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  SSE加入新的8個128位元暫存器(XMM0～XMM7)。而AMD發表的x86-64延伸架構(又稱AMD64)再加入額外8個暫存器。除此之外還有一個新的32位元的控制/狀態暫存器(MXCSR)。不過只能在64位元的模式下才能使用額外8個暫存器。  每個暫存器可以容納4個32位元單精度浮點數,或是2個64位元雙精度浮點數,或是4個32位元整數,或是8個16位元短整數,或是16個字元。整數運算能夠使用正負號運算。而整數SIMD運算可能仍然要與8個64位元MMX暫存器一起執行。  因為作業系統必須要在程序切換的時候保護這些128位元的暫存器狀態,除非作業系統去啟動這些暫存器,否則預設值是不會去啟用的。這表示作業系統必須要知道如何使用FXSAVE與FXRSTOR指令才能儲存x87與SSE暫存器的狀態。而在當時IA-32的主流作業系統很快的都加入了此功能。  由於SSE加入了浮點支援,SSE就比MMX更加常用。而SSE2加入了整數運算支援之後讓SSE更加的有彈性,當MMX變成是多餘的指令集,SSE指令集甚至可以與MMX並行運作,在某些時候可以提供額外的效能增進。  第一個支援SSE的CPU是Pentium III,在FPU與SSE之間共享執行支援。當編譯出來的軟體能夠交叉的同時以FPU與SSE運作,Pentium III並無法在同一個週期中同時執行FPU與SSE。這個限制降低了指令管線的有效性,不過XMM暫存器能夠讓SIMD與純量浮點運算混合執行,而不會因為切換MMX/浮點模式而產生效能的折損。

  SSE提供純量與包裹式(packed)浮點指令。

  下面這個例子演示了使用SSE的優點。向量加法在計算機圖形中很常用,如果在x86平臺上想將四對單精度浮點數相加,必須使用四對浮點相加指令。  上面這段程式碼會被編譯成4條x86 FADD指令。下面的虛擬碼展示用128位包裹式相加(packed-add)指令替代4個純量相加指令。

  

  SSE2是Intel在Pentium 4處理器的最初版本中引入的,但是AMD後來在Opteron和Athlon 64處理器中也加入了SSE2的支援。SSE2指令集新增了對64位雙精度浮點數的支援,以及對整型資料的支援,也就是說這個指令集中所有的MMX指令都是多餘的了,同時也避免了佔用浮點數暫存器。這個指令集還增加了對CPU快取的控制指令。AMD對它的擴充套件增加了8個XMM暫存器,但是需要切換到64位模式(x86-64/AMD64)才可以使用這些暫存器。Intel後來在其Intel 64架構中也增加了對x86-64的支援。

  SSE3是Intel在Pentium 4處理器的Prescott核心中引入的第三代SIMD指令集,AMD在Athlon 64的第五個版本,Venice核心中也加入了SSE3的支援。這個指令集擴充套件的指令包含暫存器的區域性位之間的運算,例如高位和低位之間的加減運算;浮點數到整數的轉換,以及對超執行緒技術的支援。

  SSSE3是Intel針對SSE3指令集的一次額外擴充,最早內建於Core 2 Duo處理器中。

  SSE4是Intel在Penryn核心的Core 2 Duo與Core 2 Solo處理器時,新增的47條新多媒體指令集,現在SSE4版本更新至SSE4.2。

  AMD也開發了屬於自己的SSE4a多媒體指令集,並內建在Athlon II與Opteron等K10架構處理器中,不過SSE4a無法與Intel的SSE4系列指令集相容。目前AMD新一代處理器已支援Intel的SSE4.1、SSE4.2指令集。

  SSE5是AMD為了打破Intel壟斷在處理器指令集的獨霸地位所提出的,SSE5初期規劃將加入超過100條新指令,其中最引人注目的就是三運算元指令(3-Operand Instructions)及熔合乘法累積(Fused Multiply Accumulate)。其中,三運算元指令讓處理器可將一個數學或邏輯函式庫,套用到運算元或輸入資料。藉由增加運算元的數量,一個x86指令能處理二至三筆資料,SSE5允許將多個簡單指令彙整成一個指令,達到更有效率的指令處理模式。提升為三運算指令的運算能力,是少數RISC架構的水準。熔合乘法累積讓允許建立新的指令,有效率地執行各種複雜的運算。熔合乘法累積可結合乘法與加法運算,透過單一指令執行多筆重複計算。透過簡化程式碼,讓系統能迅速執行繪圖著色、快速相片著色、音場音效,以及複雜向量演算等效能密集的應用作業。目前AMD已放棄下一代Bulldozer核心內建SSE5指令集,改內建Intel授權SSE4系列指令集。

  AVX(Advanced Vector Extensions)是Intel的SSE延伸架構,如IA16至IA32般的把暫存器XMM 128bit提升至YMM 256bit,以增加一倍的運算效率。
SSE(Streaming SIMD Extensions)是英特爾在AMD的3D Now!釋出一年之後,在其計算機晶片Pentium III中引入的指令集,是繼MMX的擴充指令集。SSE指令集提供了70條新指令。AMD後來在Athlon XP中加入了對這個新指令集的支援。