x86 ビット操作命令セット

ビット操作命令セット( BMI セット) は、IntelおよびAMDのマイクロプロセッサのx86 命令セット アーキテクチャの拡張機能です。これらの命令セットの目的は、ビット操作の速度を向上させることです。これらのセットのすべての命令は非SIMDであり、汎用レジスタでのみ動作します。

Intel が発行した命令セットには、BMI (現在は BMI1 と呼ばれる) と BMI2 の 2 つがあります。これらは両方ともHaswellマイクロアーキテクチャで導入され、BMI1 は AMD の ABM 命令セットが提供する機能と一致し、BMI2 はそれらを拡張したものです。AMD が発行した他の 2 つの命令セットは、ABM ( Advanced Bit Manipulation 、Intel がSSE4.2および BMI1の一部として実装したSSE4aのサブセットでもあります) と TBM ( Trailing Bit Manipulation 、 Piledriverベースのプロセッサで BMI1 の拡張として導入された拡張機能ですが、Zenベースのプロセッサでは再び廃止されました) です。^[1]

AMD は、現在 Intel の BMI1 を構成する命令を ABM ( Advanced Bit Manipulation ) 命令セットの一部として最初に導入し、その後 Intel の新しい BMI2 命令のサポートを追加しました。AMD は現在、Intel の BMI1 および BMI2 cpuflags を介してこれらの機能の可用性を宣伝し、プログラマーにそれに応じてターゲットを絞るよう指示しています。^[2]

IntelはPOPCNTSSE4.2の一部とLZCNTBMI1の一部であると考えていますが、IntelとAMDはどちらもこれら2つの命令の存在を個別に宣伝しています。同じ名前のPOPCNT別のCPUIDフラグがあり、IntelとAMDはAMDのABMフラグを使用してLZCNTサポートを示します（LZCNTBMI1とBMI2を組み合わせると拡張ABM命令セットが完成するため）。^{[2] [3]}

LZCNTは、ビット スキャン リバース ( BSR) 命令に関連していますが、ZF (結果がゼロの場合) フラグと CF (ソースがゼロの場合) フラグを設定するのではなく、ZF (ソースがゼロの場合) を設定します。また、ソース オペランドがゼロの場合、定義された結果 (ビット単位のソース オペランド サイズ) を生成します。非ゼロ引数の場合、LZCNTと のBSR結果の合計は、引数のビット幅から 1 を引いた値になります (たとえば、32 ビット引数が の場合 0x000f0000、LZCNT は 12 を、BSR は 19 を返します)。

のエンコードは、LZCNTABMがサポートされていない場合はBSR代わりに命令が実行されるようになっている。^{[4] : 227}

以下の命令はBMICPUIDのビットによって有効化されるものである。Intelは公式にはLZCNTBMIの一部とみなしているが、 CPUID機能フラグをLZCNT使用してサポートを宣伝しているABM。^{[3] BMI1はAMDの}Jaguar、^[5] Piledriver ^[6]以降のプロセッサ、およびIntelのHaswell ^[7]以降のプロセッサで利用可能である。

TZCNTは、ビット スキャン フォワード ( BSF) 命令とほぼ同じですが、ZF (ソースがゼロの場合) を設定するのではなく、ZF (結果がゼロの場合) フラグと CF (ソースがゼロの場合) フラグを設定します。引数がゼロ以外の場合、TZCNTとの結果はBSF同じになります。

と同様にLZCNT、 のエンコードは、TZCNTBMI1がサポートされていない場合はBSF代わりに命令が実行されるようになっている。^{[4] : 352}

IntelはHaswellプロセッサのラインでBMI1とともにBMI2を導入した。BMI2なしでBMI1をサポートするプロセッサを製造したのはAMDのみであり、BMI2はAMDのExcavatorアーキテクチャ以降でサポートされている。^[11]

命令PDEPとPEXT命令は、新しい汎用ビットレベル圧縮および展開命令です。これらは 2 つの入力を受け取ります。1 つはソース、もう 1 つはセレクタです。セレクタは、パックまたはアンパックするビットを選択するビットマップです。 は、 PEXTソースから選択されたビットを宛先の連続する下位ビットにコピーします。上位の宛先ビットはクリアされます。 は PDEP、選択されたビットに対してその逆の処理を行います。連続する下位ビットは宛先の選択されたビットにコピーされます。その他の宛先ビットはクリアされます。これを使用して、入力の任意のビットフィールドを抽出したり、以前はコストがかかった大量のビットレベルシャッフルを実行したりできます。これらの命令は、ビットレベルのギャザースキャッターSIMD 命令に似ていますが、PDEP命令PEXTは (他の BMI 命令セットと同様に) 汎用レジスタで動作します。^[12]

命令は 32 ビット版と 64 ビット版で利用できます。32 ビット モードで任意のソースとセレクターを使用する例は次のとおりです。

Zen 3以前のAMDプロセッサ^[13]ではPDEPとPEXTをマイクロコードで実装しており、レイテンシは(Zen 3の)3サイクル^[15 ]ではなく18サイクル^[14]となっている。その結果、これらのプロセッサでは他の命令を使用する方が高速になることが多い。^[16]

TBMはBMI1で開始された命令セットを補完する命令で構成されています。補完的な性質を持つということは、必ずしも直接使用する必要はなく、サポートされている場合は最適化コンパイラによって生成できることを意味します。AMDは、BMI1とともにTBMをPiledriver ^[6]プロセッサラインで導入しました。その後のAMD JaguarおよびZenベースのプロセッサはTBMをサポートしていません。^[5] Intelプロセッサは（少なくともAlder Lakeまでは）TBMをサポートしていません。

• インテル
  • Intel Nehalemプロセッサ以降 ( Sandy Bridge、Ivy Bridgeなど) (POPCNT をサポート)
  • Intel Silvermontプロセッサ (POPCNT をサポート)
  • Intel Haswellプロセッサおよびそれ以降（ Skylake、Broadwellなど）（ABM、BMI1、BMI2をサポート）^[7]
• アム
  • K10 ベースのプロセッサ (ABM 対応)
  • 「Cat」低電力プロセッサ
    • ボブキャットベースのプロセッサ（ABM対応）^[18]
    • Jaguarベースのプロセッサ以降（ABMおよびBMI1をサポート）^[5]
    • Pumaベースのプロセッサ以降（ABMおよびBMI1をサポート）^[5]
  • 「重機」プロセッサー
    • Bulldozer ベースのプロセッサ (ABM 対応)
    • パイルドライバーベースのプロセッサ（ABM、BMI1、TBMをサポート）^[1]
    • Steamroller ベースのプロセッサ (ABM、BMI1、TBM をサポート)
    • 掘削機ベースのプロセッサおよびそれ以降（ABM、BMI1、BMI2、TBMをサポート、マイクロコードPEXTおよびPDEP）^[11]
  • Zenベース、Zen+ベース、Zen 2ベース^[19]プロセッサ（ABM、BMI1、BMI2をサポート、マイクロコードPEXTおよびPDEP）
  • Zen 3プロセッサ以降 (ABM、BMI1、BMI2 をサポート、完全なハードウェア実装)

命令拡張サポートとは、プロセッサがソフトウェア互換性のためにサポートされている命令を実行できることを意味します。プロセッサは、そのようにするとパフォーマンスが悪くなる可能性があります。たとえば、Excavator から Zen 2 プロセッサはマイクロコードを使用して PEXT および PDEP 命令を実装しているため、他の命令を使用して同じ動作を再現した場合よりも命令の実行速度が大幅に遅くなります。^[20] (「zp7」と呼ばれるソフトウェア メソッドは、実際にはこれらのマシンでより高速です。) ^[21]最適なパフォーマンスを得るには、コンパイラ開発者は、拡張機能の可用性ではなく、アーキテクチャ固有のパフォーマンス プロファイルに基づいて拡張機能内の個々の命令を使用することを選択することをお勧めします。

• ウォーレン・ジュニア、ヘンリー・S. (2013)。Hacker 's Delight (第2版)。Addison Wesley - Pearson Education, Inc. ISBN 978-0-321-84268-8。

• Intel イントリンシクス ガイド