Аббревиатура MMX происходит от выражения MultiMedia eXtension - расширение для мультимедиа, которое реализовано фирмой Intel в своей новой серии процессоров MMX с тактовой частотой 166 и более МГц. Исторически сложилось так, что почти любое новое решение в области персональных компьютеров широко рекламируется и преподносится как эпохальное, сулящее невиданный доселе расцвет компьютерным технологиям, однако все мы помним, сколько раз подобная шумиха оборачивалась весьма скромным реальным эффектом. Процессоры MMX сейчас в моде, и хотя их цена довольно быстро падает - она все же существенно превышает цену обычного Pentium с той же тактовой частотой. Надеюсь, что после прочтения этой статьи Вы более уверенно сможете ответить на собственный вопрос: Pentium или Pentium MMX?

Процессор Pentium MMX отличается от "обычного" Pentium >по шести основным пунктам:

• добавлено 57 новых команд обработки данных;
• увеличен в два раза объем внутреннего кэша (16 кб для команд и столько же - для данных);
• увеличен объем буфера адресов перехода (Branch Target Buffer - BTB), используемого в системе предсказания переходов (Branch Prediction);
• оптимизирована работа конвейера (Pipeline);
• увеличено количество буферов записи (Write Buffers);
• введено так называемое двойное электропитание процессора.

Набор из 57 новых команд и является основным отличием; остальные два - не более, чем "сопутствующие изменения". Хотя увеличенный объем кэша и внутренних буферов и оптимизированный конвейер несколько ускоряют работу любых приложений, однако основное увеличение производительности - до 60% - возможно только при использовании программ, правильно применяющих технологию MMX в обработке данных.

Фактически вся история развития компьютеров представляет собой непрерывную гонку между быстродействием центрального процессора и прочих систем - памяти и внешних устройств. Особенно это заметно в системах мультимедиа, где идет обработка звука и изображения, цифровое представление которых занимает большие объемы памяти. Для эффективной обработки звука и видео при относительно низкой пропускной способности системной магистрали (шины) все большее количество функций переносится в аппаратуру - модемы, видео- и звуковые адаптеры. Это вызывает их заметное удорожание в сравнении с общей стоимостью компьютера, что особенно неприятно в обстановке быстрого морального старения всей компьютерной аппаратуры.

На самом деле, неспособность современного компьютера с процессором Pentium эффективно обрабатывать в реальном времени звук и видео без специальных карт происходит уже не столько от общего быстродействия процессора или шины, которые в большинстве случаев вполне достаточны, а от характера его набора команд обработки данных, известного под названием CISC (Common Instruction Set Computer - компьютер с общим набором команд). Этот набор, состоящий из относительно сложных арифметико-логических команд, ориентирован на типовые задачи обработки данных, без специальной "заточки" под особые приложения. Эта выгодная для большинства приложений, архитектура оказывается совершенно неэффективной при скоростной и специфической обработке больших массивов данных, поскольку сложная система команд используется на считанные проценты, а накладные расходы составляют десятки и сотни процентов.

Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в компьютерах SPARC и Silicon Graphics (технология RISC - Reduced Instruction Set Computer, компьютер с упрощенным набором команд), а также в компьютерах с параллельной архитектурой (технология SIMD: Single Instruction, Multiple Data - одна команда, много данных): классический процессор Pentium (CISC) с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных (SIMD).

Как уже говорилось, в Pentium MMX добавлено 57 новых команд обработки данных и, соответственно - четыре новых типа данных. За одну операцию команда MMX обрабатывает 64-разрядное двоичное слово (так называемое квадраслово, или QWord). Новые типы данных образуются от упаковки в квадраслово обычных типов - байтов (по 8), слов (по 4) или двойных слов (по 2). Четвертый тип представляет собой само квадраслово.

Таким образом, одна элементарная MMX-операция имеет дело либо с одним квадрасловом, что похоже на обычную операцию большой разрядности, либо с двумя двойными словами, четырьмя словами или восемью байтами, причем выполнение происходит одновременно и каждый элемент данных обрабатывается независимо от других. Подобные групповые операции преобладают во время обработки изображения (группы точек) и звука (группы значений амплитуды).

Набор MMX-команд состоит из команд пересылки данных, упаковки/распаковки, сложения/вычитания, умножения, сдвига, сравнения и поразрядных логических. Команды упаковки и сложения/вычитания могут работать в двух режимах: обычном, когда переполнение разрядной сетки вызывает "заворачивание" (wraparound) значения результата, и специальном, когда оно приводит к ограничению (clipping) результата до минимально или максимально допустимого значения. Режим ограничения в терминологии Intel называется Saturation (смешивание) - в нем особенно удобно выполнять смешивание цветов изображение или амплитуд звуковых сигналов, поскольку при обычном переполнении результат не имеет никакого смысла.

Команда умножения представлена тремя видами: первые два выполняют попарное умножение четырех слов с выбором либо старшей, либо младшей части результата, а третий выполняет операцию вида ab + cd для каждой пары из четырех слов операндов, что очень удобно при вычислении математических рядов.

Команды сдвига реализуют логический и арифметический сдвиги своих операндов (арифметический сдвиг отличается от логического тем, что при сдвиге вправо освободившиеся разряды заполняются копией знакового разряда, а не нулями, отчего он пригоден для умножения/деления знаковых операндов на степени двойки). Логические поразрядные команды выполняют операции И (AND), ИЛИ (OR), Исключающее ИЛИ (XOR), а также комбинированную команду И с инверсией одного из операндов (AND NOT), удобную для реализации "обратного выбора" по битовой маске.

Команды сравнения работают несколько необычно по сравнению с общепринятой логикой: вместо установки признаков для последующих команд перехода они генерируют единичные битовые маски для тех операндов, которые удовлетворяют условию, и нулевые - для остальных операндов. Последующие логические поразрядные операции могут выделить, погасить или как-то иначе обработать отмеченные таким образом операнды, которые в этом случае могут представлять собой точки изображения или отсчеты звукового сигнала.

Для обработки данных и хранения промежуточных результатов в Pentium MMX используются восемь 64-разрядных регистров MM0..MM7, которые физически совмещены со стеком регистров математического сопроцессора. При выполнении любой из MMX-команд происходит установка "режима MMX" с отметкой этого в слове состояния сопроцессора (FPU Tag Word). С этого момента стек регистров сопроцессора рассматривается как набор MMX-регистров; завершает работу в режиме MMX команда EMMS (End MultiMedia State). С одной стороны, такая реализация позволила обеспечить нормальную работу приложений, использующих MMX, в многозадачных системах, не поддерживающих эту технологию, поскольку все подобные системы создают собственную копию содержимого стека сопроцессора и слова его состояния для каждого процесса. С другой стороны, переход между режимами занимает значительное время, и совмещение, например, в одном цикле команд сопроцессора с командами MMX может не только не ускорить, а даже существенно замедлить выполнение программы. Поэтому для достижения наилучших результатов рекомендуется группировать эти команды отдельно друг от друга, что на самом деле не представляет никакой сложности.

Так как MMX - достаточно узкоспециализированное расширение системы команд процессора, нельзя ожидать кардинального ускорения работы только от самого факта перехода на процессор MMX. Как уже было сказано, на приложениях общего характера, "незнакомых" с MMX, реальная производительность возрастает лишь на единицы процентов, хотя тесты могут показывать ее возрастание на 20-30% - это происходит из-за цикличности большинства тестов, когда большая часть цикла попадает в увеличенный внутренний кэш.