初心者のためのAdvanced Vector Extensions講座

はじめに

x86-AVX拡張命令は，その名に"Advanced"とつくことからわかるように，初心者を置き去りにしている．とにかく仕様がわかりにくいし，日本語のドキュメントがそこまで充実していない．と私は思いました．なので自分で書いてみようと思った次第です．筆者もまだ勉強中の身なので，間違いがあったらご指摘いただけると幸いです．

SIMDの気持ちを理解する

SIMD (Single Instruction, Muliple Data)は，頭文字にあるように，複数のデータ項目に対して同じ操作を同時に実行することができます．基本的な四則演算からデータ比較やブール演算，ビットシフトなどいろいろな命令が用意されています．例えば，図1に示すように，256-bit幅のオペランドは，64-bit整数を4個，32-bit整数を8個，16-bit整数を16個格納できます．図1.256-bit幅のオペランドで複数の整数を利用
図2は128-bit幅のオペランドをもつSIMD命令で，整数の加算が64-bit整数2個，複数のデータ項目を同時に処理することで，並列処理を実現している例です．図2.128-bit幅のオペランドで64-bit整数2つの加算を並列処理する例
ここで勘のいい人は気づくと思います．オーバーフローやアンダーフローが起こるんでは？と．x86-AVX拡張命令は，saturated演算をサポートしているので，計算結果がオーバーフローやアンダーフローするとき，プロセッサによって自動的に制限してくれます．図3では加算だけですが，減算もサポートしています．図３.8-bitの符号なし整数の加算でwraparoundとsaturatedの違い：wraparoundだとオーバーフローしてしまいます．
下にそれぞれの整数型のsaturated演算の範囲の制限をまとめておきます．

整数型	下限	上限
符号付き8-bit	-128	+127
符号なし8-bit	0	+255
符号付き16-bit	-32768	+32767
符号なし16-bit	0	+65535

命令の構文

x86-AVX拡張命令の構文は，通常，次の形式で表されます：

InstrMnemonic DesOp, SrcOp1, SrcOp2

ここで：

• InstrMnemonicはinstruction mnemonic，命令の種類を表します；
• DesOpはdestination operand，結果を格納するレジスタです；
• SrcOp1, SrcOp2はsource operand，演算に使用される入力のことです．

例えば，次のような命令を考えることができます：

VADDPS   ymm1, ymm2, ymm3

• VADDPSはベクトルの加算命令です；
• ymm1は結果を格納するレジスタです；
• ymm2, ymm3は加算に使用される2つのレジスタです．

ここで，"ymm"という見慣れないワードが出てきたので補足します．ゆっくりMovieMakerのことではありません
AVXをサポートするx86-64プロセッサは，YMM0からYMM15という名前の16個の256-bit幅のレジスタを内蔵しています．また図4のように，各YMMレジスタの下位128-bitはXMMレジスタとしてエイリアスされています．図4.AVXのもつレジスタセット：全部で16個あります．
下にまとめます．

レジスタ名	bit幅
XMM	128-bit
YMM	256-bit
ZMM	512-bit

(現在執筆中はここまでなので，次回以降にご期待ください．)