浮点寄存器概述

        本文介绍的浮点寄存器是基于 AVX2（Advanced Vector Extension，高级向量扩展，2 表示第二个版本）的，这是目前最新的，旧一点的还有如 SSE（Streaming SIMD Extension，流式 SIMD 扩展，SIMD 即单指令多数据）、MMX 等，这些浮点指令体系因为历史原因也被称为媒体指令，因为早期主要是用于支持图形和图像处理。每个扩展都是管理寄存器组中的数据，这些寄存器组在 MMX 中称为“MM”寄存器（64 位），SSE 中称为“XMM”寄存器（128 位），AVX 中则称为“YMM”寄存器（256 位）。
        要使 GCC 生成 AVX2 代码，可以使用命令行选项“-mavx2”。基于不同版本的 SSE 以及第一个版本的 AVX 的代码从概念上来说是类似的，不过指令名和格式有所不同。此外，同之前介绍的整数操作指令一样，这里也是使用 ATT 格式，它同 Intel 格式中列出的指令操作数的顺序是不同的。
        如下图所示，AVX 浮点体系结构允许数据存储在 16 个 YMM 寄存器中，它们的名字为 %ymm0 ~ %ymm15。每个 YMM 寄存器都是 256 位（32 字节）。当对标量数据操作时，这些寄存器只保存浮点数，而且只使用低 32 位（对于 float）或 64 位（对于 double）。汇编代码用寄存器的 SSE XMM 寄存器名字 %xmm0 ~ %xmm15 来引用它们，每个 XMM 寄存器都是对应的 YMM 寄存器的低 128 位（16 字节）。

        类似于整数操作指令，浮点指令也提供了一组在内存和 XMM 寄存器之间以及从一个 XMM 寄存器到另一个不做任何转换的传送浮点数的指令，如下图所示。

        这里，引用内存的指令是标量指令，意味着它们只对单个而不是一组封装好的数据值进行操作。数据要么保存在内存中（由图中的 M32 和 M64 指明，分别表示 32 位和 64 位内存范围），要么保存在 XMM 寄存器中（在图中用 X 表示）。无论数据对齐与否，这些指令都能正确执行，不过代码优化规则建议 32 位内存数据满足 4 字节对齐，64 位数据满足 8 字节对齐。内存引用的指定方式与整数 MOV 指令的一样，包括偏移量、基址寄存器、变址寄存器和伸缩因子的所有可能的组合。
        GCC 只用标量传送操作从内存传送数据到 XMM 寄存器或从 XMM 寄存器传送数据到内存。对于在两个 XMM 寄存器之间传送数据，GCC 会使用 vmovaps 传送单精度数，用 vmovapd 传送双精度数。对于这些情况，程序复制整个寄存器还是只复制低位值既不会影响程序功能，也不会影响执行速度，所以使用这些指令还是针对标量数据的指令没有实质上的差别。指令名字中的“a”表示“aligned（对齐的）”。当用于读写内存时，如果地址不满足 16 字节对齐，它们会导致异常。在两个寄存器之间传送数据，绝不会出现错误对齐的状况。
        下面是一个浮点传送操作的 C 例子。

float float_mov(float v1, float *src, float *dst){
    float v2 = *src;
    *dst = v1;
    return v2;
}

        与它相关联的 x86-64 汇编代码如下。

;float float_mov(float v1, float *src, float *dst)
;v1 in %xmm0, src in %rdi, dst in %rsi
float_mov:
    vmovaps %xmm0, %xmm1        ; Copy v1
    vmovss (%rdi), %xmm0        ; Read v2 from src
    vmovss %xmm1, (%rsi)        ; Write v1 to dst
    ret                         ; Return v2 in %xmm0

        可以看到它使用了 vmovaps 指令把数据从一个寄存器复制到另一个，使用了 vmovss 指令把数据从内存复制到 XMM 寄存器以及从 XMM 寄存器复制到内存。


参考书籍：《深入理解计算机系统》第三章——程序的机器级表示。