Intel大坑之中的一个：丢失的SSE2 128bit/64bit 位移指令，马航MH370？？

2022-12-10 16:51:24

缘由

　　近期在写一些字符串函数的优化，兴趣使然。但是写的过程中，想要实现 SSE2 128 bit / 64 bit 的按 bit 逻辑位移。遇到了一个大坑，且听我娓娓道来。

　　我并不想用什么马航370来博眼球。当我写下这个标题的时候，的确没有马航370这个字眼，但是当我写到一半的时候，突然就冒出了马航370这几个字，假设你认真阅读了我的文章，或许你也应该思考一下。这 128 bit / 64 bit 的位移指令究竟是去哪了？石沉大海了？那不就跟马航370一样吗，是一个谜，一个很很大的谜。。。。

　　假设你对 MMX, SSE 位移指令不太懂，能够先看看：

http://tommesani.com/index.php/simd/44-mmx-shift.html ,

这个比較easy理解，我当初学习 MMX, SSE 指令都是从这里開始的。

可是这个仅仅写到 MMX 指令集，更新的版本号看后面的。

逻辑位移

对于 MMX, SSE 的位移指令。我们非常自然的想到：

逻辑左移：PSLLW/PSLLD/PSLLQ。Shift Packed Data Left Logical (压缩逻辑左移)

逻辑右移：PSRLW/PSRLD/PSRLQ，Shift Packed Data Right Logical (压缩逻辑右移)

顾名思义，W 指的是Word(字)，D 指的 DWORD (双字)，Q 指的是 QWORD (四字)，PSLLW 实现的是按 Word 的分组逻辑左移，

PSLLD 是按 DWORD 的分组逻辑左移，PSLLQ 是按 QWORD 实现的分组逻辑左移，这一切看起来都非常 OK 。

这里以逻辑左移为例：

关于详细的逻辑左移指令的说明，可參考：

http://moeto.comoj.com/project/intel/instruct32_hh/vc256.htm

或者 http://x86.renejeschke.de/html/file_module_x86_id_259.html，

右移也是类似的。在此不再螯述。

问题来了

　　我们要实现的是 128bit 的逻辑位移，SSE2 里面有 PSLLDQ /
PSRLDQ 指令，这里 DQ 即是 Double QWORD 的意思。

这不正好是我们须要的 128bit 按 bit 位移吗？Ｎｏ！。别高兴得太早。我们来看看 Intel 的文档：

PSLLDQ--Packed
Shift Left Logical Double Quadword

或

http://moeto.comoj.com/project/intel/instruct32_hh/vc255.htm

截图例如以下：

我们看到。非常遗憾。SSE2 并没有实现 128bit 的按 bit 位移，PSLLDQ 仅仅能实现 128bit 的按 byte 位移。即最小位移量必须是一个 byte (即8个bit)，这非常不科学，更不科学的是位移量仅仅能是马上数。考虑到 Intel 并未真正实现 128bit 数据处理(SSE 大多数指令都仅仅实现了最多 64bit 粒度的数据处理。比如一个双精度浮点数是 64bit 的)。好吧，我们认了。可是！！可是。！

Intel 你没搞错吧。PSLLDQ 的操作数仅仅支持 imm8，imm8 意味着什么？imm8
是 8 位马上数的意思。那就是说我们仅仅能在汇编里写死(常数)。不能使用不论什么寄存器来做位移量。What the fu*K？？

好吧，这我们也认了。。。CPU 是你设计的，我们拿你没办法。说句题外话。假设 PSLLDQ 支持 reg32, reg64 寄存器位移的话，会方便非常多，由于我们能够先用 PSLLDQ 位移足够位数的按 Byte 位移，然后再用 PSLLQ 位移剩下的剩余量（这是后话，为什么要这么用。到后面你就知道），但是，如今这样的方法都不行。！

这个 imm8 彻底让我蛋碎了。。。PSLLQ 对于128 bit 寄存器一次仅仅能移 16 位（先破埂了）。那么意味这我们假设要用这样的方法，要 if / jump 好几次。

。

大坑開始

好吧，我们退而求其次。既然你不能实现 128 bit 的按 bit 位移。那我们分成两个 64 bit 的位移来实现好了，无非是多一次推断，多一次合并。尽管效率没有直接128 bit 位移的高，可是苦于你没实现嘛，仅仅能这么干了。。

。

好吧，我们開始吧。。

。。GO！

。。好了，我们换成 PSLLQ 了，运行PSLLQ xmm0, 32 或 PSLLQ xmm0, ecx (这里ecx的值为32)，咦？xmm0怎么全为0了？？啊，怎么回事？？

我们回过头来又一次看看 intel 的文档：

重点看两个我用红线框起来的。当 PSLLQ 作用于 64 bit 的寄存器时。我们看到是最大支持 COUNT = 64 位的位移（严格意义上讲是 max = 63。这个不纠结了。习惯问题。下同）。

可是当 PSLLQ 作用于 128 bit 寄存器时。奇怪的事情发生了，最大仅仅支持 COUNT = 16 位的位移（严格意义上是15位），如上图所看到的。

假设不是又一次看 Intel 的文档，假设不是调试中发现问题，谁能想到最多仅仅能移15位？？？Intel 的脑袋是被门夹了吗？？Why？？MMX 寄存器上都能够实现最多 63 位的位移， SSE 寄存器为什么就不能够？尽管我们知道 MMX 寄存器和 SSE 寄存器是不一样的，分开的，MMX 寄存器是借用 x87 浮点寄存器来实现 MMX 指令的，但是你在 MMX 寄存器上实现了 64 bit 的位移，为什么在 128 bit 的 SSE 寄存器上却仅仅能移最多 15 位？？你说难以实现，我认了。我不太懂为什么那么难。我们仅仅能认了。但是你却实现了
128 bit 的按 byte 位移的 PSLLDQ 指令，这又作何解释？？本来顾名思义，PSLLDQ 就来就应该是实现 128 bit 的按 bit 位移，限于历史原因，这个没实现我能够理解。但是你没有理由在 PSLLQ 作用于 128 bit 的 SSE 寄存器时却最多仅仅能位移 15 位吧？？这真的有那么难吗？？真的难吗？？？？真的那么难。你又是怎么实现 PSLLDQ 的 128 bit 按 Byte 位移的？？

寻求答案

带着这些疑问，我们问了一下 Google 老先生，搜索“128 bit shift”，发现 N 多小伙伴都遇到过这个问题，比如：

Looking
for sse 128 bit shift operation for non-immediate shift value

What is SSE !@#$% good for?

#2: Bit vector operations

最后，Google老先生告诉了我们一个最好的解答，来自 Intel 的论坛，在这里：

Missing instruction in SSE: PSLLDQ with _bit_ shift amount?

是这种，截图例如以下：

首先，Intel 是承认这个 missing instruction（丢失的指令）的，我们也意识到 missing instruction 无处不在。仅仅是这个有点过分。

上面的回复，大意是：(E文不是太好，用 Google 辅助翻译的。见谅)

Hi Geoff,

　　我们的一个project师提供了下面回应，并做一些澄清。

　　你这个问题是正确的，对于 SIMD(单指令多数据流) 来说。在当前的指令集里，bit 位移是比按 byte 位移难于实现的（指的是 SSE 寄存器

的 128 bit 按 bit 位移）。不幸的是。这不是一个小改变。实现一个这种按 bit 位移指令。

这里有很多其它的改变比简单的在马上字节里适应位移

距离－－硬件实际完毕按 bit 位移是一个被限制的问题。

　　假设你有一个使用案例关于为什么这个操作是实用的，随着应用程序将受益于这个操作。这是我们有兴趣听到的。普通情况下，我们试图

设计新的指令来满足特定的需求。而不是仅仅是提供 "missing instuctions“ (丢失指令)的支持。从实际情况来看，有非常多这种 "missing instuctions“

——更有趣的问题是。假设在实际的应用中应对这些 "missing instuctions“ 所带来的问题。

博主观点：

　　对于 128 bit 的按 bit 位移比較难以实现。这我能理解，但是 PSLLQ 对于 SSE 的 128bit 寄存器仅仅能最多位移15位我就不能理解了……

SSE2 的 128bit/64bit 位移你在哪里，为什么是15而不是31，63？亲爱的马航MH370，你究竟在哪里？为什么要选择飞中国的航班？为什么？？

解决之道

解决的办法有非常多种，前面也讲过一个。就是：假设你要左移 count 位。先用 PSLLDQ 位移 x * 8 位。这个是纯 128 bit 的位移，然后再用 PSLLQ 位移剩下的 y = (count - x * 8) 位，这里 y 要小于 16。可是因为 PSLLDQ 仅仅能运行imm8马上数。所以你要先 if / jump 推断一下 count 的值。分别运行 PSLLDQ xmm0, 32; 或 PSLLDQ xmm0, 16; 或 PSLLDQ xmm0, 8; PSLLDQ xmm0, 4;
PSLLDQ xmm0, 2; 以后。再运行 PSLLQ 位移剩下的 Y 位。这里PSLLDQ xmm0, 32或许能够用别的 SSE Shuffle 指令取代。可是是一样的，最大的问题是你要先 if 先推断一下再运行对应的指令。这样的方法并不见得高效。

我们再来找一些好一点的办法：

既然，SSE 里我们没办法实现 64 bit 的位移，可是 MMX 寄存器里是能够的，可是我们又要在 SSE 寄存器里实现，那么我们能够先把数据从 SSE 寄存器里转移到 MMX 寄存器。位移好了，再合并到 SSE 寄存器里。尽管这个过程有点繁琐，可是相比上面第一种方法。还是高效了不少，并且有一关键的地方，非常多时候。我们要做这个位移，都是接近终于输出结果的时候，这个时候就不必把数据合并回 SSE 寄存器了，能够直接用 MMX 寄存器的值作为输出就可以，这样又快了一点儿。还不赖。

还有没有解决的办法，应该还有，容我再想一想，或者读者你也想想？有网友贴了 AVX 版的 VPSLLDQ 指令说明，但是相同仅仅支持 imm8 马上数，并且并非全部人的 CPU 都支持 AVX 的，博主本人的 CPU 就不支持。

后记

我们如今遇到的问题做一个比喻，就是：我们前面有三条路，一条是大路，一条是小路，一条是其它未知的路，我们以为大路(PSLLDQ)最快。于是选择先走了大路，结果发现直接走是过不去的；转而选择小路(PSLLQ)，走小路，结果发现有个陷阱，这个陷阱让我们到不了目的地，仅仅能达到1/4。然后再回过头来看看大路。大路事实上能够过去的，可是踩下去以后全是泥潭(仅仅支持马上数的128位 byte 位移)，要走过去，非常艰难。那么我们仅仅能选择第三条未知的路了(各种其它指令的组合模拟实现）。

Intel 的 MMX, SSE 各种缺失的指令由来已久，指令的设计也是混乱不勘，另一个比較著名的就是仅仅实现了POR, PAND, PANDN(and not)，没有实现 PNOT (即对MMX, SSE寄存器取反)，尽管 PNOT 的确能够用 PANDN 实现（你至少须要2个寄存器），或者用 PCMPEQB xmm0, xmm0 来实现全置 1 的操作，可是有可能添加了寄存器的占用，可能会添加指令周期，反正是各种不好。尽管影响不算大，可是有时候寄存器捉襟见肘的时候，还是很蛋疼的。

另一点更可笑的是。我跟你说了，你一定会相信 Intel 是荒唐的，我们的确须要的是无符号的逻辑左/右移，可是假设你要实现的是有符号的右移(算术右移)，能够使用 PSRAW/PSRAD 指令 - 压缩算术右移，另外说一下。不存在算术左移。由于算术左移和逻辑左移是一回事。可參考：

http://moeto.comoj.com/project/intel/instruct32_hh/vc257.htm

很可笑的是。在这里。Intel 却实现了对于 128 bit 寄存器最多 31 位的位移，更可笑的。对于 64 bit 寄存器最多的位移数也是 31（见上面的链接）。这你能懂？？？究竟是我们的智商有问题，还是 Intel 的智商有问题？！

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看下图：