Què és una microoperació?

Els ordinadors estan programats amb llenguatges de programació. Aquests llenguatges són generalment llegibles per l'home i permeten al programador configurar el que fa l'ordinador. Aleshores, aquest codi s'ha de compilar en instruccions de l'ordinador. Els detalls exactes d'això varien en funció de l'arquitectura del conjunt d'instruccions o ISA que utilitzi l'ordinador previst. És per això que hi ha diferents enllaços de descàrrega per a CPU x86 d'Intel i AMD, i CPU ARM tal com s'utilitzen en els dispositius Apple moderns. L'ISA de x86 i ARM és diferent; el programari s'ha de compilar per separat. Com Apple ha demostrat, és possible construir una capa de traducció fantàstica; simplement no és habitual fer-ho.

Podríeu pensar que la CPU veu les instruccions que se li presenten i després les executa en ordre. Hi ha molts trucs que fan les CPU modernes, inclosa l'execució fora d'ordre, que permet a la CPU reordenar les coses sobre la marxa per optimitzar el rendiment. Tanmateix, una part intel·ligent que està bastant ben amagada són les microoperacions.

El Pipeline a la microoperació

Les instruccions individuals en codi màquina es poden anomenar instruccions o operacions; els termes són intercanviables. Una de les dificultats de complex Instruction Set Computing o arquitectures CISC com x86 és que les instruccions poden variar en quant de temps són. Això fa referència específicament a la quantitat de dades que necessiten per representar. En x86, una instrucció pot ser tan curta com un byte o tan llarga com 15. Compareu-ho amb l'arquitectura estàndard RISC-V utilitzada per les CPU ARM modernes amb instruccions de 4 bytes de longitud fixa.

Consell: RISC significa Reduced Instruction Set Computing.

Una de les implicacions d'aquesta diferència d'estructura és que les arquitectures RISC solen ser molt més fàcils de canalitzar de manera eficient. Cada instrucció té múltiples etapes de funcionament que utilitzen maquinari diferent. La canalització executa múltiples instruccions a través d'aquestes etapes simultàniament, amb precisament una instrucció a cada etapa. La canalització ofereix un augment considerable del rendiment quan s'utilitza de manera eficient. Un factor clau per utilitzar de manera eficient una canonada és garantir que cada etapa s'utilitza simultàniament. Això fa que tot funcioni per la canonada sense problemes.

Com que totes les instruccions tenen la mateixa longitud, les instruccions RISC solen requerir el mateix temps de processament que les altres. En un CISC, però, com x86, algunes instruccions poden trigar molt més a completar-se que altres. Això crea un gran problema d'eficiència a l'hora de canalitzar una CPU. Cada vegada que arriba una instrucció més llarga, es queda bloquejada durant més temps. Això provoca una bombolla i aguanta tot el que hi ha darrere. Les microoperacions són la solució a això.

Microoperacions eficients

En lloc de tractar cada instrucció com l'únic nivell d'operació que es pot realitzar, les microoperacions introdueixen una nova capa inferior. Cada operació es pot dividir en moltes microoperacions. Dissenyant les microoperacions amb cura, podeu optimitzar la canalització.

Curiosament, això ofereix un nou avantatge. Tot i que l'ISA general, per exemple x86, segueix sent el mateix entre moltes generacions de CPU diferents, les microoperacions es poden dissenyar a mida per a cada generació de maquinari. Això es pot fer amb una comprensió profunda de la quantitat de rendiment que es pot extreure de cada etapa de la canonada per a cada microoperació.

En els primers dies de les microoperacions, eren connexions per cable que activaven o desactivaven una funcionalitat específica en funció de la microoperació. En el disseny modern de la CPU, s'afegeix una microoperació a un buffer de reordenació. Aquest buffer és el que la CPU pot realitzar la seva reordenació orientada a l'eficiència. Són microoperacions, no instruccions reals, les que es reordenen.

En alguns casos, sobretot amb CPU més avançades, es pot fer encara més. La fusió de microoperacions és on es combinen múltiples microoperacions en una sola. Per exemple, una seqüència de microoperacions simples pot realitzar una acció que es pot realitzar amb una única instrucció més complexa. En reduir el nombre de microoperacions realitzades, el procés es pot completar més ràpidament. Això també redueix el nombre de canvis d'estat reduint el consum d'energia. Fins i tot es poden analitzar instruccions completes i combinar-les en estructures de microoperacions més eficients.

Algunes CPU fan ús d'una memòria cau de microoperacions. Això emmagatzema seqüències de microoperacions totalment descodificades que es poden reutilitzar si es torna a cridar. Normalment, la mida d'aquesta memòria cau es refereix al nombre de microoperacions que pot emmagatzemar en lloc de la capacitat de bytes.

Conclusió

Una microoperació és una implementació específica de la CPU d'un conjunt d'instruccions. Les instruccions es descodifiquen en una sèrie de microoperacions. Aquestes microoperacions són significativament més fàcils de canalitzar de manera més eficient i, per tant, fan un millor ús dels recursos de la CPU. Com que les microoperacions no estan codificades en dur al conjunt d'instruccions, es poden personalitzar segons el maquinari específic de cada generació de CPU. Les microoperacions sovint s'escurcen a microoperacions o fins i tot μops. Això utilitza la lletra grega μ ( pronunciada Mu ), el símbol SI del microprefix.