Mis on mikrooperatsioon?

Arvutid on programmeeritud programmeerimiskeeltega. Need keeled on üldiselt inimloetavad ja võimaldavad programmeerijal konfigureerida, mida arvuti teeb. See kood tuleb seejärel kompileerida arvuti juhisteks. Selle täpsed üksikasjad sõltuvad kasutatavast juhiskomplekti arhitektuurist või ISA-st, mida arvuti kavatseb kasutada. Seetõttu on Inteli ja AMD x86-protsessorite jaoks erinevad allalaadimislingid ning kaasaegsetes Apple'i seadmetes kasutatavad ARM-protsessorid. x86 ja ARM-i ISA on erinev; tarkvara tuleb eraldi koostada. Nagu Apple on näidanud, on võimalik ehitada väljamõeldud tõlkekiht; see pole lihtsalt tavaline.

Võib arvata, et protsessor näeb talle esitatud juhiseid ja täidab need siis järjekorras. Kaasaegsed CPU-d teevad palju trikke, sealhulgas ebakorrapärane täitmine, mis võimaldab protsessoril jõudluse optimeerimiseks asju lennult ümber järjestada. Üks nutikas osa, mis on aga päris hästi peidetud, on mikrooperatsioonid.

Torujuhe mikrooperatsioonini

Individuaalseid juhiseid masinkoodis võib nimetada juhisteks või operatsioonideks; terminid on omavahel asendatavad. Üks keeruliste käskude komplekti arvutamise või CISC-arhitektuuride (nt x86) raskusi on see, et juhised võivad nende kestuse poolest erineda. See viitab konkreetselt sellele, kui palju andmeid nad esitavad. X86-s võib käsk olla nii lühike kui üks bait või kuni 15. Võrrelge seda standardse RISC-V arhitektuuriga, mida kasutavad kaasaegsed fikseeritud pikkusega 4-baidiste juhistega ARM-i protsessorid.

Näpunäide: RISC tähendab lühendatud juhiste komplekti andmetöötlust.

Selle struktuurierinevuste üks tagajärgi on see, et RISC-arhitektuure on tavaliselt palju lihtsam tõhusalt torustada. Igal käsul on mitu etappi, mis kasutavad erinevat riistvara. Konveieri loomine läbib korraga mitu käsku läbi nende etappide, kusjuures igas etapis on täpselt üks käsk. Torustik pakub tõhusal kasutamisel märkimisväärselt jõudlust. Üks torujuhtme tõhusa kasutamise võtmetegur on tagada, et iga etappi kasutatakse samaaegselt. See hoiab kõik torujuhtmes sujuvalt läbi.

Kuna kõik juhised on ühepikkused, nõuavad RISC-käsud tavaliselt üksteisega sama töötlemisaega. CISC-is, nagu x86, võib mõne juhise täitmine võtta palju kauem aega kui teiste. See tekitab protsessori ühendamisel suure tõhususe probleemi. Iga kord, kui tuleb pikem juhis, jääb see pikemaks ajaks torusse kinni. See tekitab mulli ja hoiab kõik selle taga. Mikrooperatsioonid on sellele lahendus.

Tõhusad mikrooperatsioonid

Selle asemel, et käsitleda iga käsku ainsa toiminguna, mida saab sooritada, juurutavad mikrooperatsioonid uue alumise kihi. Iga toimingu saab jagada mitmeks mikrooperatsiooniks. Mikrooperatsioone hoolikalt kavandades saate torujuhtme optimeerida.

Huvitaval kombel pakub see uue eelise. Kuigi üldine ISA, näiteks x86, jääb paljude erinevate CPU põlvkondade vahel samaks, saab mikrooperatsioone kohandada iga riistvara põlvkonna jaoks. Seda saab teha sügava arusaamaga sellest, kui palju jõudlust saab igast konveieri etapist iga mikrooperatsiooni jaoks välja pigistada.

Mikrooperatsioonide algusaegadel olid need juhtmega ühendused, mis olenevalt mikrooperatsioonist aktiveerisid või keelasid teatud funktsioonid. Kaasaegses CPU disainis lisatakse ümberkorralduspuhvrisse mikrooperatsioon. Just selle puhvri abil saab protsessor teha oma tõhususele orienteeritud ümberkorraldamise. Need on mikrooperatsioonid, mitte tegelikud juhised, mis järjestatakse ümber.

Mõnel juhul, eriti arenenumate protsessorite puhul, saab teha isegi rohkem. Micro-op fusion on see, kus mitu mikrooperatsiooni ühendatakse üheks. Näiteks võib lihtsate mikrooperatsioonide jada sooritada toimingu, mida saab sooritada ühe keerukama käsuga. Tehtavate mikrooperatsioonide arvu vähendamisega saab protsess kiiremini lõpule viia. See vähendab ka energiatarbimist vähendavate olekumuutuste arvu. Täielikke juhiseid võib isegi analüüsida ja kombineerida tõhusamateks mikrooperatsioonistruktuurideks.

Mõned CPU-d kasutavad mikrooperatsiooni vahemälu. See salvestab täielikult dekodeeritud mikrooperatsioonide jadad, mida saab uuesti kutsumisel uuesti kasutada. Tavaliselt viitab sellise vahemälu suurusele mikrooperatsioonide arv, mida see suudab salvestada, mitte baitimaht.

Järeldus

Mikrooperatsioon on käsukomplekti protsessorispetsiifiline teostus. Juhised dekodeeritakse mikrooperatsioonide seeriaks. Neid mikrooperatsioone on oluliselt lihtsam tõhusamalt konveierida ja seega kasutada paremini protsessori ressursse. Kuna mikrooperatsioone ei ole käsukomplekti kõvasti kodeeritud, saab neid kohandada iga protsessori põlvkonna konkreetse riistvara jaoks. Mikrooperatsioonid lühendatakse sageli mikrooperatsioonideks või isegi mikrooperatsioonideks. See kasutab kreeka tähte μ ( hääldatakse Mu ), mikroprefiksi SI-sümbolit.