Mikä on mikrooperaatio?

Tietokoneet ohjelmoidaan ohjelmointikielillä. Nämä kielet ovat yleensä ihmisen luettavissa ja antavat ohjelmoijalle mahdollisuuden määrittää, mitä tietokone tekee. Tämä koodi on sitten koottava tietokoneen ohjeiksi. Tämän tarkat yksityiskohdat vaihtelevat aiotun tietokoneen käyttämän ohjesarjaarkkitehtuurin tai ISA:n mukaan. Tästä syystä Intelin ja AMD:n x86-suorittimille ja ARM-suorittimille on olemassa erilaisia ​​latauslinkkejä nykyaikaisissa Apple-laitteissa. x86:n ja ARM:n ISA on erilainen; ohjelmisto on koottava erikseen. Kuten Apple on osoittanut, on mahdollista rakentaa hieno käännöskerros; ei vain ole yleistä tehdä niin.

Saatat ajatella, että CPU näkee sille esitetyt ohjeet ja suorittaa ne sitten järjestyksessä. Nykyaikaiset prosessorit tekevät monia temppuja, mukaan lukien epäjärjestyksessä tapahtuva suoritus, jonka avulla CPU voi järjestää asioita uudelleen lennossa suorituskyvyn optimoimiseksi. Kuitenkin näppärä osa, joka on melko hyvin piilotettu, ovat mikrooperaatiot.

Putki mikrooperaatioon

Yksittäisiä konekoodin ohjeita voidaan kutsua käskyiksi tai toiminnoiksi; termit ovat keskenään vaihdettavissa. Yksi Complex Instruction Set Computing- tai CISC-arkkitehtuurien, kuten x86, ongelmista on se, että käskyt voivat vaihdella niiden pituudessa. Tämä viittaa erityisesti siihen, kuinka paljon dataa he edustavat. x86:ssa käsky voi olla niin lyhyt kuin yksi tavu tai jopa 15 pituinen. Vertaa tätä standardi RISC-V-arkkitehtuuriin, jota nykyaikaiset ARM-suorittimet käyttävät kiinteäpituisilla 4-tavuisilla käskyillä.

Vihje: RISC tulee sanoista Reduced Instruction Set Computing.

Yksi tämän rakenteellisen eron seurauksista on, että RISC-arkkitehtuurit ovat yleensä paljon helpompia liukuhihnaa tehokkaasti. Jokaisella käskyllä ​​on useita vaiheita, jotka käyttävät eri laitteistoa. Liukuinti ajaa useita käskyjä näiden vaiheiden läpi samanaikaisesti, ja jokaisessa vaiheessa on täsmälleen yksi käsky. Pipelining tarjoaa huomattavan suorituskyvyn lisäyksen, kun sitä käytetään tehokkaasti. Yksi avaintekijä putkilinjan tehokkaassa hyödyntämisessä on varmistaa, että jokaista vaihetta käytetään samanaikaisesti. Tämä pitää kaiken sujuvan putkilinjan läpi.

Kun kaikki ohjeet ovat samanpituisia, RISC-käskyt vaativat yleensä saman käsittelyajan kuin toistensa. CISC:ssä, kuten x86:ssa, joidenkin ohjeiden suorittaminen voi kuitenkin kestää paljon kauemmin kuin toisten. Tämä aiheuttaa suuren tehokkuusongelman suorittimen liukuhihnassa. Joka kerta kun tulee pidempi ohje, se jää jumiin pidempään. Tämä aiheuttaa kuplan ja pitää kaiken sen takana. Mikrooperaatiot ovat ratkaisu tähän.

Tehokkaat mikrooperaatiot

Sen sijaan, että jokaista käskyä käsiteltäisiin ainoana suoritettavana toimintatasona, mikrooperaatiot tuovat uuden alemman kerroksen. Jokainen operaatio voidaan jakaa useisiin mikrooperaatioihin. Suunnittelemalla mikrooperaatiot huolellisesti voit optimoida putkilinjan.

Mielenkiintoista on, että tämä tarjoaa uuden edun. Vaikka yleinen ISA, esimerkiksi x86, pysyy samana useiden eri CPU-sukupolvien välillä, mikrotoiminnot voidaan räätälöidä jokaiselle laitteistosukupolvelle. Tämä voidaan tehdä ymmärtämällä syvästi, kuinka paljon suorituskykyä voidaan puristaa kustakin liukuhihnavaiheesta jokaista mikrooperaatiota varten.

Mikrotoimintojen alkuaikoina ne olivat langallisia yhteyksiä, jotka aktivoivat tai estivät tiettyjä toimintoja mikrooperaatiosta riippuen. Nykyaikaisessa prosessorisuunnittelussa mikrotoiminto lisätään uudelleenjärjestelypuskuriin. Tämän puskurin avulla suoritin voi suorittaa tehokkuussuuntautuneen uudelleenjärjestelynsä. Se on mikrooperaatioita, ei varsinaisia ​​​​käskyjä, jotka järjestetään uudelleen.

Joissakin tapauksissa, erityisesti edistyneemmillä prosessoreilla, voidaan tehdä jopa enemmän. Micro-op fuusio on, jossa useita mikrooperaatioita yhdistetään yhdeksi. Esimerkiksi sarja yksinkertaisia ​​mikrooperaatioita voi suorittaa toiminnon, joka voidaan suorittaa yhdellä, monimutkaisemmalla käskyllä. Vähentämällä suoritettujen mikrooperaatioiden määrää prosessi voi valmistua nopeammin. Tämä vähentää myös virrankulutusta vähentävien tilamuutosten määrää. Täydelliset ohjeet voidaan jopa analysoida ja yhdistää tehokkaammiksi mikrotoimintarakenteiksi.

Jotkut prosessorit käyttävät mikrotoimintovälimuistia. Tämä tallentaa täysin dekoodatut mikrooperaatiosekvenssit, joita voidaan käyttää uudelleen, jos niitä kutsutaan uudelleen. Tyypillisesti tällaisen välimuistin kokoon viitataan pikemminkin mikrooperaatioiden lukumäärällä, jotka se voi tallentaa, eikä tavukapasiteetilla.

Johtopäätös

Mikrooperaatio on käskyjoukon prosessorikohtainen toteutus. Ohjeet puretaan sarjaksi mikrooperaatioita. Näitä mikrooperaatioita on huomattavasti helpompi putkittaa tehokkaammin ja siten hyödyntää paremmin suorittimen resursseja. Koska mikrooperaatioita ei ole koodattu käskysarjaan, ne voidaan mukauttaa kunkin suorittimen sukupolven laitteiston mukaan. Mikrooperaatiot lyhennetään usein mikrooperaatioiksi tai jopa mikrooperaatioiksi. Siinä käytetään kreikkalaista kirjainta μ ( lausutaan Mu ), joka on mikroetuliite SI-symboli.