Τι είναι μια μικρο-λειτουργία;

Οι υπολογιστές προγραμματίζονται με γλώσσες προγραμματισμού. Αυτές οι γλώσσες είναι γενικά αναγνώσιμες από τον άνθρωπο και επιτρέπουν στον προγραμματιστή να ρυθμίσει τις παραμέτρους του τι κάνει ο υπολογιστής. Αυτός ο κώδικας πρέπει στη συνέχεια να μεταγλωττιστεί σε οδηγίες υπολογιστή. Οι ακριβείς λεπτομέρειες αυτού διαφέρουν ανάλογα με την αρχιτεκτονική του συνόλου εντολών ή το ISA που χρησιμοποιεί ο προβλεπόμενος υπολογιστής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο υπάρχουν διαφορετικοί σύνδεσμοι λήψης για επεξεργαστές x86 από την Intel και την AMD και τους επεξεργαστές ARM όπως χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες συσκευές Apple. Το ISA του x86 και του ARM είναι διαφορετικό. το λογισμικό πρέπει να μεταγλωττιστεί ξεχωριστά. Όπως έχει δείξει η Apple, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα φανταχτερό επίπεδο μετάφρασης. απλά δεν είναι σύνηθες να το κάνεις.

Ίσως πιστεύετε ότι η CPU βλέπει τις οδηγίες με τις οποίες παρουσιάζονται και στη συνέχεια τις εκτελεί με τη σειρά. Υπάρχουν πολλά κόλπα που κάνουν οι σύγχρονες CPU, συμπεριλαμβανομένης της εκτέλεσης εκτός σειράς, επιτρέποντας στην CPU να αναδιατάξει τα πράγματα εν κινήσει για βελτιστοποίηση της απόδοσης. Ωστόσο, ένα έξυπνο μέρος που είναι αρκετά καλά κρυμμένο είναι οι μικροεπεμβάσεις.

The Pipeline to Micro-Λειτουργία

Οι μεμονωμένες εντολές στον κώδικα μηχανής μπορούν να ονομαστούν οδηγίες ή λειτουργίες. οι όροι είναι εναλλάξιμοι. Μία από τις δυσκολίες με το Complex Instruction Set Computing ή τις αρχιτεκτονικές CISC όπως το x86 είναι ότι οι οδηγίες μπορεί να διαφέρουν ως προς το μήκος τους. Αυτό αναφέρεται συγκεκριμένα στο πόσα δεδομένα χρειάζονται για να αναπαραστήσουν. Στο x86, μια εντολή μπορεί να είναι τόσο σύντομη όσο ένα byte ή έως και 15. Συγκρίνετε αυτό με την τυπική αρχιτεκτονική RISC-V που χρησιμοποιείται από τους σύγχρονους επεξεργαστές ARM με οδηγίες σταθερού μήκους 4 byte.

Συμβουλή: RISC σημαίνει Υπολογισμός μειωμένου συνόλου εντολών.

Μία από τις συνέπειες αυτής της διαφοράς στη δομή είναι ότι οι αρχιτεκτονικές RISC τείνουν να είναι πολύ πιο εύκολο να διανεμηθούν αποτελεσματικά. Κάθε εντολή έχει πολλαπλά στάδια στη λειτουργία της που χρησιμοποιούν διαφορετικό υλικό. Το Pipelining εκτελεί πολλαπλές εντολές μέσω αυτών των σταδίων ταυτόχρονα, με ακριβώς μία εντολή σε κάθε στάδιο. Η σωλήνωση προσφέρει σημαντική ώθηση απόδοσης όταν χρησιμοποιείται αποτελεσματικά. Ένας βασικός παράγοντας για την αποτελεσματική χρήση ενός αγωγού είναι η διασφάλιση ότι κάθε στάδιο χρησιμοποιείται ταυτόχρονα. Αυτό διατηρεί τα πάντα ομαλά στον αγωγό.

Καθώς όλες οι εντολές έχουν το ίδιο μήκος, οι εντολές RISC τείνουν να απαιτούν τον ίδιο χρόνο επεξεργασίας μεταξύ τους. Σε ένα CISC, ωστόσο, όπως το x86, ορισμένες οδηγίες μπορεί να χρειαστούν πολύ περισσότερο χρόνο για να ολοκληρωθούν από άλλες. Αυτό δημιουργεί ένα μεγάλο πρόβλημα απόδοσης κατά τη διοχέτευση μιας CPU. Κάθε φορά που εμφανίζεται μια μακρύτερη οδηγία, κολλάει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτό προκαλεί μια φούσκα και συγκρατεί τα πάντα πίσω της. Οι μικροεπεμβάσεις είναι η λύση σε αυτό.

Αποτελεσματικές μικρο-Λειτουργίες

Αντί να αντιμετωπίζεται κάθε εντολή ως το μόνο επίπεδο λειτουργίας που μπορεί να εκτελεστεί, οι μικρολειτουργίες εισάγουν ένα νέο κατώτερο στρώμα. Κάθε λειτουργία μπορεί να χωριστεί σε πολλές μικρολειτουργίες. Σχεδιάζοντας προσεκτικά τις μικρολειτουργίες, μπορείτε να βελτιστοποιήσετε τον αγωγό.

Είναι ενδιαφέρον ότι αυτό προσφέρει ένα νέο πλεονέκτημα. Ενώ το συνολικό ISA, ας πούμε το x86 παραμένει το ίδιο μεταξύ πολλών διαφορετικών γενεών CPU, οι μικρολειτουργίες μπορούν να σχεδιαστούν προσαρμοσμένα για κάθε γενιά υλικού. Αυτό μπορεί να γίνει με μια βαθιά κατανόηση του πόση απόδοση μπορεί να αποσπαστεί από κάθε στάδιο αγωγού για κάθε μικρο-λειτουργία.

Στις πρώτες μέρες των μικρο-λειτουργιών, ήταν ενσύρματες συνδέσεις που ενεργοποιούσαν ή απενεργοποιούσαν συγκεκριμένες λειτουργίες ανάλογα με τη μικρολειτουργία. Στη σύγχρονη σχεδίαση CPU, μια μικρολειτουργία προστίθεται σε ένα buffer αναπαραγγελίας. Είναι αυτό το buffer που η CPU μπορεί να εκτελέσει την αναδιάταξη με γνώμονα την απόδοση. Είναι μικρολειτουργίες, όχι πραγματικές οδηγίες, που αναδιατάσσονται.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ειδικά με πιο προηγμένες CPU, μπορούν να γίνουν ακόμη περισσότερα. Micro-op fusion είναι όπου πολλαπλές μικρο-λειτουργίες συνδυάζονται σε μία. Για παράδειγμα, μια ακολουθία απλών μικρο-πράξεων μπορεί να εκτελέσει μια ενέργεια που μπορεί να εκτελεστεί με μια μόνο, πιο σύνθετη εντολή. Μειώνοντας τον αριθμό των μικροεπεμβάσεων που εκτελούνται, η διαδικασία μπορεί να ολοκληρωθεί πιο γρήγορα. Αυτό μειώνει επίσης τον αριθμό των αλλαγών κατάστασης μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας. Οι πλήρεις οδηγίες μπορούν ακόμη να αναλυθούν και να συνδυαστούν σε πιο αποτελεσματικές δομές μικρολειτουργίας.

Ορισμένες CPU χρησιμοποιούν μια κρυφή μνήμη μικρολειτουργίας. Αυτό αποθηκεύει πλήρως αποκωδικοποιημένες ακολουθίες μικρολειτουργίας που μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν εάν κληθούν ξανά. Συνήθως, το μέγεθος μιας τέτοιας κρυφής μνήμης αναφέρεται από τον αριθμό των μικρολειτουργιών που μπορεί να αποθηκεύσει και όχι από τη χωρητικότητα byte.

συμπέρασμα

Μια μικρολειτουργία είναι μια υλοποίηση ενός συνόλου εντολών για την CPU. Οι οδηγίες αποκωδικοποιούνται σε μια σειρά μικρολειτουργιών. Αυτές οι μικρο-λειτουργίες είναι σημαντικά πιο εύκολο να διανεμηθούν πιο αποτελεσματικά και έτσι κάνουν καλύτερη χρήση των πόρων της CPU. Καθώς οι μικρολειτουργίες δεν είναι κωδικοποιημένες στο σύνολο εντολών, μπορούν να προσαρμοστούν στο συγκεκριμένο υλικό κάθε γενιάς CPU. Οι μικρολειτουργίες συχνά συντομεύονται σε micro-ops ή ακόμα και μops. Αυτό χρησιμοποιεί το ελληνικό γράμμα μ ( προφέρεται Mu ), το σύμβολο SI για το μικρό πρόθεμα.