、xmm3、xmm4:
     // xmm2 – 相乘系数
     // xmm3 – 最小值
     // xmm4 – 最大值
     _asm
     {
         movss    xmm2, f                          // xmm2[0] = 2.8
         shufps   xmm2, xmm2, 0                    // xmm2[1, 2, 3] = xmm2[0]
         movss    xmm3, flt_max                    // xmm3 = FLT_MAX
         shufps   xmm3, xmm3, 0                    // xmm3[1, 2, 3] = xmm3[0]
         movss    xmm4, flt_min                    // xmm4 = FLT_MIN
         shufps   xmm4, xmm4, 0                    // xmm3[1, 2, 3] = xmm3[0]
         mov          esi, pIn                     // 输入数组的地址送往esi
         mov          edi, pOut                    // 输出数组的地址送往edi
         mov          ecx, ARRAY_SIZE/4            // 循环计数器初始化
start_loop:
         movaps       xmm1, [esi]                  // xmm1 = [esi]
         mulps        xmm1, xmm2                   // xmm1 = xmm1 * xmm2
         sqrtps       xmm1, xmm1                   // xmm1 = sqrt(xmm1)
         movaps       [edi], xmm1                  // [edi] = xmm1
         minps        xmm3, xmm1
         maxps        xmm4, xmm1
         add          esi, 16
         add          edi, 16
         dec          ecx
         jnz          start_loop
         movaps       min128, xmm3
         movaps       max128, xmm4
     }
     union u
     {
         __m128 m;
         float f[4];
     } x;
     x.m = min128;
     m_fMin = min(x.f[0], min(x.f[1], min(x.f[2], x.f[3])));
     x.m = max128;
     m_fMax = max(x.f[0], max(x.f[1], max(x.f[2], x.f[3])));
}


参考文档:

[1]MSDN, SSE技术主题:

http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vclang/html/vcrefstreamingsimdextensions.asp

[2]Intel软件说明书(Intel Software manuals):

http://developer.intel.com/design/archives/processors/mmx/index.htm


[3] Kris Jearakul的瀑布状图表控件:http://www.codeguru.com/controls/Waterfall.shtml


[4] Microsoft Visual C++ CPUID示例:

http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/vcsample/html/vcsamcpuiddeterminecpucapabilities.asp

[5] Matt Pietrek在Microsoft Systems Journal 1998年2月刊上的评论文章:

http://www.microsoft.com/msj/0298/hood0298.aspx
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