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HiroIshida
Asked: 2024-09-11 19:52:08 +0800 CST

为什么现代编译器在单浮点运算中更喜欢使用 SSE 而不是 FPU

  • 772

我最近尝试阅读我的代码的二进制汇编，发现很多浮点运算都是使用 XMM 寄存器和 SSE 指令完成的。例如，以下代码：

float square(float a) {
    float b = a + (a * a);
    return b;
}

将被编译成

        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        movss   DWORD PTR [rbp-20], xmm0
        movss   xmm0, DWORD PTR [rbp-20]
        mulss   xmm0, xmm0
        movss   xmm1, DWORD PTR [rbp-20]
        addss   xmm0, xmm1
        movss   DWORD PTR [rbp-4], xmm0
        movss   xmm0, DWORD PTR [rbp-4]
        pop     rbp
        ret

其他编译器的结果也类似。https ://godbolt.org/z/G988PGo6j

并带有-O3旗帜

        movaps  xmm1, xmm0
        mulss   xmm0, xmm0
        addss   xmm0, xmm1
        ret

这是否意味着使用 SIMD 寄存器和指令的操作通常比使用普通寄存器和 FPU 更快？

另外，我很好奇编译器决定使用 SSE 可能会失败的具体情况。

c

1 个回答

  1. Best Answer

    SSE 是作为 x87 FPU 的替代品而开发的，因为 x87 FPU 的设计有点特殊，很难为其生成代码。主要问题是：

    • 基于堆栈的处理器（如 x87 FPU）的代码生成不如基于寄存器的处理器那么容易理解，这使得许多编译器生成的代码充满了低效的额外fxch、fld和fst(p)指令。使用基于寄存器的架构（如 SSE）更容易做到这一点。
    • SSE 支持 SIMD 操作，如果使用的话，可以大大加快数组上的浮点运算。X87 不支持这种操作
    • 在 x87 FPU 上，使用的数据类型是 Intel 的 80 位浮点格式。浮点运算的精度使用控制寄存器配置，更改成本很高。因此，为 x87 单元生成代码的编译器将以全精度运行所有计算，即使程序员只需要单精度。这既会稍微改变结果，又会降低性能，因为更高精度的运算可能需要更多时间才能完成。此外，每次从 x87 单元加载和存储都涉及隐式数据类型转换。另一方面，SSE 单元在所使用的指令中编码精度，允许编译器使用程序员要求的准确精度。
    • 近期，CPU 厂商纷纷减少了对 x87 FPU 改进的投入（或者甚至取消了现有的改进，比如fxch重新命名），导致 x87 和 SSE 之间的性能差距越来越大。

    如果代码大小是个问题或者您需要 80 位浮点格式，我建议仅使用 x87 FPU。否则请坚持使用 SSE 或（在最近的处理器上）AVX。

    • 9

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