ASM x86_64 AVX：xmm寄存器和ymm寄存器的区别

Question

xmm 寄存器和 ymm 寄存器有什么区别呢？我以为 xmm 是用于 SSE，ymm 用于 AVX，但我写了一些代码：

vmovups     ymm1, [r9]      
vcvtss2si   rcx, ymm1

并且它给了我：

error: invalid combination of opcode and operands

这是关于这条线:

vcvtss2si   rcx, ymm1

于是我写道：

vcvtss2si   rcx, xmm1

它按预期工作。将ymm1向量的第一个值转换为整数，现在在rcx中。

这是关于什么？ymm1和xmm1是同一寄存器吗？

- SciArt

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xmm1和ymm1（以及其他索引）的主要区别在于前者长度为128位，而后者长度为256位。 - Leandro Caniglia

那么 xmm1 和 ymm1 共享同一块内存吗？ 如果我想使用仅使用前128位的指令，那么使用 xmm 还是 ymm 无所谓吗？或者每个仅使用前128位的指令都需要使用 xmm？ - SciArt

好的，所以我正在从内存中复制256位的数据： vmovups ymm1, [r9] 然后我将xmm1的第一个元素（而不是ymm1）进行转换，并将其保存在rcx中： vcvtss2si rcx, xmm1 为什么rcx中会有ymm1的第一个值？它不应该是来自xmm1的“随机”数字吗？ 如果xmm1和ymm1是独立的寄存器，为什么ymm1的第一个元素和xmm1的第一个元素相同？ - SciArt

我在维基百科上找到了一个相当简单的图表： 链接。 如果我理解正确，YMM和XMM是重叠的，而XMM包含在YMM中。对吗？ - SciArt

谢谢您提供的链接。我现在明白了，我错了。您是对的，这两个寄存器的低128位是相同的。请忽略我的以前的评论。 - Leandro Caniglia

@LeandroCaniglia：你可以（而且应该）删除你的错误评论。xmm0是ymm0的低半部分，就像eax是rax的低半部分一样。（同时，写入xmm0会将ymm0的上半部分清零） - Peter Cordes

Answer 1

xmm0 是 ymm0 的低半部分，就像 eax 是 rax 的低半部分一样。

使用 VEX 编码指令（如 vaddps xmm，而不是传统的 SSE addps xmm）写入 xmm0 会将 ymm0 的上半部分清零，就像写入 eax 会将 rax 的上半部分清零以避免错误依赖。对于传统的 SSE 指令未清零上半部分的情况，这就是为什么 混合使用 AVX 和传统 SSE 指令会有惩罚 的原因。

大多数AVX指令都有128位或256位大小可用。例如：vaddps xmm0，xmm1，xmm2或vaddps ymm0，ymm1，ymm2。（大多数整数指令的256位版本仅在AVX2中提供，而AVX仅提供128位版本。有一些例外，如AVX1中的vptest ymm，ymm和vmovdqu（如果您将其视为“整数”指令））。

像vmovd、vcvtss2si和vcvtsi2ss这样的标量指令仅适用于XMM寄存器。读取YMM寄存器在逻辑上与读取XMM寄存器没有区别，但是对于XMM与YMM的写入低元素（并保留其他元素不变，就像设计不良的vcvtsi2ss所做的那样）会有所不同，因为YMM版本会使上部通道未清零。

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但是在机器码编码中，即使对于那些真正有用的指令（例如vpinsrd/vpextrd，即插入/提取一个标量），也不存在带有ymm的标量。

请注意，即使从逻辑上讲，读取XMM寄存器并只取低位标量元素与YMM相同，但实际实现中它们是不同的。读取YMM寄存器意味着使用AVX-256指令，这将导致CPU从“保存的上部”状态转换出来（对于具有SSE/AVX过渡/状态的Intel CPU）。

无论如何，vcvtss2si rax, ymm0是不可编码的，汇编器也不会自动将其组装为vcvtss2si rax, xmm0。如果你在写汇编代码，那么你应该清楚自己在做什么。（虽然有些汇编器会将mov rax, 1优化为mov eax, 1，因此让你使用ymm作为源寄存器可能会起作用。但是，让你将ymm作为vcvtsi2ss的目标寄存器写入会改变含义，因此为了一致性最好两者都不要这样做）。

- Peter Cordes

Answer 2

根据wikipedia，在AVX中: YMM寄存器的长度为256位。 XMM寄存器的长度为128位，并且代表YMM寄存器的低128位。 YMM和XMM寄存器重叠，XMM包含在YMM中。

来自wikimedia的图表：

- SciArt