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　　之前的的mmx/sse指令可用性检查存在缺陷。现在的V1.03版改进了mmx/sse指令可用性检查，使用signal、setjmp，能够支持纯C程序。修正了AVX检查Bug。增加多文件链接ccpuid的测试例程。

一、更新说明

1.1 改进mmx/sse指令可用性检查

1.1.1 问题背景

　　以前是使用结构化异常处理来确认当前环境是否能运行mmx/sse指令的。该方法存在两个问题。

　　首先，仅有C++支持结构化异常处理，而纯C是不支持的。所以在V1.02版中，是根据__cplusplus宏来做条件编译的。造成仅有C++版支持指令可用性检查，而纯C版没有该检查能力。

　　更重大的问题是——结构化异常处理并不能捕获mmx/sse指令错误，程序会崩溃。

　　这是因为——当运行了当前环境不支持指令时，不会触发结构化异常处理，而是触发SIG_ILL（非法指令）信号，若没有该信号的处理函数，程序就崩溃了。

　　本来我以为“硬件支持MMX/SSE，但当前运行环境不支持”这种情况是很罕见的，因为现在的主流操作系统（Windows、Linux、Mac OS X等）都是支持mmx和sse。

　　但后来发现，这种情况是很容易出现的。这是因为AVX指令集的影响。

　　当gcc用上“-mavx”编译参数时，gcc会将所有的SSE代码编译为“VEX前缀编码的SSE指令”，而不是“传统SSE编码的指令”。“VEX前缀编码的SSE指令”实际上是128位的AVX指令，只有CPU硬件支持AVX，并且操作系统支持AVX时，才能运行“VEX前缀编码的SSE指令”。

　　就算你的代码中没有使用SSE，但是由于编译器的自动矢量化编译优化，也可能会自动生成VEX SSE指令，导致程序崩溃。

　　而VC在这方面好一点，依然是生成传统编码的SSE指令，程序能够在非AVX环境下运行。

1.1.2 解决办法

　　怎么捕获SIG_ILL（非法指令）信号呢？C标准库提供了<signal.h>，用于处理信号。

　　从SIG_ILL信号中怎么恢复呢？C标准库提供了<setjmp.h>，可以实现非局部转移。

　　但是还存在一个问题——在信号处理函数中，怎么知道应该回到哪一个位置呢？这时只有靠一个全局变量来存放返回位置。

　　而使用全局变量，可能会引起线程安全问题。暂时不管了，目前的跨平台多线程处理很麻烦。还是等C11普及后再说吧。

1.1.3 具体实现1（修改ccpuid.h）

　　在具体实现时，会遇到这个问题——纯C版的ccpuid只是一个头文件，按照惯例只能含有声明性内容，不能含有定义性内容。而信号处理函数必须是一个实际定义的函数，这样才能获取它的函数指针进行注册。

　　如果再添加一个ccpuid.c源文件，在它里面编写信号处理函数。虽然这样更符合C语言惯例，但这样用起来很麻烦，而且可能还需要修改代码才能与新版的ccpuid兼容。

　　所以我决定还是将信号处理函数及相关的全局变量放在头文件中。为了避免外部暴露，可以加上static关键字，使它们仅在文件内可见、不参与链接。

　　由于现在需要检查MMX与SSE这两类指令，所以可以考虑将这种检查封装成为一个函数——

// 收到SIGILL信号时的跳回地址.static jmp_buf *volatile simd_pjmpback_sigill = NULL;// 处理SIGILL信号.static void simd_catch_sigill(int sig){    jmp_buf * pjmp = simd_pjmpback_sigill;    // 能够跳回.    if (NULL!=pjmp)    {        longjmp(*pjmp, 1);    // 跳回.    }    // 不能跳回.    //fprintf(stderr, "!SIGILL!");    abort();}// 尝试调用一个可能会发生SIGILL信号的函数.//// result: 若正常运行，就返回pfunc的返回值. 否则返回0.// pfunc: 欲测试的函数.// puserdata: 用户自定参数, 在调用pfunc时会传递该参数.static int simd_try_sigill(int (*pfunc)(void*), void* puserdata){    int rt = 0;    jmp_buf myjmp;    jmp_buf* poldjmp=NULL;    // 以前的跳回地址.    void (*old_signal)(int) = SIG_DFL;    // 以前的信号处理函数.    // 注册跳转.    if (0==setjmp(myjmp))    {        // 登记跳回.        poldjmp = simd_pjmpback_sigill;        simd_pjmpback_sigill = &myjmp;        // 注册信号处理函数.        old_signal = signal(SIGILL, simd_catch_sigill);        // [try]        rt = pfunc(puserdata);    }    else    {        // [catch]    }    // 恢复信号处理函数.    simd_pjmpback_sigill = poldjmp;    signal(SIGILL, old_signal);    return rt;}

 

 

　　验证MMX指令是否能运行——

// 验证mmx指令是否能运行_实际指令测试.static int    simd_try_mmx_pfunc(void* puserdata){    #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) && !defined(__INTEL_COMPILER)        // VC编译器不支持64位下的MMX.        return 0;    #else        _mm_empty();    // MMX instruction: emms        return 1;    #endif    // #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER)}// 验证mmx指令是否能运行.static int    simd_try_mmx(){    int rt = 0;    #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER) && !defined(__INTEL_COMPILER)        // VC编译器不支持64位下的MMX.    #else        rt = simd_try_sigill(simd_try_mmx_pfunc, 0);    #endif    // #if defined(_M_X64) && defined(_MSC_VER)    return rt;}

 

　　验证SSE指令是否能运行——

// 验证sse指令是否能运行_实际指令测试.static int    simd_try_sse_pfunc(void* puserdata){    int rt = 0;    volatile __m128 xmm1 = _mm_setzero_ps();    // SSE instruction: xorps    int* pxmm1 = (int*)&xmm1;    // 避免GCC的 -Wstrict-aliasing 警告.    if (0==*pxmm1)    rt = 1;    // 避免Release模式编译优化时剔除_mm_setzero_ps.    return rt;}// 验证sse指令是否能运行.static int    simd_try_sse(){    int rt = simd_try_sigill(simd_try_sse_pfunc, 0);    return rt;}

 

　　然后再修改原来的simd_mmx、simd_sse_level函数，在最后调用simd_try_mmx、simd_try_sse验证当前环境——

// 是否支持MMX指令集.//// result: 返回当前运行环境是否支持MMX指令集. 非0表示支持, 0表示不支持.// phwmmx: 返回硬件是否支持MMX指令集. 非0表示支持, 0表示不支持.INLINE int    simd_mmx(int* phwmmx){    int    rt = 0;    // result    #ifdef CCPUID_X86        const uint32_t    BIT_D_MMX = 0x00800000;    // bit 23        uint32_t dwBuf[4];        // check processor support        getcpuid(dwBuf, 1);    // Function 1: Feature Information        if ( dwBuf[3] & BIT_D_MMX )    rt=1;        if (NULL!=phwmmx)    *phwmmx=rt;        // check OS support        if ( rt>0 )        {            if (!simd_try_mmx()) rt=0;        }    #else    // #ifdef CCPUID_X86        if (NULL!=phwmmx)    *phwmmx=rt;    #endif    // #ifdef CCPUID_X86    return rt;}// 检测SSE系列指令集的支持级别.//// result: 返回当前运行环境的SSE系列指令集支持级别. 详见SIMD_SSE_常数.// phwmmx: 返回硬件的SSE系列指令集支持级别. 详见SIMD_SSE_常数.INLINE int    simd_sse_level(int* phwsse){    int    rt = SIMD_SSE_NONE;    // result    #ifdef CCPUID_X86        const uint32_t    BIT_D_SSE = 0x02000000;    // bit 25        const uint32_t    BIT_D_SSE2 = 0x04000000;    // bit 26        const uint32_t    BIT_C_SSE3 = 0x00000001;    // bit 0        const uint32_t    BIT_C_SSSE3 = 0x00000100;    // bit 9        const uint32_t    BIT_C_SSE41 = 0x00080000;    // bit 19        const uint32_t    BIT_C_SSE42 = 0x00100000;    // bit 20        uint32_t dwBuf[4];        // check processor support        getcpuid(dwBuf, 1);    // Function 1: Feature Information        if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE )        {            rt = SIMD_SSE_1;            if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE2 )            {                rt = SIMD_SSE_2;                if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE3 )                {                    rt = SIMD_SSE_3;                    if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSSE3 )                    {                        rt = SIMD_SSE_3S;                        if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE41 )                        {                            rt = SIMD_SSE_41;                            if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE42 )                            {                                rt = SIMD_SSE_42;                            }                        }                    }                }            }        }        if (NULL!=phwsse)    *phwsse=rt;        // check OS support        if ( rt>0 )        {            if (!simd_try_sse()) rt=SIMD_SSE_NONE;        }    #else    // #ifdef CCPUID_X86        if (NULL!=phwmmx)    *phwmmx=rt;    #endif    // #ifdef CCPUID_X86    return rt;}

 

1.1.4 具体实现2（修改ccpuid.hpp、ccpuid.cpp）

　　再考虑一下如何修改CCPUID类。原先是在调用RefreshProperty函数时，就一起更新_mmx、_sse等变量。而现在simd_try_mmx、simd_try_sse等验证函数不是线程安全的，如果还是一起更新的话，恐怕会影响稳定性。

　　所以设计为在需要时才验证的模式更好。具体做法是，simd_mmx、simd_sse_level返回-1，由mmx、sse负责检查。

　　mmx、sse原先设计为 const成员函数，而现在需要保存验证结果而修改_mmx、_sse变量，该怎么办呢？有两种方案——

1. 去掉该函数的const关键字，使其成为普通成员函数。

2. 将_mmx、_sse变量加上mutable关键字，使其能在 const成员函数 中修改。

　　考虑到旧代码的兼容性，我选择了方案2。

　　修改ccpuid.hpp：给_mmx、_sse变量加上mutable关键字，将mmx、sse函数挪至cpp文件中——

int mmx() const;    // 系统支持MMX.    int sse() const;    // 系统支持SSE....    mutable int _mmx;    // 系统支持MMX.    mutable int _sse;    // 系统支持SSE.

 

　　修改ccpuid.cpp：simd_mmx、simd_sse_level返回-1，由mmx、sse负责检查——

int    CCPUID::simd_mmx(int* phwmmx) const{    int    rt = 0;    // result    #ifdef CCPUID_X86        const uint32_t    BIT_D_MMX = 0x00800000;    // bit 23        uint32_t dwBuf[4];        // check processor support        GetData(dwBuf, 1);    // Function 1: Feature Information        if ( dwBuf[3] & BIT_D_MMX )    rt=1;        if (NULL!=phwmmx)    *phwmmx=rt;        // check OS support        rt = -1;    // 需要时才检查, 见mmx().    #else    // #ifdef CCPUID_X86        if (NULL!=phwmmx)    *phwmmx=rt;    #endif    // #ifdef CCPUID_X86    return rt;}int    CCPUID::simd_sse_level(int* phwsse) const{    int    rt = SIMD_SSE_NONE;    // result    #ifdef CCPUID_X86        const uint32_t    BIT_D_SSE = 0x02000000;    // bit 25        const uint32_t    BIT_D_SSE2 = 0x04000000;    // bit 26        const uint32_t    BIT_C_SSE3 = 0x00000001;    // bit 0        const uint32_t    BIT_C_SSSE3 = 0x00000100;    // bit 9        const uint32_t    BIT_C_SSE41 = 0x00080000;    // bit 19        const uint32_t    BIT_C_SSE42 = 0x00100000;    // bit 20        uint32_t dwBuf[4];        // check processor support        GetData(dwBuf, 1);    // Function 1: Feature Information        if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE )        {            rt = SIMD_SSE_1;            if ( dwBuf[3] & BIT_D_SSE2 )            {                rt = SIMD_SSE_2;                if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE3 )                {                    rt = SIMD_SSE_3;                    if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSSE3 )                    {                        rt = SIMD_SSE_3S;                        if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE41 )                        {                            rt = SIMD_SSE_41;                            if ( dwBuf[2] & BIT_C_SSE42 )                            {                                rt = SIMD_SSE_42;                            }                        }                    }                }            }        }        if (NULL!=phwsse)    *phwsse=rt;        // check OS support        rt = -1;    // 需要时才检查, 见sse().    #else    // #ifdef CCPUID_X86        if (NULL!=phwsse)    *phwsse=rt;    #endif    // #ifdef CCPUID_X86    return rt;}...int CCPUID::mmx() const{    if (_mmx<0)    {        // 发现未检查, 进行检查.        _mmx = _hwmmx;        if (_mmx>0)        {            if (!simd_try_mmx()) _mmx=0;        }    }    return _mmx;}int CCPUID::sse() const{    if (_sse<0)    {        // 发现未检查, 进行检查.        _sse = _hwsse;        if (_sse>0)        {            if (!simd_try_sse()) _sse=SIMD_SSE_NONE;        }    }    return _sse;}

 

 

1.2 修正AVX检查Bug

　　V1.02版因X86平台判断功能改动了AVX检查代码，不小心留下了一个Bug——当操作系统不支持OSXSAVE时，simd_avx_level函数却返回一个正数，报告当前环境支持AVX。而按照规定，它应该返回0。

　　经过检查，发现是条件判断覆盖问题。于是修改了 simd_avx_level、CCPUID::simd_avx_level，修正了此Bug。

1.3 增加多文件链接ccpuid的测试例程

　　因SIGILL信号处理，现在ccpuid.h这个头文件中不得不含有定义性代码。一般来说，当头文件中含有定义性代码时，有时会造成多文件链接时报错。

　　虽然我们已经加上了static关键字使那部分代码变为仅文件内可见、不参与链接。但是为了验证，还是编写一个测试例程比较好。

　　于是在C++测试例程项目中 增加两个文件——test2.h和test2.cpp。

　　test2.h用于声明test2函数——

void test2(void);

　　在test2.cpp中也引用了ccpuid.hpp，并写了简单的测试代码——

#include 
     
      #include "ccpuid.hpp"#include "test2.h"// 测试调用 const对象 的 const成员函数.void test2_const(const CCPUID& ccid){    printf("test2_SSE:\t%d\n",ccid.sse());}// 测试多文件链接使用ccpuid.void test2(void){    test2_const(CCPUID::cur());}
     

 

　　最后在testccpuid.cpp中添加对test2函数的调用——

#include "test2.h"...test2();

 

 

二、全部代码

（略）

2.1 ccpuid模块

2.1.1 ccpuid.h: CPUID信息（纯C版）

　　全部代码——

2.1.2 ccpuid.hpp: CPUID信息（C++版头文件）

　　全部代码——

2.1.3 ccpuid.cpp: CPUID信息（C++版源文件）

　　全部代码——

2.2 纯C版测试例程

2.2.1 testccpuidc.c : [C] 测试ccpuid.h, 显示CPUID信息

　　全部代码——

2.3 C++版测试例程

2.3.1 testccpuid.cpp : [C++] 测试ccpuid.hpp, 显示所有的CPUID信息

　　全部代码——

2.3.2 test2.h: 多文件链接ccpuid的测试（头文件）

　　全部代码——

2.3.3 test2.cpp: 多文件链接ccpuid的测试（源文件）

　　全部代码——

2.4 makefile

　　makefile——

三、编译测试

　　在以下编译器中成功编译——

VC6：x86版。

VC2003：x86版。

VC2005：x86版。

VC2010：x86版、x64版。

GCC 4.7.0（Fedora 17 x64）：x86版、x64版。

GCC 4.6.2（MinGW (20120426)）：x86版。

GCC 4.7.1（TDM-GCC (MinGW-w64)）：x86版、x64版。

llvm-gcc-4.2（Mac OS X Lion 10.7.4, Xcode 4.4.1）：x86版、x64版。

 

 

参考文献——

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《Intel® Architecture Instruction Set Extensions Programming Reference》014. AUGUST 2012.

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《AMD64 Architecture Programmer's Manual Volume 3: General Purpose and System Instructions》. December 2011.

《AMD CPUID Specification》. September 2010.

《x86 architecture CPUID》.

《Haswell New Instruction Descriptions Now Available! 》. Mark Buxton.

[IDF2012]ARCS002《Introduction to the upcoming Intel® Advanced Vector Extensions 2 (Intel® AVX2)》. 王有伟, Henry Ou. 2012-4.

[IDF2012]ARCS002《即将推出的英特尔® 高级矢量扩展指令集2（英特尔® AVX2）介绍》. 王有伟, Henry Ou. 2012-4.

《x86/x64 指令系统》. mik（邓志）.

《[x86]SIMD指令集发展历程表（MMX、SSE、AVX等）》.

《如何在各个版本的VC及64位下使用CPUID指令》.

《[VC兼容32位和64位] 检查MMX和SSE系列指令集的支持级别》.

《[VC] CPUIDFIELD：CPUID字段的统一编号、读取方案。范例：检查SSE4A、AES、PCLMULQDQ指令》.

《[VC] 检测AVX系列指令集的支持级别（AVX、AVX2、F16C、FMA、FMA4、XOP）》.

《[C#] cmdarg_ui：“简单参数命令行程序”的通用图形界面》. 

《[C/C++] 显示各种C/C++编译器的预定义宏（C11标准、C++11标准、VC、BCB、Intel、GCC）》.

《[C] 让VC、BCB支持C99的整数类型（stdint.h、inttypes.h）（兼容GCC）》.

《GCC 64位程序的makefile条件编译心得——32位版与64位版、debug版与release版（兼容MinGW、TDM-GCC）》.

《[C] 在GCC中获取CPUID信息（兼容VC）》.

《ccpuid：CPUID信息模块。范例：显示所有的CPUID信息》.

《ccpuid：CPUID信息模块 V1.01版，支持GCC（兼容32位或64位的Windows/Linux）》.

《ccpuid：CPUID信息模块 V1.02版，支持Mac OS X，支持纯C，增加CPUF常数》.

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