Que é unha microoperación?

Os ordenadores están programados con linguaxes de programación. Estas linguaxes son xeralmente lexibles polo ser humano e permiten ao programador configurar o que fai o ordenador. Este código entón debe compilarse en instrucións do ordenador. Os detalles exactos disto varían dependendo da Arquitectura do conxunto de instrucións ou ISA que utilice o ordenador previsto. É por iso que hai diferentes ligazóns de descarga para CPU x86 de Intel e AMD, e CPU ARM que se usan nos dispositivos Apple modernos. O ISA de x86 e ARM é diferente; o software debe compilarse por separado. Como demostrou Apple, é posible construír unha capa de tradución elegante; simplemente non é común facelo.

Podería pensar que a CPU ve as instrucións que se lle presentan e despois execútaas en orde. Hai moitos trucos que fan as CPU modernas, incluíndo a execución fóra de orde, que permite que a CPU reordena as cousas sobre a marcha para optimizar o rendemento. Non obstante, unha parte intelixente que está bastante ben oculta son as microoperacións.

O gasoduto ata a microoperación

As instrucións individuais no código de máquina pódense denominar instrucións ou operacións; os termos son intercambiables. Unha das dificultades da informática de conxuntos de instrucións complexas ou arquitecturas CISC como x86 é que as instrucións poden variar en canto duran. Isto refírese especificamente á cantidade de datos que necesitan para representar. En x86, unha instrución pode ser tan curta como un byte ou tan longa como 15. Compáreo coa arquitectura estándar RISC-V utilizada polas CPU ARM modernas con instrucións de 4 bytes de lonxitude fixa.

Consello: RISC significa Reduced Instruction Set Computing.

Unha das implicacións desta diferenza na estrutura é que as arquitecturas RISC tenden a ser moito máis fáciles de canalizar de forma eficiente. Cada instrución ten varias etapas para a súa operación que utilizan hardware diferente. A canalización executa varias instrucións a través destas etapas simultaneamente, con precisamente unha instrución en cada etapa. O pipelining ofrece un aumento considerable de rendemento cando se usa de forma eficiente. Un factor clave para utilizar eficientemente un oleoduto é garantir que cada etapa se utilice simultáneamente. Isto fai que todo funcione pola canalización sen problemas.

Dado que todas as instrucións teñen a mesma lonxitude, as instrucións RISC adoitan requirir o mesmo tempo de procesamento entre si. Non obstante, nun CISC, como x86, algunhas instrucións poden tardar moito máis tempo en completarse que outras. Isto crea un gran problema de eficiencia ao canalizar unha CPU. Cada vez que aparece unha instrución máis longa, queda atascada durante máis tempo. Isto provoca unha burbulla e mantén todo o que hai detrás. As microoperacións son a solución a isto.

Microoperacións eficientes

En lugar de tratar cada instrución como o único nivel de operación que se pode realizar, as microoperacións introducen unha nova capa inferior. Cada operación pódese dividir en moitas microoperacións. Deseñando as microoperacións con coidado, pode optimizar a canalización.

Curiosamente, isto ofrece unha nova vantaxe. Aínda que o ISA xeral, digamos que x86 segue sendo o mesmo entre moitas xeracións de CPU diferentes, as microoperacións poden deseñarse a medida para cada xeración de hardware. Isto pódese facer cunha comprensión profunda do rendemento que se pode espremer de cada etapa do gasoduto para cada microoperación.

Nos primeiros tempos das microoperacións, eran conexións por cable que activaban ou desactivaban unha funcionalidade específica dependendo da microoperación. No deseño moderno da CPU, engádese unha microoperación a un búfer de reordenación. Este búfer é o que a CPU pode realizar a súa reordenación orientada á eficiencia. Son microoperacións, non instrucións reais, as que se reordenan.

Nalgúns casos, especialmente con CPU máis avanzadas, pódese facer aínda máis. A fusión de microoperacións é onde se combinan varias microoperacións nunha soa. Por exemplo, unha secuencia de microoperacións sinxelas pode realizar unha acción que se pode realizar cunha única instrución máis complexa. Ao reducir o número de microoperacións realizadas, o proceso pode completarse máis rápido. Isto tamén reduce o número de cambios de estado reducindo o consumo de enerxía. As instrucións completas poden incluso ser analizadas e combinadas en estruturas de microoperacións máis eficientes.

Algunhas CPU fan uso dunha caché de microoperacións. Isto almacena secuencias de microoperacións totalmente descodificadas que poden ser reutilizadas se se chama de novo. Normalmente, o tamaño deste tipo de caché refírese ao número de microoperacións que pode almacenar e non pola capacidade de bytes.

Conclusión

Unha microoperación é unha implementación específica da CPU dun conxunto de instrucións. As instrucións son decodificadas nunha serie de microoperacións. Estas microoperacións son significativamente máis fáciles de canalizar de forma máis eficiente e, polo tanto, fan un mellor uso dos recursos da CPU. Como as microoperacións non están codificadas no conxunto de instrucións, pódense personalizar para o hardware específico de cada xeración de CPU. As microoperacións adoitan reducirse a microoperacións ou incluso μops. Que usa a letra grega μ ( pronúnciase Mu ), o símbolo SI para o microprefixo.