英特尔®软件优化手册2018版：核心处理器代码优化
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更新于2024-07-17
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"INTEL软件优化参考手册2018年04月最新版，涵盖了Intel 64和IA-32架构的优化技术，适用于包括Intel Atom、Core i7、Core、Core 2、Xeon、Pentium 4、Pentium M等处理器在内的多种Intel微架构。"
Intel的软件优化参考手册是开发人员和系统优化专家的重要资源，旨在帮助他们充分利用Intel处理器的性能。2018年4月版的手册提供了关于Intel 64（也称为x64）和IA-32（也称为x86）架构的详尽指导，这些架构广泛应用于个人电脑、服务器和嵌入式系统。
手册的核心内容涉及以下几个关键知识点：
1. **汇编语言和微码优化**：理解和掌握汇编语言是优化Intel处理器性能的基础，因为这能让你深入到程序的底层细节。手册会详细解释如何编写高效的汇编代码，以最小化指令周期并优化数据处理。
2. **处理器特性**：手册会详细介绍Intel的各种处理器特性，如超线程（Hyper-Threading）、多核技术、指令集扩展（如SSE、AVX、AVX2等），以及如何利用这些特性来提高并发性和计算效率。
3. **内存和缓存优化**：内存访问速度对程序性能影响巨大。手册会讲解如何有效地管理内存和缓存层次结构，如L1、L2、L3缓存，以减少数据延迟，提高缓存命中率。
4. **编译器优化**：针对Intel架构的GCC、Clang和Visual Studio等编译器的优化选项和技巧会被详细阐述，帮助开发者在不牺牲代码可读性的前提下提升程序性能。
5. **并行编程**：随着多核处理器的普及，多线程编程成为性能优化的关键。手册会介绍OpenMP、MPI等并行编程模型，以及如何利用Intel的Threading Building Blocks (TBB)库来实现高效并行。
6. **性能分析工具**：Intel提供了一系列的性能分析工具，如VTune Amplifier、Intel Performance Counter Monitor等，手册将解释如何使用这些工具来识别性能瓶颈，并进行针对性优化。
7. **错误和缺陷（Errata）**：手册会列出已知的设计缺陷或错误，这些可能引起产品偏离发布的规格。开发者可以据此避免因硬件问题导致的性能下降。
8. **安全性与兼容性**：虽然Intel不保证绝对的安全性，但手册会讨论如何在优化的同时考虑系统的安全性和与其他软件、硬件的兼容性。
Intel软件优化参考手册是开发者和系统管理员的宝贵参考资料，它不仅提供了理论知识，还提供了实践中的具体步骤和建议，以确保在各种Intel处理器上获得最佳的运行效果。通过深入学习和应用手册中的知识，开发者可以编写出更高效、更具竞争力的应用程序。
CONTENTS
xvi
PAGE
APPENDIX A
APPLICATION PERFORMANCE TOOLS
A.1 COMPILERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2
A.1.1 Recommended Optimization Settings for Intel® 64 and IA-32 Processors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2
A.1.2 Vectorization and Loop Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.2.1 Multithreading with OpenMP* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.2.2 Automatic Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.3 Inline Expansion of Library Functions (/Oi, /Oi-) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.4 Interprocedural and Profile-Guided Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.4.1 Interprocedural Optimization (IPO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
A.1.4.2 Profile-Guided Optimization (PGO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-4
A.1.5 Intel® Cilk™ Plus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-4
A.2 PERFORMANCE LIBRARIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-4
A.2.1 Intel® Integrated Performance Primitives (Intel® IPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
A.2.2 Intel® Math Kernel Library (Intel® MKL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
A.2.3 Intel® Threading Building Blocks (Intel® TBB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
A.2.4 Benefits Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
A.3 PERFORMANCE PROFILERS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
A.3.1 Intel® VTune™ Amplifier XE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6
A.3.1.1 Hardware Event-Based Sampling Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6
A.3.1.2 Algorithm Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6
A.3.1.3 Platform Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6
A.4 THREAD AND MEMORY CHECKERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6
A.4.1 Intel® Inspector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.5 VECTORIZATION ASSISTANT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.5.1 Intel® Advisor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6 CLUSTER TOOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6.1 Intel® Trace Analyzer and Collector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6.1.1 MPI Performance Snapshot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6.2 Intel® MPI Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6.3 Intel® MPI Benchmarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-8
A.7 INTEL® ACADEMIC COMMUNITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-8
APPENDIX B
USING PERFORMANCE MONITORING EVENTS
B.1 TOP-DOWN ANALYSIS METHOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
B.1.1 Top-Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-2
B.1.2 Front End Bound. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-3
B.1.3 Back End Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-4
B.1.4 Memory Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-4
B.1.5 Core Bound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-5
B.1.6 Bad Speculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-5
B.1.7 Retiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.1.8 TMAM and Skylake Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.1.8.1 TMAM Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .B-6
B.2 PERFORMANCE MONITORING AND MICROARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-7
B.3 INTEL® XEON® PROCESSOR 5500 SERIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-13
B.4 PERFORMANCE ANALYSIS TECHNIQUES FOR INTEL® XEON® PROCESSOR 5500 SERIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-14
B.4.1 Cycle Accounting and Uop Flow Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-15
B.4.1.1 Cycle Drill Down and Branch Mispredictions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-16
B.4.1.2 Basic Block Drill Down. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-19
B.4.2 Stall Cycle Decomposition and Core Memory Accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-20
B.4.2.1 Measuring Costs of Microarchitectural Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-20
B.4.3 Core PMU Precise Events. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-21
B.4.3.1 Precise Memory Access Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-22
B.4.3.2 Load Latency Event. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-23
B.4.3.3 Precise Execution Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-25
B.4.3.4 Last Branch Record (LBR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-26
B.4.3.5 Measuring Core Memory Access Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-28
B.4.3.6 Measuring Per-Core Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-30
B.4.3.7 Miscellaneous L1 and L2 Events for Cache Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-31
B.4.3.8 TLB Misses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-31
B.4.3.9 L1 Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-32
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