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多媒体MMX指令在工业控制中的应用

更新时间：2020-01-02 20:59:53 大小：48K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：多媒体mmx指令工业控制 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

简单介绍了多媒体MMX指令可以高效率进行矢量和矩阵运算的特点,以工业控制中的静态解耦控制为例,对MMX技术的使用作了说明,并实现了核心程序.

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多媒体MMX指令在工业控制中的应用.pdf 48K

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第 卷第 期  
&& !!  
计算机应用  
bC5*&&>EC*!!  
ECD* >&""&  
年 月  
&""& !!  
9C8B734K 0BB56RO36C2J  
文章编号：  
（
）
!""! # $"%! &""& !! # "!&’ # "&  
多媒体  
指令在工业控制中的应用  
(()  
，
! &  
!
!
许 毅 ，冯 山 ，朱大勇  
（ 中国科学院 成都计算机应用研究所，四川 成都  
!*  
；
+!"",!  
四川师范大学 数学与软件学院，四川 成都  
）
&*  
+!""++  
摘 要：简单介绍了多媒体  
指令可以高效率进行矢量和矩阵运算的特点，以工业控制中的  
(()  
静态解耦控制为例，对  
技术的使用作了说明，并实现了核心程序。  
(()  
关键词： ；单指令多数据；工业控制；静态解耦  
(()  
中图分类号：  
-.&/,  
文献标识码：  
0
色，也是在工业控制中最为有用的指令：  
技术简介  
! (()  
.(0<<=< 88>88? 8+,  
在工业控制中，特别是多参数控制中，需要大量的矩阵运  
算，而 指令集在矩阵运算方面功能十分强大，在工业控  
为 个  
%
位寄存器之一， 为一个 位的存  
8+, +,  
88  
贮器。  
(()+,  
(()  
制中使用该指令集进行编程，可以大大提高系统的实时性，从  
而提高系统的性能。  
该指令为紧缩字乘加指令，其操作如图 所示。先将源  
!
操作数的 个有符号紧缩字与目标操作数的 个有符号紧缩  
, ,  
是美国  
公司为提高 处理器的多媒体功能与  
10  
(()  
12345  
字相乘，得到 个双字。然后将前 位和后 位分别相加，  
, @& @&  
通信能力而推出的，它在传统的  
中增加了 个  
%
.423678 9.:  
+,  
将结果写入目标操作数。  
位寄存器和 条新指令，使得通常需要借助专用硬件或通用  
’/  
数字信号处理器才能完成的复杂实时信号处理工作可能在通  
用 平台上用软件方法实现。  
10  
技术的基本特点  
!*! (()  
技术定义了新的  
位数据类型———紧缩定点整  
(()  
+,  
数，共有四种：紧缩字节、紧缩字、紧缩双字和 字。  
,
指令采用  
技术可以并行地对这些紧缩的数据  
(()  
;1(<  
值进行操作，即一条指令处理多个数据，从而加速了软件的运  
行速度。  
图
!
容易看出，这条指令对于向量点积、矩阵乘法、  
AA-  
和
技术在  
中新增加了 个  
%
位通用寄存器，这  
(()  
9.:  
+,  
等算法都是至关重要而且十分有效的。在工业控制中，  
<9-  
些寄存器以浮点寄存器为别名，没有增加新的寄存器或状态  
大量用到了系统传递矩阵等方法，需要大量的矢量和矩阵运  
算，因此，该指令在工业控制系统中的应用有很大实用意义。  
来支持  
技术，存储或恢复浮点状态的浮点指令同样适用  
(()  
于
状态，因此保留了与现行操作系统和应用程序的完全  
(()  
兼容性，使用  
指令的程序可以在常规的操作系统中运  
(()  
指令在工业控制中的应用  
& (()  
行，这对该指令集在工业控制中的应用很有利。  
我们将针对工业控制中的静态解耦控制来说明  
令在工业控制中的应用。  
指
扩展指令集介绍  
(()  
!*& (()  
扩展指令集共有 条指令，这里介绍一个最具特  
’/  
(()  
收稿日期：  
（修改稿）  
&""& # "’ # &/  
作者简介：许毅（  
），男，四川新都人，博士研究生，主要研究方向：人工智能、面向对象技术、软件工程和系统集成； 冯山（  
），男，四  
），男，四川茂县人，博士研究生，主要研究方向：人  
!$/& #  
!$+/ #  
川涪陵人，副教授，博士研究生，主要研究方向：人工智能、软件工程和系统集成； 朱大勇（  
!$/’ #  
工智能、软件工程  
*
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!  
G H  
当用户需要调用这些零件，只需进入这个  
系统，这  
8 B;43* (CD4E4F3  
—
I
90<  
JCK31< LL I  
样不仅使用方便，而且使设计人员能把更多的精力投入到技  
术方案创新上，大大提高了设计效率。  
参考文献  
M
G H  
I
8
B;43* (CD4A6KJ3  
—
N654J2O84 P 8 B;43* 8 A654EO84I  
— —  
Q6K4R3 P 8 B;43* 8 SCRO36C2I  
— —  
X Y  
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X Y  
.OKO843K6R -4RV2C5CZ[ 9CKBCKO36C2* .KC? -WWS\1- :J4K]J ^76Q4 _ *  
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X Y  
( *  
技术内幕  
北京 清华大学出版  
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G H  
8 B万;43方* 95数CJ4据  
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社
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计算机应用  
年
!&&!  
#!)  
?7@ A1B<%#  
?7@ A2B<%!  
?7@ ACB<%8  
静态解耦控制的概念  
在多变量控制系统中，控制变量与被控变量、被控变量之  
!"#  
间相互关联、相互耦合和相互影响的多变量控制系统，是比较  
典型的一种。对于这种多变量系统，目前一般采用补偿装置  
来消除相互之间的关联，使其中任一控制变量的动作只影响  
其相应的被控变量，这就是解耦控制。目前应用较多的是对  
角矩阵综合法。  
计算  
3
$
!
&
E
?7@D ??#<& A1B  
F
将系数阵前 个元素置入  
-
3
??G  
E
F
乘加运算  
拷贝数据  
%?1CCHC ??G<& A2B  
?7@D ??&<??#  
%58GD ??&<’!  
3
3
数据右移 位 将图 中  
’!  
移到低  
位
3
<
!
I++6:J6  
’!  
裂解炉的静态解耦控制  
!"!  
%1CCC ??#<??&  
本文将使用一个裂解炉温度控制系统来具体说明：该裂  
解炉有四个出口紧靠着的进料管，改变进料管阀门的开度可  
以控制出口的温度。出口温度要求保持恒定。由于进料管排  
列紧凑，相互之间的干扰较大，一组进料管的温度变化会引起  
相邻进料管温度的明显变化。一般的单回路控制不能使四个  
出口温度一致，因此决定采用静态解耦控制。  
紧缩双字代环绕加 得到结果保存在  
低
??# ’!  
位
3
<
E F  
?7@C & ACB <??#  
保存结果  
3
计算  
3
3
3
$ <  
#
$
!
!
!
=
>
略
计算  
$
!
’
E
?7@D ??#<!- A1B  
F
将系数阵最后 个元素置入  
-
3
??#  
E
F
乘加运算  
拷贝数据  
%?1CCHC ??#<& A2B  
?7@D ??&<??#  
%58GD ??&<’!  
3
经过大量实验，并经一定的近似，发现温度变化  
与阀  
$
!
3
门的开度变化  
存在如下关系：  
%
!
数据右移 位 将图 中  
’!  
移到低  
低
位
位
3
<
!
I++6:J6  
’!  
!
$
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#
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#
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#
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&
#
’
%1CCC ??#<??&  
!
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$
!
（ ）  
#
紧缩双字代环绕加 得到结果保存在  
&##()  
3
<
??# ’!  
"
!
!
$
!
E F  
?7@C #! ACB <??#  
保存结果  
3
!
!
$
!
A??5  
将浮点标志位  
=
>
=
置空 全  
>
# <  
以便可以进行浮点运算  
由（ ）式可以得到工业上常用的三比一规律：如果一个调  
#
3
K$ 91J  
该程序运行后结果保存在 指向的内存中，只需再用常  
%8  
节阀开度变化引起该管出口温度变化  
度将发生  
，则相邻管出口温  
’*+  
规方法分别乘以 即可求得各 。  
%
!
的变化，而间隔管的变化可以忽略。  
#*+  
"
根据（ ）式的系数矩阵作关联矩阵，解耦控制的方程就  
#
讨论  
’
是：  
实现矢量点乘的峰值速率是每时钟周期执行 次  
!
../  
$
!
!
!
&
#
!
’
&
#
!
’
!#  
,
’
#
%
%
乘加操作，而浮点指令的峰值速率是每 个时钟周期执行  
’
#
$
!
!
!
,
!-  
(
%
’
%
（ ）  
!
"
"
次乘加操作，因此，最大加速可达到 倍。本文所用的例子较  
)
$
!
’
(
!-  
,
%
!
!
%
为简单，当数据量扩大时，性能提高是明显的。  
#
’
,
%
!#  
%
$
!
!
!
该程序不对输入数据进行对齐操作，因此输入矢量都应  
是现场设定的常数。计算机只需存放（ ）式的系数矩  
!
"
事先对齐，以防降低性能。  
指令对同时处理的数据数目  
../  
阵和 ，即可根据出口温度的变化对阀门的开度进行调节。  
"
有要求，对 位的字来说，可以同时处理 个，如果输入数据  
#) -  
使用  
指令实现裂解炉的静态解耦控制  
!"’  
../  
不是 的倍数时，可以用 填充。同时由于  
中的乘加指  
-
&
../  
（ ）式所示的  
!
的矩阵与  
的矩阵乘法可以看成  
- 0 -  
- 0 #  
-
令只能输入带符号字，因此输入范围有限，必然限制了使用范  
个矢量点积。并且由（ ）式可以发现，该运算为有符号整数运  
!
围。最新的  
指令提供了  
和
LA;9:M? NNN LA;9:M? -  
处理器的  
指令和  
算，可以使用  
指令实现矢量点积。此处以矢量（ ， ，  
1# 1!  
OOP  
OOP!  
../  
， ）和（ ， ， ， ）的矢量点积说明，第一步如图 所示，  
1’ 1- 2# 2! 2’ 2- #  
位的寄存器，可以同时处理 个单精度浮点  
-
#!,  
第二步如图 所示。由图 可以看出，最后结果中该  
位
!
!
)-  
数，而  
的
OOP! #!,  
位寄存器还可以处理整数，即其整数处理  
寄存器的低 位即为点积的结果。  
’!  
../  
能力是  
指令集的两倍，可大大提高运行速度。  
参考文献  
../  
E
F
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N;9AG +78%7819:7;" N;9AG I8Q6:9AQ9M8A ../$. $AQ6;7G7JR T5  
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N;9AG +78%7819:7;" N;9AG I8Q6:9AQ9M8A ../$. $AQ6;7G7JR L87J81??A8T5  
E F  
.1;M1G U < .18Q6 #(()"  
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图
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\ < ONI. \" 7; +7;987G< #()(<] # "  
!
E F  
. "  
李训经 孙莱祥 陈有根 等 计算机应用中的控制理论  
上
<
<
<
"
该解耦控制的源程序核心部分如下：  
海 复旦大学出版社  
4
< #(,]"  
= >  
!
指向  
指向  
式中系数矩阵  
3 %#4 56789 :;9  
<
!
E
F
. "  
吴乐南  
平台新技术  
———开发编程指南  
../  
南京 东  
" L+  
4
= >  
!
式中温度变化矩阵  
3 %!4 56789 :;9  
<
!
万方指数向据运算结果  
南大学出版社  
<#((]"  
3 %8 4 :;9  
<
!

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