Mi az a mikroművelet?

A számítógépek programozási nyelvekkel vannak programozva. Ezek a nyelvek általában ember által olvashatók, és lehetővé teszik a programozó számára, hogy konfigurálja a számítógép tevékenységét. Ezt a kódot ezután számítógépes utasításokká kell lefordítani. Ennek pontos részletei a számítógép által használt utasításkészlet architektúrától vagy ISA-tól függően változnak. Ez az oka annak, hogy az Intel és az AMD x86-os CPU-ihoz, valamint a modern Apple-eszközökhöz használt ARM-processzorokhoz különböző letöltési hivatkozások állnak rendelkezésre. Az x86 és az ARM ISA-ja más; a szoftvert külön kell lefordítani. Amint az Apple bemutatta, lehetséges egy díszes fordítási réteg felépítése; csak nem szokványos az ilyesmi.

Azt gondolhatja, hogy a CPU látja a neki adott utasításokat, majd sorrendben végrehajtja azokat. A modern CPU-k számos trükköt bevetnek, beleértve a renden kívüli végrehajtást, amely lehetővé teszi a CPU számára, hogy menet közben átrendezze a dolgokat a teljesítmény optimalizálása érdekében. Azonban egy okos rész, ami elég jól el van rejtve, a mikroműveletek.

Csővezeték a mikroművelethez

A gépi kódban lévő egyedi utasításokat utasításoknak vagy műveleteknek nevezhetjük; a kifejezések felcserélhetők. A Complex Instruction Set Computing vagy a CISC architektúrák, például az x86 egyik nehézsége az, hogy az utasítások hosszúsága eltérő lehet. Ez kifejezetten arra vonatkozik, hogy mennyi adatot igényelnek a reprezentációhoz. Az x86-ban egy utasítás egy bájtig vagy 15-ig terjedhet. Hasonlítsa össze ezt a szabványos RISC-V architektúrával, amelyet a modern ARM CPU-k használnak rögzített hosszúságú 4 bájtos utasításokkal.

Tipp: A RISC a Reduced Instruction Set Computing rövidítése.

Ennek a szerkezeti különbségnek az egyik következménye, hogy a RISC-architektúrákat sokkal könnyebben lehet hatékonyan feldolgozni. Minden utasításnak több szakasza van a működéséhez, amelyek különböző hardvert használnak. A csővezetékezés több utasítást futtat egyszerre ezeken a szakaszokon, minden szakaszban pontosan egy utasítással. Hatékony használat esetén a csővezetékezés jelentős teljesítménynövekedést kínál. A csővezeték hatékony kihasználásának egyik kulcstényezője annak biztosítása, hogy az egyes szakaszokat egyidejűleg használják. Így minden zökkenőmentesen fut át ​​a csővezetéken.

Mivel minden utasítás azonos hosszúságú, a RISC utasítások általában ugyanolyan feldolgozási időt igényelnek, mint egymásnak. A CISC-ben azonban, például az x86-ban, egyes utasítások végrehajtása sokkal tovább tart, mint másoké. Ez nagy hatékonysági problémát okoz a CPU feldolgozása során. Minden alkalommal, amikor egy hosszabb utasítás érkezik, az hosszabb ideig ragad a folyamatban. Ez buborékot okoz, és mindent visszatart mögötte. A mikroműveletek jelentik erre a megoldást.

Hatékony mikroműveletek

Ahelyett, hogy minden utasítást az egyetlen végrehajtható műveleti szintként kezelnénk, a mikroműveletek egy új alsó réteget vezetnek be. Minden művelet több mikroműveletre bontható. A mikroműveletek gondos megtervezésével optimalizálhatja a csővezetéket.

Érdekes módon ez új előnyt jelent. Míg az általános ISA, mondjuk az x86 változatlan marad sok különböző processzorgeneráció között, a mikroműveletek testreszabhatók minden hardvergenerációhoz. Ezt úgy lehet megtenni, ha mélyen megértjük, hogy mennyi teljesítményt lehet kipréselni az egyes folyamatszakaszokból minden egyes mikroművelethez.

A mikroműveletek kezdetén ezek vezetékes kapcsolatok voltak, amelyek a mikroművelettől függően bizonyos funkciókat aktiváltak vagy letiltottak. A modern CPU-tervezésben egy mikroműveletet adnak hozzá az újrarendelési pufferhez. Ez a puffer, amellyel a CPU végrehajthatja a hatékonyság-orientált átrendezést. A mikroműveletek, nem pedig a tényleges utasítások vannak átrendezve.

Egyes esetekben, különösen fejlettebb CPU-k esetén, még többet is meg lehet tenni. A Micro-op fúzió során több mikroművelet egyesíthető egybe. Például egyszerű mikroműveletek sorozata végrehajthat olyan műveletet, amely egyetlen, összetettebb utasítással is végrehajtható. Az elvégzett mikroműveletek számának csökkentésével a folyamat gyorsabban befejeződik. Ez csökkenti az energiafogyasztást csökkentő állapotváltozások számát is. A teljes utasítások akár elemezhetők is, és hatékonyabb mikroműveleti struktúrákká kombinálhatók.

Egyes CPU-k mikroműveleti gyorsítótárat használnak. Ez tárolja a teljesen dekódolt mikroműveleti szekvenciákat, amelyek újrahívás esetén újra felhasználhatók. Az ilyen gyorsítótár méretére általában nem a bájtkapacitás, hanem a tárolható mikroműveletek száma utal.

Következtetés

A mikroművelet egy utasításkészlet CPU-specifikus megvalósítása. Az utasításokat mikroműveletek sorozatára dekódolják. Ezeket a mikroműveleteket lényegesen egyszerűbb és hatékonyabban lehet feldolgozni, és így jobban kihasználják a CPU erőforrásait. Mivel a mikroműveletek nincsenek bekódolva az utasításkészletbe, testreszabhatók az egyes CPU-generációk speciális hardveréhez. A mikroműveleteket gyakran mikro-műveletekre vagy akár μop-okra rövidítik. Ez a görög μ betűt ( ejtsd: Mu ), a mikro előtag SI szimbólumát használja.