關於Intel處理器架構中AVX2里Gather特性的說明

在Intel Haswell架構里引入了Gather特性。它使得CPU可以使用向量索引存儲器編址從存儲器取非連續的數據元素。這些gather指令引入了一種新的存儲器尋址形式，該形式由一個基地址寄存器（仍然是通用目的寄存器）和通過一個向量寄存器（XMM或YMM）所指定的多個索引構成。數據元素大小支持32位與64位，並且數據類型支持浮點型和整型。

我們先回顧一下普通的x86尋址方式：[<base register> + <index register> * <scale> + <offset>]

在AT&T形式下表達為：<offset>(<base register>, <index register>, <scale>)

其中，<base register>為基地址寄存器；<index register>為索引寄存器；<scale>為刻度因子，它是一個立即數，並僅支持0，1，2，4，8這幾個值；<offset>表示偏移量，它是一個立即數。

那么下面我們就先來談談上面所提到的向量存儲器尋址。

向量SIB（VSIB）存儲器尋址

在AVX2中，跟在ModR/M字節后面的SIB（S表示Scale；I表示Index；B表示Base）字節可以支持對一組線性地址的VSIB存儲器尋址。VSIB尋址僅在AVX2指令的子集中支持。VSIB存儲器尋址要求32位或64位的有效尋址。在32位模式下，當地址大小屬性被重載為16位時，VSIB尋址不被支持。在16位保護模式下，VSIB尋址是被允許的，若地址大小屬性被重載為32位的話。此外，VSIB存儲器尋址僅伴隨VEX前綴而被支持。

在VSIB存儲器尋址中，SIB字節由以下部分組成：

●  刻度域（位7:6）指定了刻度因子。

●  索引域（位5:3）指定了向量索引寄存器的寄存器編號，該向量存儲器中的每個元素都指定了一個索引。

●  基地址域（位2:0）指定了基地址寄存器的編號。

比如：

vgatherdpd    %xmm0, 128(%rdi, %xmm2, 4), %xmm3

上述指令中，基地址寄存器為RDI，索引寄存器為XMM2，刻度因子是4，偏移量是128。而指令vgatherdpd是將索引寄存器的元素作為雙字（即4字節）進行划分，然后乘上刻度因子后加到基地址上。而偏移量則作用於每個基地址元素。

下面我們將提供一個比較完整的示例代碼來描述VGATHERDPD指令。

先看匯編指令：

_InstTest:

    // 設置索引寄存器的每個元素
    mov     $4, %eax
    // 前一個索引為4
    movd    %eax, %xmm2
    mov     $8, %eax
    // 后一個索引為8
    pinsrd  $1, %eax, %xmm2

    // 將兩個double元素的mask全都置1
    mov     $0xffffffffffffffff, %rax
    movq    %rax, %xmm0
    punpcklqdq  %xmm0, %xmm0

    vgatherdpd    %xmm0, 8(%rdi, %xmm2, 2), %xmm3

    ret

這里，rdi寄存器作為第一個輸入參數，存放了基地址。

下面是C函數的調用：

int main(void)
{    
    extern void InstTest(void *p);
    
    unsigned __attribute__((aligned(64))) buffer[] = { 0x01020304, 0x05060708, 0x090a0b0c, 0x10121314, 0x15161718, 0x191a1b1c, 0x20212223, 0x24252627 };
    
    InstTest(buffer);

    return 0;
}

我們通過在return 0;這條語句設置斷點，然后通過lldb調試器可以發現XMM3寄存器的最后內容為：

xmm3 = {0x18 0x17 0x16 0x15 0x1c 0x1b 0x1a 0x19 0x23 0x22 0x21 0x20 0x27 0x26 0x25 0x24}

。

以上代碼的編譯環境為：OS X 10.9.3, Xcode 5.1, Apple LLVM 5.1

運行環境為：MacBook Air 2013版，Intel Core i7 4650U, 8GB DDR3。