Intel® 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual

CHAPTER 1
INTRODUCTION
1.1
TUNING YOUR APPLICATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.2
ABOUT THIS MANUAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.3
RELATED INFORMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3
CHAPTERINTEL®2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.4.1
2.2.5
2.2.6
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.2.1
2.3.2.2
2.3.2.3
2.3.2.4
2.3.3
2.3.3.1
2.3.3.2
2.3.4
2.3.5
2.3.5.1
2.3.5.2
2.3.5.3
2.3.5.4
2.3.6
2.3.7
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.2.1
2.4.2.2
2.4.2.3
2.4.2.4
2.4.2.5
2.4.2.6
2.4.3
2.4.3.1
2.4.4
2.4.4.1
2.4.4.2
2.4.4.3
2
64 AND IA-32 PROCESSOR ARCHITECTURES
THE SKYLAKE MICROARCHITECTURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2
The Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-3
The Out-of-Order Execution Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-3
Cache and Memory Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-5
THE HASWELL MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6
The Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-8
The Out-of-Order Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-8
Execution Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-9
Cache and Memory Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
Load and Store Operation Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
The Haswell-E Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
The Broadwell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-13
INTEL® MICROARCHITECTURE CODE NAME SANDY BRIDGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-14
Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge Pipeline Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-14
The Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16
Legacy Decode Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16
Decoded ICache. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18
Branch Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19
Micro-op Queue and the Loop Stream Detector (LSD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19
The Out-of-Order Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-20
Renamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21
Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21
The Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22
Cache Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-23
Load and Store Operation Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-24
L1 DCache. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-25
Ring Interconnect and Last Level Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-29
Data Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-29
System Agent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-30
Intel® Microarchitecture Code Name Ivy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-31
INTEL® CORETM MICROARCHITECTURE AND ENHANCED INTEL® CORETM MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . 2-32
Intel® CoreTM Microarchitecture Pipeline Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-33
Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-34
Branch Prediction Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-34
Instruction Fetch Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-35
Instruction Queue (IQ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-35
Instruction Decode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-36
Stack Pointer Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-36
Micro-fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-36
Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-37
Issue Ports and Execution Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-38
Intel® Advanced Memory Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-39
Loads and Stores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-40
Data Prefetch to L1 caches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-41
Data Prefetch Logic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-41
iiCONTENTS
2.4.4.4
2.4.4.5
2.4.5
2.4.5.1
2.4.5.2
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.3.1
2.5.4
2.5.5
2.5.5.1
2.5.5.2
2.5.6
2.5.7
2.5.8
2.5.9
2.6
2.6.1
2.6.1.1
2.6.1.2
2.6.1.3
2.6.2
2.6.3
2.6.4
2.6.5
2.7
2.8
2.9
2.9.1
2.9.2
2.9.3
2.9.4
2.9.5
2.9.6
2.9.7
2.9.8
2.9.9
2.9.10
2.9.11
2.9.12
2.9.13
2.9.14
2.9.15
2.9.16
2.9.17
PAGE
Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-42
Memory Disambiguation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-43
Intel® Advanced Smart Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-43
Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-45
Stores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-45
INTEL® MICROARCHITECTURE CODE NAME NEHALEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-46
Microarchitecture Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-46
Front End Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-48
Execution Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-49
Issue Ports and Execution Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-50
Cache and Memory Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-51
Load and Store Operation Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-52
Efficient Handling of Alignment Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-52
Store Forwarding Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-52
REP String Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-54
Enhancements for System Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-55
Efficiency Enhancements for Power Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-55
Hyper-Threading Technology Support in Intel® Microarchitecture Code Name Nehalem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-55
INTEL® HYPER-THREADING TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-55
Processor Resources and HT Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-57
Replicated Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-57
Partitioned Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-57
Shared Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-58
Microarchitecture Pipeline and HT Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-58
Front End Pipeline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-58
Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-58
Retirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-59
INTEL® 64 ARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-59
SIMD TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-59
SUMMARY OF SIMD TECHNOLOGIES AND APPLICATION LEVEL EXTENSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-61
MMXTM Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-62
Streaming SIMD Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-62
Streaming SIMD Extensions 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-62
Streaming SIMD Extensions 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-62
Supplemental Streaming SIMD Extensions 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-62
SSE4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-63
SSE4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-63
AESNI and PCLMULQDQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-63
Intel® Advanced Vector Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-64
Half-Precision Floating-Point Conversion (F16C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-64
RDRAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-64
Fused-Multiply-ADD (FMA) Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-64
Intel AVX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-65
General-Purpose Bit-Processing Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-65
Intel® Transactional Synchronization Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-65
RDSEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-65
ADCX and ADOX Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2-65
CHAPTER 3
GENERAL OPTIMIZATION GUIDELINES
3.1
PERFORMANCE TOOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1
3.1.1
Intel® C++ and Fortran Compilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-1
3.1.2
General Compiler Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-2
3.1.3
VTuneTM Performance Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-2
3.2
PROCESSOR PERSPECTIVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-2
3.2.1
CPUID Dispatch Strategy and Compatible Code Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-3
3.2.2
Transparent Cache-Parameter Strategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-3
3.2.3
Threading Strategy and Hardware Multithreading Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-3
3.3
CODING RULES, SUGGESTIONS AND TUNING HINTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3
3.4
OPTIMIZING THE FRONT END . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-4
3.4.1
Branch Prediction Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-4
3.4.1.1
Eliminating Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-5
3.4.1.2
Spin-Wait and Idle Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-6
3.4.1.3
Static Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-6
iv
3.4.1.4
3.4.1.5
3.4.1.6
3.4.1.7
3.4.1.8
3.4.2
3.4.2.1
3.4.2.2
3.4.2.3
3.4.2.4
3.4.2.5
3.4.2.6
3.4.2.7
3.5
OPTIMIZING3.5.1
3.5.1.1
3.5.1.2
3.5.1.3
3.5.1.4
3.5.1.5
3.5.1.6
3.5.1.7
3.5.1.8
3.5.1.9
3.5.1.10
3.5.1.11
3.5.1.12
3.5.1.13
3.5.2
3.5.2.1
3.5.2.2
3.5.2.3
3.5.2.4
3.5.2.5
3.5.2.6
3.5.2.7
3.5.3
3.5.4
3.5.4.1
3.5.4.2
3.5.4.3
3.5.4.4
3.6
OPTIMIZING3.6.1
3.6.1.1
3.6.1.2
3.6.1.3
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.5
3.6.5.1
3.6.5.2
3.6.6
3.6.7
3.6.8
3.6.8.1
3.6.8.2
3.6.9
3.6.9.1
3.6.9.2
3.6.10
3.6.11
3.6.12
3.6.13
CONTENTS
PAGE
Inlining, Calls and Returns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-8
Code Alignment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-8
Branch Type Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-9
Loop Unrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11
Compiler Support for Branch Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11
Fetch and Decode Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12
Optimizing for Micro-fusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12
Optimizing for Macro-fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-12
Length-Changing Prefixes (LCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-16
Optimizing the Loop Stream Detector (LSD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-17
Exploit LSD Micro-op Emission Bandwidth in Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge. . . . . . . . 3-18
Optimization for Decoded ICache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-19
Other Decoding Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-20
THE EXECUTION CORE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-20
Instruction Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-20
Use of the INC and DEC Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-21
Integer Divide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-21
Using LEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-22
ADC and SBB in Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-23
Bitwise Rotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-24
Variable Bit Count Rotation and Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-25
Address Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-25
Clearing Registers and Dependency Breaking Idioms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-26
Compares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-27
Using NOPs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-28
Mixing SIMD Data Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-29
Spill Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-29
Zero-Latency MOV Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-29
Avoiding Stalls in Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-31
ROB Read Port Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-31
Writeback Bus Conflicts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-32
Bypass between Execution Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-32
Partial Register Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-33
Partial XMM Register Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-34
Partial Flag Register Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-34
Floating-Point/SIMD Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-35
Vectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-36
Optimization of Partially Vectorizable Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-37
Alternate Packing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-38
Simplifying Result Passing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-39
Stack Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-40
Tuning Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-40
MEMORY ACCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-42
Load and Store Execution Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-42
Make Use of Load Bandwidth in Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-42
L1D Cache Latency in Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-43
Handling L1D Cache Bank Conflict . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-44
Minimize Register Spills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-45
Enhance Speculative Execution and Memory Disambiguation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-46
Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-47
Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-48
Store-to-Load-Forwarding Restriction on Size and Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-49
Store-forwarding Restriction on Data Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-53
Data Layout Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-54
Stack Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-56
Capacity Limits and Aliasing in Caches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-57
Capacity Limits in Set-Associative Caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-57
Aliasing Cases in the Pentium® M, Intel® CoreTM Solo, Intel® CoreTM Duo and Intel® CoreTM 2 Duo Processors3-58
Mixing Code and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-59
Self-modifying Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-59
Position Independent Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-60
Write Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-60
Locality Enhancement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-61
Minimizing Bus Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-62
Non-Temporal Store Bus Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-62
v
CONTENTS
3.7
3.7.1
3.7.2
3.7.3
3.7.4
3.7.5
3.7.6
3.7.6.1
3.7.6.2
3.7.6.3
3.8
3.8.1
3.8.2
3.8.2.1
3.8.2.2
3.8.3
3.8.3.1
3.8.3.2
3.8.3.3
3.8.4
3.8.4.1
3.8.4.2
3.8.5
3.8.5.1
3.8.5.2
3.9
PAGE
PREFETCHING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-63
Hardware Instruction Fetching and Software Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-63
Hardware Prefetching for First-Level Data Cache. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-64
Hardware Prefetching for Second-Level Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-66
Cacheability Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-66
REP Prefix and Data Movement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-66
Enhanced REP MOVSB and STOSB operation (ERMSB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-69
Memcpy Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-69
Memmove Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-70
Memset Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-71
FLOATING-POINT CONSIDERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-71
Guidelines for Optimizing Floating-point Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-71
Microarchitecture Specific Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-72
Long-Latency FP Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-72
Miscellaneous Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-72
Floating-point Modes and Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-72
Floating-point Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-72
Dealing with floating-point exceptions in x87 FPU code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-73
Floating-point Exceptions in SSE/SSE2/SSE3 Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-73
Floating-point Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-73
Rounding Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-74
Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-76
x87 vs. Scalar SIMD Floating-point Trade-offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-76
Scalar SSE/SSE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-76
Transcendental Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-77
MAXIMIZING PCIE PERFORMANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3-77
CHAPTERCODING4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.1.7
4.1.8
4.1.9
4.1.10
4.1.11
4.1.12
4.1.13
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.1.1
4.3.1.2
4.3.1.3
4.3.1.4
4.4
4.4.1
4.4.1.1
4.4.1.2
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.4.4.1
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4
FOR SIMD ARCHITECTURES
CHECKING FOR PROCESSOR SUPPORT OF SIMD TECHNOLOGIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-1
Checking for MMX Technology Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-2
Checking for Streaming SIMD Extensions Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-2
Checking for Streaming SIMD Extensions 2 Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-2
Checking for Streaming SIMD Extensions 3 Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-3
Checking for Supplemental Streaming SIMD Extensions 3 Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-3
Checking for SSE4.1 Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-4
Checking for SSE4.2 Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-4
DetectiON of PCLMULQDQ and AESNI Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-4
Detection of AVX Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-5
Detection of VEX-Encoded AES and VPCLMULQDQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-7
Detection of F16C Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-7
Detection of FMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-8
Detection of AVX2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-9
CONSIDERATIONS FOR CODE CONVERSION TO SIMD PROGRAMMING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-10
Identifying Hot Spots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12
Determine If Code Benefits by Conversion to SIMD Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12
CODING TECHNIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-12
Coding Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-13
Assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
Intrinsics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-15
Automatic Vectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-16
STACK AND DATA ALIGNMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-17
Alignment and Contiguity of Data Access Patterns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-17
Using Padding to Align Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-17
Using Arrays to Make Data Contiguous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-17
Stack Alignment For 128-bit SIMD Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-18
Data Alignment for MMX Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-18
Data Alignment for 128-bit data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-19
Compiler-Supported Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-19
IMPROVING MEMORY UTILIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-20
Data Structure Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-20
Strip-Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-23
Loop Blocking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24
vi
4.6
4.6.1
4.7
CONTENTS
PAGE
INSTRUCTION SELECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-26
SIMD Optimizations and Microarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-27
TUNING THE FINAL APPLICATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-28
CHAPTEROPTIMIZING5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.3
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.4.6
5.4.7
5.4.8
5.4.9
5.4.10
5.4.11
5.4.12
5.4.13
5.4.14
5.4.15
5.4.16
5.5
5.6
5.6.1
5.6.2
5.6.3
5.6.4
5.6.5
5.6.6
5.6.6.1
5.6.6.2
5.6.7
5.6.8
5.6.9
5.6.10
5.6.11
5.6.12
5.6.13
5.6.14
5.6.15
5.6.16
5.6.17
5.7
5.7.1
5.7.1.1
5.7.2
5.7.2.1
5.7.2.2
5.7.2.3
5.7.3
5.8
5.8.1
5.8.1.1
5.8.1.2
5.9
5.10
5.10.1
5
FOR SIMD INTEGER APPLICATIONS
GENERAL RULES ON SIMD INTEGER CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-1
USING SIMD INTEGER WITH X87 FLOATING-POINT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-2
Using the EMMS Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-2
Guidelines for Using EMMS Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-2
DATA ALIGNMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-3
DATA MOVEMENT CODING TECHNIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-5
Unsigned Unpack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-5
Signed Unpack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-5
Interleaved Pack with Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-6
Interleaved Pack without Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-7
Non-Interleaved Unpack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-8
Extract Data Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-9
Insert Data Element. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-10
Non-Unit Stride Data Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11
Move Byte Mask to Integer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-12
Packed Shuffle Word for 64-bit Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-12
Packed Shuffle Word for 128-bit Registers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
Shuffle Bytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
Conditional Data Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-14
Unpacking/interleaving 64-bit Data in 128-bit Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-14
Data Movement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-14
Conversion Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-14
GENERATING CONSTANTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-14
BUILDING BLOCKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15
Absolute Difference of Unsigned Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15
Absolute Difference of Signed Numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-16
Absolute Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-16
Pixel Format Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-17
Endian Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-18
Clipping to an Arbitrary Range [High, Low] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-19
Highly Efficient Clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-19
Clipping to an Arbitrary Unsigned Range [High, Low] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-21
Packed Max/Min of Byte, Word and Dword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-21
Packed Multiply Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-21
Packed Sum of Absolute Differences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-22
MPSADBW and PHMINPOSUW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-22
Packed Average (Byte/Word) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-22
Complex Multiply by a Constant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-22
Packed 64-bit Add/Subtract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-23
128-bit Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-23
PTEST and Conditional Branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-23
Vectorization of Heterogeneous Computations across Loop Iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-24
Vectorization of Control Flows in Nested Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-25
MEMORY OPTIMIZATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-27
Partial Memory Accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28
Supplemental Techniques for Avoiding Cache Line Splits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-29
Increasing Bandwidth of Memory Fills and Video Fills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
Increasing Memory Bandwidth Using the MOVDQ Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
Increasing Memory Bandwidth by Loading and Storing to and from the Same DRAM Page . . . . . . . . . . . . 5-30
Increasing UC and WC Store Bandwidth by Using Aligned Stores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-31
Reverse Memory Copy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-31
CONVERTING FROM 64-BIT TO 128-BIT SIMD INTEGERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-34
SIMD Optimizations and Microarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-34
Packed SSE2 Integer versus MMX Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-34
Work-around for False Dependency Issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
TUNING PARTIALLY VECTORIZABLE CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
PARALLEL MODE AES ENCRYPTION AND DECRYPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-38
AES Counter Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-38
vii
CONTENTS
PAGE
5.10.2
AES Key Expansion Alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-46
5.10.3
Enhancement in Intel Microarchitecture Code Name Haswell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-48
5.10.3.1
AES and Multi-Buffer Cryptographic Throughput. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-48
5.10.3.2
PCLMULQDQ Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-48
5.11
LIGHT-WEIGHT DECOMPRESSION AND DATABASE PROCESSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-48
5.11.1
Reduced Dynamic Range Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-49
5.11.2
Compression and Decompression Using SIMD Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5-49
CHAPTER 6
OPTIMIZING FOR SIMD FLOATING-POINT APPLICATIONS
6.1
GENERAL RULES FOR SIMD FLOATING-POINT CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.2
PLANNING CONSIDERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-1
6.3
USING SIMD FLOATING-POINT WITH X87 FLOATING-POINT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2
6.4
SCALAR FLOATING-POINT CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2
6.5
DATA ALIGNMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-2
6.5.1
Data Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-2
6.5.1.1
Vertical versus Horizontal Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-3
6.5.1.2
Data Swizzling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-5
6.5.1.3
Data Deswizzling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-7
6.5.1.4
Horizontal ADD Using SSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-8
6.5.2
Use of CVTTPS2PI/CVTTSS2SI Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-10
6.5.3
Flush-to-Zero and Denormals-are-Zero Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-10
6.6
SIMD OPTIMIZATIONS AND MICROARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-11
6.6.1
SIMD Floating-point Programming Using SSE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-11
6.6.1.1
SSE3 and Complex Arithmetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-12
6.6.1.2
Packed Floating-Point Performance in Intel Core Duo Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-14
6.6.2
Dot Product and Horizontal SIMD Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-14
6.6.3
Vector Normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16
6.6.4
Using Horizontal SIMD Instruction Sets and Data Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-18
6.6.4.1
SOA and Vector Matrix Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-20
CHAPTER 7
OPTIMIZING CACHE USAGE
7.1
GENERAL PREFETCH CODING GUIDELINES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-1
7.2
PREFETCH AND CACHEABILITY INSTRUCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-2
7.3
PREFETCH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-3
7.3.1
Software Data Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-3
7.3.2
Prefetch Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-3
7.3.3
Prefetch and Load Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-5
7.4
CACHEABILITY CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-5
7.4.1
The Non-temporal Store Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-5
7.4.1.1
Fencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-6
7.4.1.2
Streaming Non-temporal Stores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-6
7.4.1.3
Memory Type and Non-temporal Stores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-6
7.4.1.4
Write-Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-6
7.4.2
Streaming Store Usage Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-7
7.4.2.1
Coherent Requests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-7
7.4.2.2
Non-coherent requests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-7
7.4.3
Streaming Store Instruction Descriptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-8
7.4.4
The Streaming Load Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-8
7.4.5
FENCE Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-8
7.4.5.1
SFENCE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-8
7.4.5.2
LFENCE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-9
7.4.5.3
MFENCE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-9
7.4.6
CLFLUSH Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7-9
7.4.7
CLFLUSHOPT Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-10
7.5
MEMORY OPTIMIZATION USING PREFETCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-12
7.5.1
Software-Controlled Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-12
7.5.2
Hardware Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-12
7.5.3
Example of Effective Latency Reduction with Hardware Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-13
7.5.4
Example of Latency Hiding with S/W Prefetch Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-14
7.5.5
Software Prefetching Usage Checklist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-15
viii
7.5.6
7.5.7
7.5.8
7.5.9
7.5.10
7.5.11
7.5.12
7.6
MEMORY7.6.1
7.6.2
7.6.2.1
7.6.2.2
7.6.2.3
7.6.2.4
7.6.2.5
7.6.2.6
7.6.2.7
7.6.2.8
7.6.3
7.6.3.1
7.6.3.2
7.6.3.3
CONTENTS
PAGE
Software Prefetch Scheduling Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-16
Software Prefetch Concatenation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-16
Minimize Number of Software Prefetches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-17
Mix Software Prefetch with Computation Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-19
Software Prefetch and Cache Blocking Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-19
Hardware Prefetching and Cache Blocking Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-23
Single-pass versus Multi-pass Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-24
OPTIMIZATION USING NON-TEMPORAL STORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-25
Non-temporal Stores and Software Write-Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-25
Cache Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-26
Video Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-26
Video Decoder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-26
Conclusions from Video Encoder and Decoder Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-27
Optimizing Memory Copy Routines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-27
TLB Priming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-28
Using the 8-byte Streaming Stores and Software Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-29
Using 16-byte Streaming Stores and Hardware Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-29
Performance Comparisons of Memory Copy Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-30
Deterministic Cache Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-31
Cache Sharing Using Deterministic Cache Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-32
Cache Sharing in Single-Core or Multicore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-32
Determine Prefetch Stride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7-32
CHAPTERMULTICORE8.1
8.1.1
8.1.2
8.2
8.2.1
8.2.1.1
8.2.2
8.2.3
8.2.3.1
8.2.4
8.2.4.1
8.2.4.2
8.2.4.3
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.3.5
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.4.4.1
8.4.5
8.4.6
8.4.7
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
8.5.4
8.5.5
8.6
8.6.1
8.6.2
8.6.2.1
8.6.2.2
8
AND HYPER-THREADING TECHNOLOGY
PERFORMANCE AND USAGE MODELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-1
Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-1
Multitasking Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-2
PROGRAMMING MODELS AND MULTITHREADING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-3
Parallel Programming Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-4
Domain Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-4
Functional Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-4
Specialized Programming Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-4
Producer-Consumer Threading Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-5
Tools for Creating Multithreaded Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-7
Programming with OpenMP Directives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-8
Automatic Parallelization of Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-8
Supporting Development Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-8
OPTIMIZATION GUIDELINES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-8
Key Practices of Thread Synchronization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-8
Key Practices of System Bus Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-9
Key Practices of Memory Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-9
Key Practices of Execution Resource Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-9
Generality and Performance Impact. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-10
THREAD SYNCHRONIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-10
Choice of Synchronization Primitives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-10
Synchronization for Short Periods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-11
Optimization with Spin-Locks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-13
Synchronization for Longer Periods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-13
Avoid Coding Pitfalls in Thread Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-14
Prevent Sharing of Modified Data and False-Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-14
Placement of Shared Synchronization Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-15
Pause Latency in Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-16
SYSTEM BUS OPTIMIZATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-17
Conserve Bus Bandwidth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-17
Understand the Bus and Cache Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18
Avoid Excessive Software Prefetches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18
Improve Effective Latency of Cache Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-18
Use Full Write Transactions to Achieve Higher Data Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-19
MEMORY OPTIMIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-19
Cache Blocking Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-19
Shared-Memory Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-20
Minimize Sharing of Data between Physical Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-20
Batched Producer-Consumer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-20
ix
CONTENTS
8.6.3
8.7
8.7.1
8.8
8.8.1
8.8.2
8.9
8.9.1
PAGE
Eliminate 64-KByte Aliased Data Accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-22
FRONT END OPTIMIZATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-22
Avoid Excessive Loop Unrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-22
AFFINITIES AND MANAGING SHARED PLATFORM RESOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-22
Topology Enumeration of Shared Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-24
Non-Uniform Memory Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-24
OPTIMIZATION OF OTHER SHARED RESOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-25
Expanded Opportunity for HT Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-26
CHAPTER 9
64-BIT MODE CODING GUIDELINES
9.1
INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1
9.2
CODING RULES AFFECTING 64-BIT MODE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-1
9.2.1
Use Legacy 32-Bit Instructions When Data Size Is 32 Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-1
9.2.2
Use Extra Registers to Reduce Register Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-1
9.2.3
Effective Use of 64-Bit by 64-Bit Multiplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-2
9.2.4
Replace 128-bit Integer Division with 128-bit Multiplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-2
9.2.5
Sign Extension to Full 64-Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-4
9.3
ALTERNATE CODING RULES FOR 64-BIT MODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-5
9.3.1
Use 64-Bit Registers Instead of Two 32-Bit Registers for 64-Bit Arithmetic Result. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-5
9.3.2
CVTSI2SS and CVTSI2SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-6
9.3.3
Using Software Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9-6
CHAPTER 10 SSE4.2 AND SIMD PROGRAMMING FOR TEXT-
PROCESSING/LEXING/PARSING
10.1
SSE4.2 STRING AND TEXT INSTRUCTIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-1
10.1.1
CRC32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4
10.2
USING SSE4.2 STRING AND TEXT INSTRUCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-5
10.2.1
Unaligned Memory Access and Buffer Size Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-5
10.2.2
Unaligned Memory Access and String Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6
10.3
SSE4.2 APPLICATION CODING GUIDELINE AND EXAMPLES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6
10.3.1
Null Character Identification (Strlen equivalent). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6
10.3.2
White-Space-Like Character Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-9
10.3.3
Substring Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-11
10.3.4
String Token Extraction and Case Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-18
10.3.5
Unicode Processing and PCMPxSTRy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-22
10.3.6
Replacement String Library Function Using SSE4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-26
10.4
SSE4.2 ENABLED NUMERICAL AND LEXICAL COMPUTATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-28
10.5
NUMERICAL DATA CONVERSION TO ASCII FORMAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-34
10.5.1
Large Integer Numeric Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-48
10.5.1.1
MULX Instruction and Large Integer Numeric Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-48
CHAPTER 11
OPTIMIZATIONS FOR INTEL® AVX, FMA AND AVX2
11.1
INTEL® AVX INTRINSICS CODING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2
11.1.1
Intel® AVX Assembly Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-4
11.2
NON-DESTRUCTIVE SOURCE (NDS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-5
11.3
MIXING AVX CODE WITH SSE CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-7
11.3.1
Mixing Intel® AVX and Intel SSE in Function Calls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-9
11.4
128-BIT LANE OPERATION AND AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-10
11.4.1
Programming With the Lane Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-11
11.4.2
Strided Load Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-11
11.4.3
The Register Overlap Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-14
11.5
DATA GATHER AND SCATTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-15
11.5.1
Data Gather . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-15
11.5.2
Data Scatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-17
11.6
DATA ALIGNMENT FOR INTEL® AVX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-19
11.6.1
Align Data to 32 Bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-19
11.6.2
Consider 16-Byte Memory Access when Memory is Unaligned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-20
11.6.3
Prefer Aligned Stores Over Aligned Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-22
11.7
L1D CACHE LINE REPLACEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-22
x
CONTENTS
PAGE
11.8
4K ALIASING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-22
11.9
CONDITIONAL SIMD PACKED LOADS AND STORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-23
11.9.1
Conditional Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-24
11.10 MIXING INTEGER AND FLOATING-POINT CODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-25
11.11 HANDLING PORT 5 PRESSURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-28
11.11.1
Replace Shuffles with Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-28
11.11.2
Design Algorithm With Fewer Shuffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-30
11.11.3
Perform Basic Shuffles on Load Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-32
11.12 DIVIDE AND SQUARE ROOT OPERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-34
11.12.1
Single-Precision Divide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-35
11.12.2
Single-Precision Reciprocal Square Root. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-37
11.12.3
Single-Precision Square Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-39
11.13 OPTIMIZATION OF ARRAY SUB SUM EXAMPLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-41
11.14 HALF-PRECISION FLOATING-POINT CONVERSIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-43
11.14.1
Packed Single-Precision to Half-Precision Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-43
11.14.2
Packed Half-Precision to Single-Precision Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-44
11.14.3
Locality Consideration for using Half-Precision FP to Conserve Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-45
11.15 FUSED MULTIPLY-ADD (FMA) INSTRUCTIONS GUIDELINES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-46
11.15.1
Optimizing Throughput with FMA and Floating-Point Add/MUL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-47
11.15.2
Optimizing Throughput with Vector Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-48
11.16 AVX2 OPTIMIZATION GUIDELINES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-49
11.16.1
Multi-Buffering and AVX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-54
11.16.2
Modular Multiplication and AVX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-54
11.16.3
Data Movement Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-54
11.16.3.1
SIMD Heuristics to implement Memcpy(). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-55
11.16.3.2
Memcpy() Implementation Using Enhanced REP MOVSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-55
11.16.3.3
Memset() Implementation Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-56
11.16.3.4
Hoisting Memcpy/Memset Ahead of Consuming Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-57
11.16.3.5
256-bit Fetch versus Two 128-bit Fetches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-57
11.16.3.6
Mixing MULX and AVX2 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-57
11.16.4
Considerations for Gather Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-64
11.16.4.1
Strided Loads. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-67
11.16.4.2
Adjacent Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-68
11.16.5
AVX2 Conversion Remedy to MMX Instruction Throughput Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-69
CHAPTER 12
INTEL® TSX RECOMMENDATIONS
12.1
INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-1
12.1.1
Optimization Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2
12.2
APPLICATION-LEVEL TUNING AND OPTIMIZATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-2
12.2.1
Existing TSX-enabled Locking Libraries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3
12.2.1.1
Libraries allowing lock elision for unmodified programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3
12.2.1.2
Libraries requiring program modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3
12.2.2
Initial Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3
12.2.3
Run and Profile the Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-3
12.2.4
Minimize Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-4
12.2.4.1
Transactional Aborts due to Data Conflicts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-5
12.2.4.2
Transactional Aborts due to Limited Transactional Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-6
12.2.4.3
Lock Elision Specific Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-7
12.2.4.4
HLE Specific Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-7
12.2.4.5
Miscellaneous Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-8
12.2.5
Using Transactional-Only Code Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-9
12.2.6
Dealing with Transactional Regions or Paths that Abort at a High Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-9
12.2.6.1
Transitioning to Non-Elided Execution without Aborting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-9
12.2.6.2
Forcing an Early Abort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
12.2.6.3
Not Eliding Selected Locks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
12.3
DEVELOPING AN INTEL TSX ENABLED SYNCHRONIZATION LIBRARY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
12.3.1
Adding HLE Prefixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
12.3.2
Elision Friendly Critical Section Locks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
12.3.3
Using HLE or RTM for Lock Elision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-11
12.3.4
An example wrapper for lock elision using RTM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-11
12.3.5
Guidelines for the RTM fallback handler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-12
12.3.6
Implementing Elision-Friendly Locks using Intel TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13
12.3.6.1
Implementing a Simple Spinlock using HLE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13
xi
CONTENTS
PAGE
12.3.6.2
Implementing Reader-Writer Locks using Intel TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-15
12.3.6.3
Implementing Ticket Locks using Intel TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-15
12.3.6.4
Implementing Queue-Based Locks using Intel TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-15
12.3.7
Eliding Application-Specific Meta-Locks using Intel TSX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-16
12.3.8
Avoiding Persistent Non-Elided Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-17
12.3.9
Reading the Value of an Elided Lock in RTM-based libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-19
12.3.10
Intermixing HLE and RTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-19
12.4
USING THE PERFORMANCE MONITORING SUPPORT FOR INTEL TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-20
12.4.1
Measuring Transactional Success . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-21
12.4.2
Finding locks to elide and verifying all locks are elided. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-21
12.4.3
Sampling Transactional Aborts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-21
12.4.4
Classifying Aborts using a Profiling Tool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-21
12.4.5
XABORT Arguments for RTM fallback handlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-22
12.4.6
Call Graphs for Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-23
12.4.7
Last Branch Records and Transactional Aborts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-23
12.4.8
Profiling and Testing Intel TSX Software using the Intel® SDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-23
12.4.9
HLE Specific Performance Monitoring Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-24
12.4.10
Computing Useful Metrics for Intel TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-25
12.5
PERFORMANCE GUIDELINES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-25
12.6
DEBUGGING GUIDELINES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-26
12.7
COMMON INTRINSICS FOR INTEL TSX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-26
12.7.1
RTM C intrinsics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-26
12.7.1.1
Emulated RTM intrinsics on older gcc compatible compilers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-27
12.7.2
HLE intrinsics on gcc and other Linux compatible compilers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-28
12.7.2.1
Generating HLE intrinsics with gcc4.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-28
12.7.2.2
C++11 atomic support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-29
12.7.2.3
Emulating HLE intrinsics with older gcc-compatible compilers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-29
12.7.3
HLE intrinsics on Windows C/C++ compilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-29
CHAPTER 13
POWER OPTIMIZATION FOR MOBILE USAGES
13.1
OVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1
13.2
MOBILE USAGE SCENARIOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-1
13.2.1
Intelligent Energy Efficient Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-2
13.3
ACPI C-STATES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-3
13.3.1
Processor-Specific C4 and Deep C4 States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-4
13.3.2
Processor-Specific Deep C-States and Intel® Turbo Boost Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-4
13.3.3
Processor-Specific Deep C-States for Intel® Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-5
13.3.4
Intel® Turbo Boost Technology 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-6
13.4
GUIDELINES FOR EXTENDING BATTERY LIFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-6
13.4.1
Adjust Performance to Meet Quality of Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-6
13.4.2
Reducing Amount of Work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-7
13.4.3
Platform-Level Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-7
13.4.4
Handling Sleep State Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-8
13.4.5
Using Enhanced Intel SpeedStep® Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-8
13.4.6
Enabling Intel® Enhanced Deeper Sleep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-9
13.4.7
Multicore Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-10
13.4.7.1
Enhanced Intel SpeedStep® Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-10
13.4.7.2
Thread Migration Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-10
13.4.7.3
Multicore Considerations for C-States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-11
13.5
TUNING SOFTWARE FOR INTELLIGENT POWER CONSUMPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-12
13.5.1
Reduction of Active Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-12
13.5.1.1
Multi-threading to reduce Active Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-12
13.5.1.2
Vectorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-13
13.5.2
PAUSE and Sleep(0) Loop Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
13.5.3
Spin-Wait Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-15
13.5.4
Using Event Driven Service Instead of Polling in Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-15
13.5.5
Reducing Interrupt Rate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-15
13.5.6
Reducing Privileged Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-15
13.5.7
Setting Context Awareness in the Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-16
13.5.8
Saving Energy by Optimizing for Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-17
13.6
PROCESSOR SPECIFIC POWER MANAGEMENT OPTIMIZATION FOR SYSTEM SOFTWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-17
13.6.1
Power Management Recommendation of Processor-Specific Inactive State Configurations . . . . . . . . . . . . . 13-17
13.6.1.1
Balancing Power Management and Responsiveness of Inactive To Active State Transitions. . . . . . . . . . 13-19
xii
CONTENTS
PAGE
CHAPTER 14
SOFTWARE OPTIMIZATION FOR GOLDMONT AND SILVERMONT MICROARCHITECTURES
14.1
MICROARCHITECTURES OF RECENT INTEL ATOM PROCESSOR GENERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.1.1
Goldmont Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-1
14.1.2
Silvermont Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-4
14.1.2.1
Integer Pipeline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-7
14.1.2.2
Floating-Point Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-7
14.2
CODING RECOMMENDATIONS FOR GOLDMONT AND SILVERMONT MICROARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-7
14.2.1
Optimizing The Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-7
14.2.1.1
Instruction Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-7
14.2.1.2
Front End High IPC Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-8
14.2.1.3
Branching Across 4GB Boundary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.2.1.4
Loop Unrolling and Loop Stream Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.2.1.5
Mixing Code and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.2.2
Optimizing The Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.2.2.1
Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
14.2.2.2
Address Generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
14.2.2.3
FP Multiply-Accumulate-Store Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
14.2.2.4
Integer Multiply Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-12
14.2.2.5
Zeroing Idioms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13
14.2.2.6
NOP Idioms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13
14.2.2.7
Move Elimination and ESP Folding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13
14.2.2.8
Stack Manipulation Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13
14.2.2.9
Flags usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-13
14.2.2.10
SIMD Floating-Point and X87 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-14
14.2.2.11
SIMD Integer Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-14
14.2.2.12
Vectorization Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-14
14.2.2.13
Other SIMD Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-14
14.2.2.14
Instruction Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-15
14.2.2.15
Integer Division. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-16
14.2.2.16
Integer Shift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-17
14.2.2.17
Pause Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-17
14.2.3
Optimizing Memory Accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18
14.2.3.1
Reduce Unaligned Memory Access with PALIGNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18
14.2.3.2
Minimize Memory Execution Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18
14.2.3.3
Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18
14.2.3.4
PrefetchW Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-19
14.2.3.5
Cache Line Splits and Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-19
14.2.3.6
Segment Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-20
14.2.3.7
Copy and String Copy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-20
14.3
INSTRUCTION LATENCY AND THROUGHPUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-20
CHAPTER 15
KNIGHTS LANDING MICROARCHITECTURE AND SOFTWARE OPTIMIZATION
15.1
KNIGHTS LANDING MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-2
15.1.1
Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-3
15.1.2
Out-of-Order Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-3
15.1.3
UnTile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-6
15.2
INTEL® AVX-512 CODING RECOMMENDATIONS FOR KNIGHTS LANDING MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . 15-7
15.2.1
Using Gather and Scatter Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-8
15.2.2
Using Enhanced Reciprocal Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-8
15.2.3
Using AVX-512CD Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-9
15.2.4
Using Intel® Hyper-Threading Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-10
15.2.5
Front End Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-11
15.2.5.1
Instruction Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-11
15.2.5.2
Branching Indirectly Across a 4GB Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-11
15.2.6
Integer Execution Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
15.2.6.1
Flags usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
15.2.6.2
Integer Division. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
15.2.7
Optimizing FP and Vector Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
15.2.7.1
Instruction Selection Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
15.2.7.2
Porting Intrinsic From Prior Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-14
15.2.7.3
Vectorization Trade-Off Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-14
xiii
CONTENTS
15.2.8
15.2.8.1
15.2.8.2
15.2.8.3
15.2.8.4
15.2.8.5
15.2.8.6
15.2.8.7
15.2.8.8
15.2.8.9
PAGE
Memory Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-17
Data Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-17
Hardware Prefetcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-18
Software Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-18
Memory Execution Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-18
Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-19
Way, Set Conflicts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-19
Streaming Store Versus Regular Store . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-20
Compiler Switches and Directives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-20
Direct Mapped MCDRAM Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-20
APPENDIXAPPLICATIONA.1
A.1.1
A.1.2
A.1.2.1
A.1.2.2
A.1.3
A.1.4
A.1.4.1
A.1.4.2
A.1.5
A.2
A.2.1
A.2.2
A.2.3
A.2.4
A.3
A.3.1
A.3.1.1
A.3.1.2
A.3.1.3
A.4
A.4.1
A.5
A.5.1
A.6
A.6.1
A.6.1.1
A.6.2
A.6.3
A.7
A
PERFORMANCE TOOLS
COMPILERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-2
Recommended Optimization Settings for Intel® 64 and IA-32 Processors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-2
Vectorization and Loop Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-2
Multithreading with OpenMP* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Automatic Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Inline Expansion of Library Functions (/Oi, /Oi-) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Interprocedural and Profile-Guided Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Interprocedural Optimization (IPO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Profile-Guided Optimization (PGO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-3
Intel® CilkTM Plus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-4
PERFORMANCE LIBRARIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-4
Intel® Integrated Performance Primitives (Intel® IPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-4
Intel® Math Kernel Library (Intel® MKL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-5
Intel® Threading Building Blocks (Intel® TBB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-5
Benefits Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-5
PERFORMANCE PROFILERS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-5
Intel® VTuneTM Amplifier XE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-5
Hardware Event-Based Sampling Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-6
Algorithm Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-6
Platform Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-6
THREAD AND MEMORY CHECKERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-6
Intel® Inspector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-6
VECTORIZATION ASSISTANT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
Intel® Advisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
CLUSTER TOOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
Intel® Trace Analyzer and Collector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
MPI Performance Snapshot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
Intel® MPI Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-7
Intel® MPI Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-8
INTEL® ACADEMIC COMMUNITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A-8
APPENDIX B
USING PERFORMANCE MONITORING EVENTS
B.1
TOP-DOWN ANALYSIS METHOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
B.1.1
Top-Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-2
B.1.2
Front End Bound. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-3
B.1.3
Back End Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-4
B.1.4
Memory Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-4
B.1.5
Core Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-5
B.1.6
Bad Speculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-5
B.1.7
Retiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.1.8
TMAM and Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.1.8.1
TMAM Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.2
PERFORMANCE MONITORING AND MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-7
B.3
INTEL® XEON® PROCESSOR 5500 SERIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13
B.4
PERFORMANCE ANALYSIS TECHNIQUES FOR INTEL® XEON® PROCESSOR 5500 SERIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.4.1
Cycle Accounting and Uop Flow Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-15
B.4.1.1
Cycle Drill Down and Branch Mispredictions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-16
B.4.1.2
Basic Block Drill Down . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-19
xiv
B.4.2
B.4.2.1
B.4.3
B.4.3.1
B.4.3.2
B.4.3.3
B.4.3.4
B.4.3.5
B.4.3.6
B.4.3.7
B.4.3.8
B.4.3.9
B.4.4
B.4.4.1
B.4.4.2
B.4.5
B.4.5.1
B.4.5.2
B.4.5.3
B.4.5.4
B.4.6
B.4.7
B.5
PERFORMANCEB.5.1
B.5.2
B.5.2.1
B.5.2.2
B.5.2.3
B.5.3
B.5.4
B.5.4.1
B.5.4.2
B.5.4.3
B.5.4.4
B.5.5
B.5.5.1
B.5.5.2
B.5.6
B.5.6.1
B.5.7
B.5.7.1
B.5.7.2
B.5.7.3
B.5.7.4
B.5.7.5
B.6
USINGB.6.1
B.6.2
B.6.3
B.7
DRILL-DOWNB.7.1
B.7.2
B.7.3
B.8
EVENTB.8.1
B.8.2
B.8.2.1
B.8.2.2
B.8.2.3
B.8.2.4
B.8.2.5
B.8.2.6
B.8.3
B.8.3.1
CONTENTS
PAGE
Stall Cycle Decomposition and Core Memory Accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-20
Measuring Costs of Microarchitectural Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-20
Core PMU Precise Events. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-21
Precise Memory Access Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-22
Load Latency Event. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-23
Precise Execution Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-25
Last Branch Record (LBR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-26
Measuring Core Memory Access Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-28
Measuring Per-Core Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-30
Miscellaneous L1 and L2 Events for Cache Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-31
TLB Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-31
L1 Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-32
Front End Monitoring Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-32
Branch Mispredictions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-32
Front End Code Generation Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-32
Uncore Performance Monitoring Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Global Queue Occupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-33
Global Queue Port Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-35
Global Queue Snoop Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-35
L3 Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-36
Intel QuickPath Interconnect Home Logic (QHL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-36
Measuring Bandwidth From the Uncore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-41
TUNING TECHNIQUES FOR INTEL® MICROARCHITECTURE CODE NAME SANDY BRIDGE . . . . . . .
B-42
Correlating Performance Bottleneck to Source Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-42
Hierarchical Top-Down Performance Characterization Methodology and Locating Performance
Bottlenecks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-43
Back End Bound Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Core Bound Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-44
Memory Bound Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-44
Back End Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-45
Memory Sub-System Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-46
Accounting for Load Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-47
Cache-line Replacement Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-48
Lock Contention Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-49
Other Memory Access Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-49
Execution Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-52
Longer Instruction Latencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-52
Assists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-52
Bad Speculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-53
Branch Mispredicts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-53
Front End Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-53
Understanding the Micro-op Delivery Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-53
Understanding the Sources of the Micro-op Queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-55
The Decoded ICache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-56
Issues in the Legacy Decode Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-57
Instruction Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-57
PERFORMANCE EVENTS OF INTEL® CORETM SOLO AND INTEL® CORETM DUO PROCESSORS. . . . . . . . . . . . . .
B-58
Understanding the Results in a Performance Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-58
Ratio Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-58
Notes on Selected Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-59
TECHNIQUES FOR PERFORMANCE ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-59
Cycle Composition at Issue Port. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-61
Cycle Composition of OOO Execution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-61
Drill-Down on Performance Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-62
RATIOS FOR INTEL CORE MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-63
Clocks Per Instructions Retired Ratio (CPI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-63
Front End Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-64
Code Locality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-64
Branching and Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-64
Stack Pointer Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-64
Macro-fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-64
Length Changing Prefix (LCP) Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Self Modifying Code Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Branch Prediction Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Branch Mispredictions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B-65
xv
CONTENTS
B.8.3.2
B.8.3.3
B.8.4
B.8.4.1
B.8.4.2
B.8.4.3
B.8.4.4
B.8.4.5
B.8.4.6
B.8.5
B.8.5.1
B.8.5.2
B.8.5.3
B.8.5.4
B.8.5.5
B.8.6
B.8.6.1
B.8.6.2
B.8.6.3
B.8.7
B.8.7.1
B.8.7.2
B.8.7.3
B.8.8
B.8.9
B.8.9.1
B.8.9.2
B.8.9.3
B.8.10
B.8.10.1
B.8.10.2
PAGE
Virtual Tables and Indirect Calls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-65
Mispredicted Returns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Execution Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Resource Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
ROB Read Port Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Partial Register Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Partial Flag Stalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Bypass Between Execution Domains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Floating-Point Performance Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-66
Memory Sub-System - Access Conflicts Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-67
Loads Blocked by the L1 Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-67
4K Aliasing and Store Forwarding Block Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-67
Load Block by Preceding Stores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-67
Memory Disambiguation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
Load Operation Address Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
Memory Sub-System - Cache Misses Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
Locating Cache Misses in the Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
L1 Data Cache Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
L2 Cache Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-68
Memory Sub-system - Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-69
L1 Data Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-69
L2 Hardware Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-69
Software Prefetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-69
Memory Sub-system - TLB Miss Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-69
Memory Sub-system - Core Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Modified Data Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Fast Synchronization Penalty. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Simultaneous Extensive Stores and Load Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Memory Sub-system - Bus Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Bus Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-70
Modified Cache Lines Eviction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-71
APPENDIX C
INSTRUCTION LATENCY AND THROUGHPUT
C.1
OVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-1
C.2
DEFINITIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2
C.3
LATENCY AND THROUGHPUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-2
C.3.1
Latency and Throughput with Register Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .C-3
C.3.2
Table Footnotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-18
C.3.3
Instructions with Memory Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-19
C.3.3.1
Software Observable Latency of Memory References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-20
APPENDIX D
INTEL® ATOMTM MICROARCHITECTURE AND SOFTWARE OPTIMIZATION
D.1
OVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-1
D.2
INTEL® ATOMTM MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-1
D.2.1
Hyper-Threading Technology Support in Intel® AtomTM Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-3
D.3
CODING RECOMMENDATIONS FOR INTEL® ATOMTM MICROARCHITECTURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-3
D.3.1
Optimization for Front End of Intel® AtomTM Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-3
D.3.2
Optimizing the Execution Core. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-5
D.3.2.1
Integer Instruction Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-5
D.3.2.2
Address Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-6
D.3.2.3
Integer Multiply. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-6
D.3.2.4
Integer Shift Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-7
D.3.2.5
Partial Register Access. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-7
D.3.2.6
FP/SIMD Instruction Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-7
D.3.3
Optimizing Memory Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-9
D.3.3.1
Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-9
D.3.3.2
First-level Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-9
D.3.3.3
Segment Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-10
D.3.3.4
String Moves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-10
D.3.3.5
Parameter Passing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-11
xvi
D.3.3.6
D.3.3.7
D.3.3.8
D.4
CONTENTS
PAGE
Function Calls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-11
Optimization of Multiply/Add Dependent Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-11
Position Independent Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-13
INSTRUCTION LATENCY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-13
EXAMPLES
Example 3-1.
Assembly Code with an Unpredictable Branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5
Example 3-2.
Code Optimization to Eliminate Branches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-5
Example 3-3.
Eliminating Branch with CMOV Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6
Example 3-4.
Use of PAUSE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-6
Example 3-5.
Static Branch Prediction Algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7
Example 3-6.
Static Taken Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7
Example 3-7.
Static Not-Taken Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-7
Example 3-8.
Indirect Branch With Two Favored Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-10
Example 3-9.
A Peeling Technique to Reduce Indirect Branch Misprediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-10
Example 3-10.
Loop Unrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-11
Example 3-11.
Macro-fusion, Unsigned Iteration Count . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14
Example 3-12.
Macro-fusion, If Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-14
Example 3-13.
Macro-fusion, Signed Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-15
Example 3-14.
Macro-fusion, Signed Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-15
Example 3-15.
Additional Macro-fusion Benefit in Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge. . . . . . . . . . . . . . 3-16
Example 3-16.
Avoiding False LCP Delays with 0xF7 Group Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-17
Example 3-17.
Unrolling Loops in LSD to Optimize Emission Bandwidth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-18
Example 3-18.
Independent Two-Operand LEA Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-22
Example 3-19.
Alternative to Three-Operand LEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-23
Example 3-20.
Examples of 512-bit Additions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-24
Example 3-21.
Clearing Register to Break Dependency While Negating Array Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-27
Example 3-22.
Spill Scheduling Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-29
Example 3-23.
Zero-Latency MOV Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-30
Example 3-24.
Byte-Granular Data Computation Technique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-30
Example 3-25.
Re-ordering Sequence to Improve Effectiveness of Zero-Latency MOV Instructions . . . . . . . . . . . . . . 3-31
Example 3-26.
Avoiding Partial Register Stalls in Integer Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-33
Example 3-27.
Avoiding Partial Register Stalls in SIMD Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-34
Example 3-28.
Avoiding Partial Flag Register Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-35
Example 3-29.
Partial Flag Register Accesses in Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . 3-35
Example 3-30.
Reference Code Template for Partially Vectorizable Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-38
Example 3-31.
Three Alternate Packing Methods for Avoiding Store Forwarding Difficulty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-39
Example 3-32.
Using Four Registers to Reduce Memory Spills and Simplify Result Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-39
Example 3-33.
Stack Optimization Technique to Simplify Parameter Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-40
Example 3-34.
Base Line Code Sequence to Estimate Loop Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-41
Example 3-35.
Optimize for Load Port Bandwidth in Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . 3-43
Example 3-36.
Index versus Pointers in Pointer-Chasing Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-44
Example 3-37.
Example of Bank Conflicts in L1D Cache and Remedy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-45
Example 3-38.
Using XMM Register in Lieu of Memory for Register Spills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-46
Example 3-39.
Loads Blocked by Stores of Unknown Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-47
Example 3-40.
Code That Causes Cache Line Split . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-48
Example 3-41.
Situations Showing Small Loads After Large Store. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-51
Example 3-42.
Non-forwarding Example of Large Load After Small Store. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-51
Example 3-43.
A Non-forwarding Situation in Compiler Generated Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-51
Example 3-44.
Two Ways to Avoid Non-forwarding Situation in Example 3-43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-52
Example 3-45.
Large and Small Load Stalls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-52
Example 3-46.
Loop-carried Dependence Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-54
Example 3-47.
Rearranging a Data Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-55
Example 3-48.
Decomposing an Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-55
Example 3-49.
Examples of Dynamical Stack Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-57
Example 3-50.
Aliasing Between Loads and Stores Across Loop Iterations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-59
Example 3-51.
Instruction Pointer Query Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-60
xvii
CONTENTS
ExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExampleExample3-52.
3-53.
3-54.
3-55.
3-56.
3-57.
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4-1.
4-2.
4-3.
4-4.
4-5.
4-6.
4-7.
4-8.
4-9.
4-10.
4-11.
4-12.
4-13.
4-14.
4-15.
4-16.
4-17.
4-18.
4-19.
4-20.
4-21.
4-22.
4-23.
4-24.
4-25.
4-26.
5-1.
5-2.
5-3.
5-4.
5-5.
5-6.
5-7.
5-8.
5-9.
5-10.
5-11.
5-12.
5-13.
5-14.
5-15.
5-16.
5-17.
5-18.
5-19.
5-20.
5-21.
5-22.
5-23.
5-24.
5-25.
5-26.
PAGE
Using Non-temporal Stores and 64-byte Bus Write Transactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-63
On-temporal Stores and Partial Bus Write Transactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-63
Using DCU Hardware Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-64
Avoid Causing DCU Hardware Prefetch to Fetch Un-needed Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-65
Technique For Using L1 Hardware Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-66
REP STOSD with Arbitrary Count Size and 4-Byte-Aligned Destination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-68
Algorithm to Avoid Changing Rounding Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-75
Identification of MMX Technology with CPUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-2
Identification of SSE with CPUID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-2
Identification of SSE2 with cpuid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3
Identification of SSE3 with CPUID. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3
Identification of SSSE3 with cpuid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-3
Identification of SSE4.1 with cpuid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
Identification of SSE4.2 with cpuid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-4
Detection of AESNI Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5
Detection of PCLMULQDQ Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5
Detection of AVX Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-6
Detection of VEX-Encoded AESNI Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-7
Detection of VEX-Encoded AESNI Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-7
Simple Four-Iteration Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
Streaming SIMD Extensions Using Inlined Assembly Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-14
Simple Four-Iteration Loop Coded with Intrinsics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-15
C++ Code Using the Vector Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-16
Automatic Vectorization for a Simple Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-16
C Algorithm for 64-bit Data Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-18
AoS Data Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-21
SoA Data Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-21
AoS and SoA Code Samples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-21
Hybrid SoA Data Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-22
Pseudo-code Before Strip Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-23
Strip Mined Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24
Loop Blocking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-24
Emulation of Conditional Moves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-26
Resetting Register Between __m64 and FP Data Types Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-3
FIR Processing Example in C language Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4
SSE2 and SSSE3 Implementation of FIR Processing Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-4
Zero Extend 16-bit Values into 32 Bits Using Unsigned Unpack Instructions Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-5
Signed Unpack Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-5
Interleaved Pack with Saturation Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7
Interleaved Pack without Saturation Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-7
Unpacking Two Packed-word Sources in Non-interleaved Way Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-9
PEXTRW Instruction Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-10
PINSRW Instruction Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-10
Repeated PINSRW Instruction Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11
Non-Unit Stride Load/Store Using SSE4.1 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11
Scatter and Gather Operations Using SSE4.1 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-11
PMOVMSKB Instruction Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-12
Broadcast a Word Across XMM, Using 2 SSE2 Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
Swap/Reverse words in an XMM, Using 3 SSE2 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
Generating Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15
Absolute Difference of Two Unsigned Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-15
Absolute Difference of Signed Numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-16
Computing Absolute Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-16
Basic C Implementation of RGBA to BGRA Conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-17
Color Pixel Format Conversion Using SSE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-17
Color Pixel Format Conversion Using SSSE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-18
Big-Endian to Little-Endian Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-19
Clipping to a Signed Range of Words [High, Low]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-20
Clipping to an Arbitrary Signed Range [High, Low] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-20
xviii
CONTENTS
PAGE
Example 5-27.
Simplified Clipping to an Arbitrary Signed Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-20
Example 5-28.
Clipping to an Arbitrary Unsigned Range [High, Low] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-21
Example 5-29.
Complex Multiply by a Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-23
Example 5-30.
Using PTEST to Separate Vectorizable and non-Vectorizable Loop Iterations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-24
Example 5-31.
Using PTEST and Variable BLEND to Vectorize Heterogeneous Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-24
Example 5-32.
Baseline C Code for Mandelbrot Set Map Evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-25
Example 5-33.
Vectorized Mandelbrot Set Map Evaluation Using SSE4.1 Intrinsics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-26
Example 5-34.
A Large Load after a Series of Small Stores (Penalty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28
Example 5-35.
Accessing Data Without Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28
Example 5-36.
A Series of Small Loads After a Large Store . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-28
Example 5-37.
Eliminating Delay for a Series of Small Loads after a Large Store . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-29
Example 5-38.
An Example of Video Processing with Cache Line Splits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-29
Example 5-39.
Video Processing Using LDDQU to Avoid Cache Line Splits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-30
Example 5-40.
Un-optimized Reverse Memory Copy in C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-31
Example 5-41.
Using PSHUFB to Reverse Byte Ordering 16 Bytes at a Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-33
Example 5-42.
PMOVSX/PMOVZX Work-around to Avoid False Dependency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
Example 5-43.
Table Look-up Operations in C Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-35
Example 5-44.
Shift Techniques on Non-Vectorizable Table Look-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-36
Example 5-45.
PEXTRD Techniques on Non-Vectorizable Table Look-up. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-37
Example 5-46.
Pseudo-Code Flow of AES Counter Mode Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-39
Example 5-47.
AES128-CTR Implementation with Eight Block in Parallel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-39
Example 5-48.
AES128 Key Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-46
Example 5-49.
Compress 32-bit Integers into 5-bit Buckets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-49
Example 5-50.
Decompression of a Stream of 5-bit Integers into 32-bit Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-51
Example 6-1.
Pseudocode for Horizontal (xyz, AoS) Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-4
Example 6-2.
Pseudocode for Vertical (xxxx, yyyy, zzzz, SoA) Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-5
Example 6-3.
Swizzling Data Using SHUFPS, MOVLHPS, MOVHLPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-5
Example 6-4.
Swizzling Data Using UNPCKxxx Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-6
Example 6-5.
Deswizzling Single-Precision SIMD Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-7
Example 6-6.
Deswizzling Data Using SIMD Integer Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-8
Example 6-7.
Horizontal Add Using MOVHLPS/MOVLHPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-9
Example 6-8.
Horizontal Add Using Intrinsics with MOVHLPS/MOVLHPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-10
Example 6-9.
Multiplication of Two Pair of Single-precision Complex Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-12
Example 6-10.
Division of Two Pair of Single-precision Complex Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-12
Example 6-11.
Double-Precision Complex Multiplication of Two Pairs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-13
Example 6-12.
Double-Precision Complex Multiplication Using Scalar SSE2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-13
Example 6-13.
Dot Product of Vector Length 4 Using SSE/SSE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-14
Example 6-14.
Dot Product of Vector Length 4 Using SSE3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-15
Example 6-15.
Dot Product of Vector Length 4 Using SSE4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-15
Example 6-16.
Unrolled Implementation of Four Dot Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-15
Example 6-17.
Normalization of an Array of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-16
Example 6-18.
Normalize (x, y, z) Components of an Array of Vectors Using SSE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-17
Example 6-19.
Normalize (x, y, z) Components of an Array of Vectors Using SSE4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-18
Example 6-20.
Data Organization in Memory for AOS Vector-Matrix Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-19
Example 6-21.
AOS Vector-Matrix Multiplication with HADDPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-19
Example 6-22.
AOS Vector-Matrix Multiplication with DPPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-20
Example 6-23.
Data Organization in Memory for SOA Vector-Matrix Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-21
Example 6-24.
Vector-Matrix Multiplication with Native SOA Data Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-22
Example 7-1.
Pseudo-code Using CLFLUSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-10
Example 7-2.
Flushing Cache Lines Using CLFLUSH or CLFLUSHOPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-12
Example 7-3.
Populating an Array for Circular Pointer Chasing with Constant Stride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-13
Example 7-4.
Prefetch Scheduling Distance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-16
Example 7-5.
Using Prefetch Concatenation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17
Example 7-6.
Concatenation and Unrolling the Last Iteration of Inner Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-17
Example 7-7.
Data Access of a 3D Geometry Engine without Strip-mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-21
Example 7-8.
Data Access of a 3D Geometry Engine with Strip-mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-22
Example 7-9.
Using HW Prefetch to Improve Read-Once Memory Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-23
Example 7-10.
Basic Algorithm of a Simple Memory Copy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-27
Example 7-11.
A Memory Copy Routine Using Software Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-28
xix
CONTENTS
PAGE
Example 7-12. Memory Copy Using Hardware Prefetch and Bus Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-29
Example 8-1. Serial Execution of Producer and Consumer Work Items. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-5
Example 8-2. Basic Structure of Implementing Producer Consumer Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-6
Example 8-3. Thread Function for an Interlaced Producer Consumer Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-7
Example 8-4. Spin-wait Loop and PAUSE Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-12
Example 8-5. Coding Pitfall using Spin Wait Loop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-14
Example 8-6. Placement of Synchronization and Regular Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-15
Example 8-7. Declaring Synchronization Variables without Sharing a Cache Line. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-16
Example 8-8. Batched Implementation of the Producer Consumer Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-21
Example 8-9. Parallel Memory Initialization Technique Using OpenMP and NUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-25
Example 9-1. Compute 64-bit Quotient and Remainder with 64-bit Divisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-3
Example 9-2. Quotient and Remainder of 128-bit Dividend with 64-bit Divisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9-4
Example 10-1. A Hash Function Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4
Example 10-2. Hash Function Using CRC32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-4
Example 10-3. Strlen() Using General-Purpose Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6
Example 10-4. Sub-optimal PCMPISTRI Implementation of EOS handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-8
Example 10-5. Strlen() Using PCMPISTRI without Loop-Carry Dependency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-8
Example 10-6. WordCnt() Using C and Byte-Scanning Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-9
Example 10-7. WordCnt() Using PCMPISTRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-10
Example 10-8. KMP Substring Search in C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-12
Example 10-9. Brute-Force Substring Search Using PCMPISTRI Intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-13
Example 10-10.Substring Search Using PCMPISTRI and KMP Overlap Table. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-15
Example 10-11.I Equivalent Strtok_s() Using PCMPISTRI Intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-19
Example 10-12.I Equivalent Strupr() Using PCMPISTRM Intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-21
Example 10-13.UTF16 VerStrlen() Using C and Table Lookup Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-22
Example 10-14.Assembly Listings of UTF16 VerStrlen() Using PCMPISTRI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-23
Example 10-15.Intrinsic Listings of UTF16 VerStrlen() Using PCMPISTRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-25
Example 10-16.Replacement String Library Strcmp Using SSE4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-27
Example 10-17.High-level flow of Character Subset Validation for String Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-29
Example 10-18.Intrinsic Listings of atol() Replacement Using PCMPISTRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-29
Example 10-19.Auxiliary Routines and Data Constants Used in sse4i_atol() listing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-31
Example 10-20.Conversion of 64-bit Integer to ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-34
Example 10-21.Conversion of 64-bit Integer to ASCII without Integer Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-35
Example 10-22.Conversion of 64-bit Integer to ASCII Using SSE4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-37
Example 10-23.Conversion of 64-bit Integer to Wide Character String Using SSE4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-43
Example 10-24. MULX and Carry Chain in Large Integer Numeric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-48
Example 10-25. Building-block Macro Used in Binary Decimal Floating-point Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-49
Example 11-1. Cartesian Coordinate Transformation with Intrinsics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-3
Example 11-2. Cartesian Coordinate Transformation with Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-4
Example 11-3. Direct Polynomial Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-6
Example 11-4. Function Calls and AVX/SSE transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-10
Example 11-5. AoS to SoA Conversion of Complex Numbers in C Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-12
Example 11-6. Aos to SoA Conversion of Complex Numbers Using AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-13
Example 11-7. Register Overlap Method for Median of 3 Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-15
Example 11-8. Data Gather - AVX versus Scalar Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-16
Example 11-9. Scatter Operation Using AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-18
Example 11-10.SAXPY using Intel AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-19
Example 11-11.Using 16-Byte Memory Operations for Unaligned 32-Byte Memory Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-21
Example 11-12.SAXPY Implementations for Unaligned Data Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-21
Example 11-13.Loop with Conditional Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-24
Example 11-14.Handling Loop Conditional with VMASKMOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-24
Example 11-15.Three-Tap Filter in C Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-25
Example 11-16.Three-Tap Filter with 128-bit Mixed Integer and FP SIMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-26
Example 11-17.256-bit AVX Three-Tap Filter Code with VSHUFPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-26
Example 11-18.Three-Tap Filter Code with Mixed 256-bit AVX and 128-bit AVX Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-27
Example 11-19.8x8 Matrix Transpose - Replace Shuffles with Blends. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-29
Example 11-20.8x8 Matrix Transpose Using VINSRTPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-31
Example 11-21.Port 5 versus Load Port Shuffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-33
Example 11-22.Divide Using DIVPS for 24-bit Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-36
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Example 11-23.Divide Using RCPPS 11-bit Approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-36
Example 11-24.Divide Using RCPPS and Newton-Raphson Iteration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-36
Example 11-25.Reciprocal Square Root Using DIVPS+SQRTPS for 24-bit Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-38
Example 11-26.Reciprocal Square Root Using RCPPS 11-bit Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-38
Example 11-27.Reciprocal Square Root Using RCPPS and Newton-Raphson Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-38
Example 11-28.Square Root Using SQRTPS for 24-bit Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-39
Example 11-29. Square Root Using RCPPS 11-bit Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-40
Example 11-30. Square Root Using RCPPS and One Taylor Series Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-40
Example 11-31. Array Sub Sums Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-42
Example 11-32. Single-Precision to Half-Precision Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-43
Example 11-33. Half-Precision to Single-Precision Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-44
Example 11-34. Performance Comparison of Median3 using Half-Precision vs. Single-Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-45
Example 11-35. FP Mul/FP Add Versus FMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-47
Example 11-36. Unrolling to Hide Dependent FP Add Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-47
Example 11-37. FP Mul/FP Add Versus FMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-49
Example 11-38. Macros for Separable KLT Intra-block Transformation Using AVX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-50
Example 11-39. Separable KLT Intra-block Transformation Using AVX2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-52
Example 11-40. Macros for Parallel Moduli/Remainder Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-57
Example 11-41. Signed 64-bit Integer Conversion Utility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-58
Example 11-42. Unsigned 63-bit Integer Conversion Utility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-60
Example 11-43. Access Patterns Favoring Non-VGATHER Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-64
Example 11-44. Access Patterns Likely to Favor VGATHER Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-65
Example 11-45. Software AVX Sequence Equivalent to Full-Mask VPGATHERD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-66
Example 11-46.AOS to SOA Transformation Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-67
Example 11-47. Non-Strided AOS to SOA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-68
Example 11-48. Conversion to Throughput-Reduced MMX sequence to AVX2 Alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-70
Example 12-1. Reduce Data Conflict with Conditional Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-6
Example 12-2. Transition from Non-Elided Execution without Aborting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-10
Example 12-3. Exemplary Wrapper Using RTM for Lock/Unlock Primitives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-12
Example 12-4. Spin Lock Example Using HLE in GCC 4.8 and Later . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-14
Example 12-5. Spin Lock Example Using HLE in Intel and Microsoft Compiler Intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-14
Example 12-6. A Meta Lock Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-16
Example 12-7. A Meta Lock Example Using RTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-17
Example 12-8. HLE-enabled Lock-Acquire/ Lock-Release Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-18
Example 12-9. A Spin Wait Example Using HLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-19
Example 12-10. A Conceptual Example of Intermixed HLE and RTM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-20
Example 12-11. Emulated RTM intrinsic for Older GCC compilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-27
Example 12-12. C++ Example of HLE Intrinsic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-29
Example 12-13. Emulated HLE Intrinsic with Older GCC compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-29
Example 12-14. HLE Intrinsic Supported by Intel and Microsoft Compilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-30
Example 13-1. Unoptimized Sleep Loop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
Example 13-2. Power Consumption Friendly Sleep Loop Using PAUSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-14
Example 14-1. Unrolled Loop Executes In-Order Due to Multiply-Store Port Conflict. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-11
Example 14-2. Grouping Store Instructions Eliminates Bubbles and Improves IPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-12
Example 15-1. Gather Comparison Between AVX-512F and AVX2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-8
Example 15-2. Gather Comparison Between AVX-512F and KNC Equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-8
Example 15-3. Using VRCP28SS for 32-bit Floating-Point Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-9
Example 15-4. Vectorized Histogram Update Using AVX-512CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-9
Example 15-5. Replace VCOMIS* with VCMPSS/KORTEST. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-12
Example 15-6. Using Software Sequence for Horizontal Reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-13
Example 15-7. Optimized Inner Loop of DGEMM for Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-14
Example 15-8. Ordering of Memory Instruction for MEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-19
Example D-1. Instruction Pairing and Alignment to Optimize Decode Throughput on Intel® AtomTM MicroarchitectureD-4
Example D-2. Alternative to Prevent AGU and Execution Unit Dependency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D-6
Example D-3. Pipeling Instruction Execution in Integer Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D-7
Example D-4. Memory Copy of 64-byte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-11
Example D-5. Examples of Dependent Multiply and Add Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-12
Example D-6. Instruction Pointer Query Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-13
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FIGURES
FigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigure2-1.
2-2.
2-3.
2-4.
2-5.
2-6.
2-7.
2-8.
2-9.
2-10.
2-11.
2-12.
2-13.
2-14.
2-15.
2-16.
3-1.
3-2.
3-3.
3-4.
4-1.
4-2.
4-3.
4-4.
4-5.
5-1.
5-2.
5-3.
5-4.
5-5.
5-6.
5-7.
5-8.
5-9.
6-1.
6-2.
6-3.
6-4.
6-5.
6-6.
7-1.
7-2.
7-3.
7-4.
7-5.
7-6.
7-7.
7-8.
7-9.
7-10.
8-1.
8-2.
8-3.
8-4.
8-5.
10-1.
10-2.
CONTENTS
PAGE
CPU Core Pipeline Functionality of the Skylake Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-2
CPU Core Pipeline Functionality of the Haswell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-7
Four Core System Integration of the Haswell Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-8
An Example of the Haswell-E Microarchitecture Supporting 12 Processor Cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-13
Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge Pipeline Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-15
Intel Core Microarchitecture Pipeline Functionality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-33
Execution Core of Intel Core Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-39
Store-Forwarding Enhancements in Enhanced Intel Core Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-43
Intel Advanced Smart Cache Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-44
Intel Microarchitecture Code Name Nehalem Pipeline Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-47
Front End of Intel Microarchitecture Code Name Nehalem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-48
Store-Forwarding Scenarios of 16-Byte Store Operations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-53
Store-Forwarding Enhancement in Intel Microarchitecture Code Name Nehalem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-54
Hyper-Threading Technology on an SMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-56
Typical SIMD Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-60
SIMD Instruction Register Usage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-61
Generic Program Flow of Partially Vectorized Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-37
Cache Line Split in Accessing Elements in a Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-48
Size and Alignment Restrictions in Store Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-50
Memcpy Performance Comparison for Lengths up to 2KB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-69
General Procedural Flow of Application Detection of AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-6
General Procedural Flow of Application Detection of Float-16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-8
Converting to Streaming SIMD Extensions Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-11
Hand-Coded Assembly and High-Level Compiler Performance Trade-offs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-13
Loop Blocking Access Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-26
PACKSSDW mm, mm/mm64 Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-6
Interleaved Pack with Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-7
Result of Non-Interleaved Unpack Low in MM0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-8
Result of Non-Interleaved Unpack High in MM1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-8
PEXTRW Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-9
PINSRW Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-10
PMOVSMKB Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-12
Data Alignment of Loads and Stores in Reverse Memory Copy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-32
A Technique to Avoid Cacheline Split Loads in Reverse Memory Copy Using Two Aligned Loads . . . . . 5-33
Homogeneous Operation on Parallel Data Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-3
Horizontal Computation Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-3
Dot Product Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-4
Horizontal Add Using MOVHLPS/MOVLHPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-9
Asymmetric Arithmetic Operation of the SSE3 Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-11
Horizontal Arithmetic Operation of the SSE3 Instruction HADDPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6-11
CLFLUSHOPT versus CLFLUSH In SkyLake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-11
Effective Latency Reduction as a Function of Access Stride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-14
Memory Access Latency and Execution Without Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-14
Memory Access Latency and Execution With Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-15
Prefetch and Loop Unrolling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-18
Memory Access Latency and Execution With Prefetch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-18
Spread Prefetch Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-19
Cache Blocking – Temporally Adjacent and Non-adjacent Passes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-20
Examples of Prefetch and Strip-mining for Temporally Adjacent and Non-Adjacent Passes Loops . . . 7-21
Single-Pass Vs. Multi-Pass 3D Geometry Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-25
Amdahl’s Law and MP Speed-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-2
Single-threaded Execution of Producer-consumer Threading Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-5
Execution of Producer-consumer Threading Model on a Multicore Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-5
Interlaced Variation of the Producer Consumer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8-6
Batched Approach of Producer Consumer Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-21
SSE4.2 String/Text Instruction Immediate Operand Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2
Retrace Inefficiency of Byte-Granular, Brute-Force Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-12
xxiii
CONTENTS
FigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigureFigure10-3.
10-4.
11-1.
11-2.
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13-10.
14-1.
14-2.
15-1.
15-2.
B-1.
B-2.
B-3.
B-4.
B-5.
B-6.
B-7.
B-8.
B-9.
B-11.
B-10.
B-12.
B-13.
B-15.
B-14.
B-16.
D-1.
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SSE4.2 Speedup of SubString Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-18
Compute Four Remainders of Unsigned Short Integer in Parallel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-37
AVX-SSE Transitions in the Broadwell, and Prior Generation Microarchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-8
AVX-SSE Transitions in the Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-8
4x4 Image Block Transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-50
Throughput Comparison of Gather Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-65
Comparison of HW GATHER Versus Software Sequence in Skylake Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . 11-66
Performance History and State Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13-2
Active Time Versus Halted Time of a Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13-3
Application of C-states to Idle Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13-4
Profiles of Coarse Task Scheduling and Power Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13-9
Thread Migration in a Multicore Processor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-11
Progression to Deeper Sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-11
Energy Saving due to Performance Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-13
Energy Saving due to Vectorization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-13
Energy Saving Comparison of Synchronization Primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-16
Power Saving Comparison of Power-Source-Aware Frame Rate Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-17
CPU Core Pipeline Functionality of the Goldmont Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-2
Silvermont Microarchitecture Pipeline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-5
Tile-Mesh Topology of the Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-1
Processor Core Pipeline Functionality of the Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-2
General TMAM Hierarchy for Out-of-Order Microarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-2
TMAM’s Top Level Drill Down Flowchart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3
TMAM Hierarchy Supported by Skylake Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-7
System Topology Supported by Intel® Xeon® Processor 5500 Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-14
PMU Specific Event Logic Within the Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-16
LBR Records and Basic Blocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-27
Using LBR Records to Rectify Skewed Sample Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-27
RdData Request after LLC Miss to Local Home (Clean Rsp). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-38
RdData Request after LLC Miss to Remote Home (Clean Rsp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-38
RdData Request after LLC Miss to Local Home (Hitm Response) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-39
RdData Request after LLC Miss to Remote Home (Hitm Response) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-39
RdData Request after LLC Miss to Local Home (Hit Response) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-40
RdInvOwn Request after LLC Miss to Remote Home (Clean Res) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-40
RdInvOwn Request after LLC Miss to Local Home (Hit Res) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-41
RdInvOwn Request after LLC Miss to Remote Home (Hitm Res) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-41
Performance Events Drill-Down and Software Tuning Feedback Loop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-60
Intel Atom Microarchitecture Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-2
xxiv
TABLES
TableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTable2-1.
2-2.
2-3.
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2-5.
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2-8.
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2-22.
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2-25.
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2-27.
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2-29.
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2-31.
2-32.
3-1.
3-2.
3-3.
3-4.
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5-1.
6-1.
7-1.
7-2.
7-3.
8-1.
8-2.
8-3.
10-1.
10-2.
10-3.
10-4.
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11-1.
11-2.
11-3.
11-4.
11-5.
11-6.
11-7.
CONTENTS
PAGE
Dispatch Port and Execution Stacks of the Skylake Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-3
Skylake Microarchitecture Execution Units and Representative Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-4
Bypass Delay Between Producer and Consumer Micro-ops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-5
Cache Parameters of the Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-6
TLB Parameters of the Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-6
Dispatch Port and Execution Stacks of the Haswell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2-9
Haswell Microarchitecture Execution Units and Representative Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-10
Bypass Delay Between Producer and Consumer Micro-ops (cycles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
Cache Parameters of the Haswell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
TLB Parameters of the Haswell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
TLB Parameters of the Broadwell Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-13
Components of the Front End of Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16
ICache and ITLB of Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16
Dispatch Port and Execution Stacks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22
Execution Core Writeback Latency (cycles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-23
Cache Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-23
Lookup Order and Load Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-24
L1 Data Cache Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-25
Effect of Addressing Modes on Load Latency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-26
DTLB and STLB Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-26
Store Forwarding Conditions (1 and 2 byte stores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-27
Store Forwarding Conditions (4-16 byte stores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-27
32-byte Store Forwarding Conditions (0-15 byte alignment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-28
32-byte Store Forwarding Conditions (16-31 byte alignment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-28
Components of the Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-34
Issue Ports of Intel Core Microarchitecture and Enhanced Intel Core Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . 2-38
Cache Parameters of Processors based on Intel Core Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-44
Characteristics of Load and Store Operations in Intel Core Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-45
Bypass Delay Between Producer and Consumer Micro-ops (cycles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-50
Issue Ports of Intel Microarchitecture Code Name Nehalem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-50
Cache Parameters of Intel Core i7 Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-51
Performance Impact of Address Alignments of MOVDQU from L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-52
Macro-Fusible Instructions in Intel Microarchitecture Code Name Sandy Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-13
Small Loop Criteria Detected by Sandy Bridge and Haswell Microarchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-18
Store Forwarding Restrictions of Processors Based on Intel Core Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . 3-53
Relative Performance of Memcpy() Using ERMSB Vs. 128-bit AVX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-70
Effect of Address Misalignment on Memcpy() Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-70
PSHUF Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5-13
SoA Form of Representing Vertices Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6-4
Software Prefetching Considerations into Strip-mining Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-23
Relative Performance of Memory Copy Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-30
Deterministic Cache Parameters Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7-31
Properties of Synchronization Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-11
Design-Time Resource Management Choices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-23
Microarchitectural Resources Comparisons of HT Implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-26
SSE4.2 String/Text Instructions Compare Operation on N-elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-2
SSE4.2 String/Text Instructions Unary Transformation on IntRes1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3
SSE4.2 String/Text Instructions Output Selection Imm[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3
SSE4.2 String/Text Instructions Element-Pair Comparison Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3
SSE4.2 String/Text Instructions Eflags Behavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3
Features between 256-bit AVX, 128-bit AVX and Legacy SSE Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-2
State Transitions of Mixing AVX and SSE Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-9
Approximate Magnitude of AVX-SSE Transition Penalties in Different Microarchitectures. . . . . . . . . . . 11-9
Effect of VZEROUPPER with Inter-Function Calls Between AVX and SSE Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-10
Comparison of Numeric Alternatives of Selected Linear Algebra in Skylake Microarchitecture . . . . . . 11-34
Single-Precision Divide and Square Root Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-35
Comparison of Single-Precision Divide Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-37
xxv
CONTENTS
TableTableTableTableTableTable11-8.
11-9.
11-10.
11-11.
12-1.
13-1.
TableTableTable13-2.
13-3.
13-4.
TableTable13-5.
13-6.
TableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTable14-1.
14-2.
14-3.
14-4.
14-5.
14-6.
14-7.
14-8.
14-9.
14-10.
14-11.
14-12.
14-13.
14-14.
15-1.
15-2.
15-3.
15-4.
15-5.
A-1.
B-1.
B-2.
B-3.
B-4.
B-5.
B-6.
B-7.
B-8.
B-9.
B-10.
B-11.
B-12.
B-13.
B-14.
B-15.
B-16.
C-1.
C-2.
C-3.
C-4.
C-5.
C-6.
C-7.
PAGE
Comparison of Single-Precision Reciprocal Square Root Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-39
Comparison of Single-Precision Square Root Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-41
Comparison of AOS to SOA with Strided Access Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-68
Comparison of Indexed AOS to SOA Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-69
RTM Abort Status Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-23
ACPI C-State Type Mappings to Processor Specific C-State for Mobile Processors Based on Intel
Microarchitecture Code Name Nehalem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-5
ACPI C-State Type Mappings to Processor Specific C-State of Intel Microarchitecture Code Name Sandy
Bridge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-5
C-State Total Processor Exit Latency for Client Systems (Core+ Package Exit Latency) with Slow
VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-18
C-State Total Processor Exit Latency for Client Systems (Core+ Package Exit Latency) with Fast
VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-18
C-State Core-Only Exit Latency for Client Systems with Slow VR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-19
POWER_CTL MSR in Next Generation Intel Processor (Intel® Microarchitecture Code Name Sandy
Bridge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13-19
Comparison of Front End Cluster Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-3
Comparison of Distributed Reservation Stations on Scheduling Uops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-3
Function Unit Mapping of the Goldmont Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-3
Comparison of MEC Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-4
Function Unit Mapping of the Silvermont Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-6
Alternatives to MSROM Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14-8
Comparison of Decoder Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-10
Integer Multiply Operation Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-12
Floating-Point and SIMD Integer Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-15
Unsigned Integer Division Operation Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-17
Signed Integer Division Operation Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-17
Store Forwarding Conditions (1 and 2 Byte Stores) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-18
Store Forwarding Conditions (4-16 Byte Stores). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-19
Instructions Latency and Throughput Recent Microarchitectures for Intel Atom Processors . . . . . . . 14-21
Integer Pipeline Characteristics of the Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-4
Vector Pipeline Characteristics of the Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-5
Characteristics of Caching Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-6
Alternatives to MSROM Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-11
Cycle Cost Building Blocks for Vectorization Estimate for Knights Landing Microarchitecture . . . . . . . 15-15
Recommended Processor Optimization Options. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2
Performance Monitoring Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-8
Cycle Accounting and Micro-ops Flow Recipe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-15
CMask/Inv/Edge/Thread Granularity of Events for Micro-op Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-16
Cycle Accounting of Wasted Work Due to Misprediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-17
Cycle Accounting of Instruction Starvation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-18
CMask/Inv/Edge/Thread Granularity of Events for Micro-op Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-19
Approximate Latency of L2 Misses of Intel Xeon Processor 5500. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-21
Load Latency Event Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-24
Data Source Encoding for Load Latency PEBS Record . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-24
Core PMU Events to Drill Down L2 Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-28
Core PMU Events for Super Queue Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-29
Core PMU Event to Drill Down OFFCore Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-29
OFFCORE_RSP_0 MSR Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-29
Common Request and Response Types for OFFCORE_RSP_0 MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-30
Uncore PMU Events for Occupancy Cycles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-35
Common QHL Opcode Matching Facility Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-37
CPUID Signature Values of Of Recent Intel Microarchitectures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-3
Instruction Extensions Introduction by Microarchitectures (CPUID Signature). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-4
BMI1, BMI2 and General Purpose Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-4
256-bit AVX2 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-5
Gather Timing Data from L1D* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-6
BMI1, BMI2 and General Purpose Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7
F16C,RDRAND Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7
xxvi
TableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableTableC-8.
C-9.
C-10.
C-11.
C-12.
C-13.
C-14.
C-15.
C-16.
C-17.
C-18.
D-1.
D-2.
CONTENTS
PAGE
256-bit AVX Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-7
AESNI and PCLMULQDQ Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-9
SSE4.2 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-10
SSE4.1 Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-10
Supplemental Streaming SIMD Extension 3 Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-11
Streaming SIMD Extension 3 SIMD Floating-point Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-12
Streaming SIMD Extension 2 128-bit Integer Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-12
Streaming SIMD Extension 2 Double-precision Floating-point Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-14
Streaming SIMD Extension Single-precision Floating-point Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-15
General Purpose Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C-17
Pointer-Chasing Variability of Software Measurable Latency of L1 Data Cache Latency. . . . . . . . . . . . . . C-20
Instruction Latency/Throughput Summary of Intel® AtomTM Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D-7
Intel® AtomTM Microarchitecture Instructions Latency Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D-14