Kas yra mikrooperacija?

Kompiuteriai programuojami programavimo kalbomis. Šios kalbos paprastai yra skaitomos žmonėms ir leidžia programuotojui konfigūruoti, ką daro kompiuteris. Tada šį kodą reikia sukompiliuoti į kompiuterio instrukcijas. Tiksli informacija skiriasi priklausomai nuo instrukcijų rinkinio architektūros arba ISA, kurį ketinama naudoti kompiuteryje. Štai kodėl yra skirtingų atsisiuntimo nuorodų, skirtų x86 procesoriams iš „Intel“ ir AMD, ir ARM procesorių, naudojamų šiuolaikiniuose „Apple“ įrenginiuose. x86 ir ARM ISA skiriasi; programinė įranga turi būti sukompiliuota atskirai. Kaip parodė Apple, galima sukurti įmantrų vertimo sluoksnį; tiesiog nėra įprasta taip daryti.

Galite pamanyti, kad centrinis procesorius mato jam pateiktas instrukcijas ir jas vykdo eilės tvarka. Yra daug gudrybių, kurias atlieka šiuolaikiniai centriniai procesoriai, įskaitant netvarkingą vykdymą, leidžiantį procesoriui greitai pertvarkyti dalykus, kad būtų optimizuotas našumas. Tačiau protinga dalis, kuri yra gana gerai paslėpta, yra mikrooperacijos.

Vamzdynas į mikrooperaciją

Atskiros instrukcijos mašininiame kode gali būti vadinamos instrukcijomis arba operacijomis; terminai yra keičiami. Vienas iš sudėtingų instrukcijų rinkinių skaičiavimo arba CISC architektūrų, tokių kaip x86, sunkumų yra tas, kad instrukcijos gali skirtis priklausomai nuo jų trukmės. Tai konkrečiai nurodo, kiek duomenų reikia pateikti. Naudojant x86, instrukcija gali būti vieno baito arba 15 ilgio. Palyginkite tai su standartine RISC-V architektūra, naudojama šiuolaikiniuose ARM procesoriuose su fiksuoto ilgio 4 baitų instrukcijomis.

Patarimas: RISC reiškia sumažintų instrukcijų rinkinio skaičiavimą.

Viena iš šio struktūros skirtumo pasekmių yra ta, kad RISC architektūras paprastai yra daug lengviau efektyviai sujungti. Kiekviena instrukcija turi kelis veikimo etapus, kuriuose naudojama skirtinga aparatinė įranga. Dujotiekio sudarymas vienu metu vykdo kelias instrukcijas per šiuos etapus, kiekviename etape tiksliai po vieną nurodymą. Vamzdynų klojimas žymiai padidina našumą, kai naudojamas efektyviai. Vienas iš pagrindinių efektyvaus dujotiekio panaudojimo veiksnių yra užtikrinti, kad kiekvienas etapas būtų naudojamas vienu metu. Taip viskas sklandžiai eina per dujotiekį.

Kadangi visos instrukcijos yra vienodo ilgio, RISC instrukcijos paprastai reikalauja tokio pat apdorojimo laiko kaip ir viena kitai. Tačiau CISC, pvz., x86, kai kurios instrukcijos gali užtrukti daug ilgiau nei kitos. Tai sukuria didelę efektyvumo problemą sujungiant CPU. Kiekvieną kartą, kai atsiranda ilgesnė instrukcija, ji ilgiau įstringa vamzdyne. Tai sukelia burbulą ir sulaiko viską, kas yra už jo. Mikrooperacijos yra šios problemos sprendimas.

Veiksmingos mikrooperacijos

Vietoj to, kad kiekviena instrukcija būtų traktuojama kaip vienintelis operacijos lygis, kurį galima atlikti, mikrooperacijos įveda naują apatinį sluoksnį. Kiekvieną operaciją galima suskirstyti į daugybę mikrooperacijų. Kruopščiai projektuodami mikrooperacijas galite optimizuoti dujotiekį.

Įdomu tai, kad tai suteikia naują pranašumą. Nors bendra ISA, tarkime, x86, išlieka ta pati daugelyje skirtingų CPU kartų, mikrooperacijos gali būti pritaikytos kiekvienai aparatinės įrangos kartai. Tai galima padaryti turint gilų supratimą, kiek našumo galima išspausti iš kiekvieno dujotiekio etapo kiekvienai mikrooperacijai.

Pirmosiomis mikrooperacijų dienomis tai buvo laidiniai ryšiai, kurie įjungdavo arba išjungdavo tam tikras funkcijas, priklausomai nuo mikrooperacijos. Šiuolaikinio procesoriaus konstrukcijoje mikro operacija pridedama prie pertvarkymo buferio. Būtent šiuo buferiu CPU gali atlikti į efektyvumą orientuotą pertvarkymą. Pertvarkomos mikrooperacijos, o ne tikros instrukcijos.

Kai kuriais atvejais, ypač naudojant pažangesnius procesorius, galima padaryti net daugiau. „Micro-op“ sintezė yra tai, kai kelios mikro operacijos sujungiamos į vieną. Pavyzdžiui, paprastų mikrooperacijų seka gali atlikti veiksmą, kurį galima atlikti naudojant vieną sudėtingesnę komandą. Sumažinus atliekamų mikrooperacijų skaičių, procesas gali vykti greičiau. Tai taip pat sumažina būsenos pakeitimų skaičių, mažinantį energijos suvartojimą. Visos instrukcijos netgi gali būti analizuojamos ir sujungtos į efektyvesnes mikrooperacijų struktūras.

Kai kurie procesoriai naudoja mikrooperacijų talpyklą. Tai saugo visiškai iššifruotas mikrooperacijų sekas, kurias galima pakartotinai panaudoti, jei iškviečiama dar kartą. Paprastai tokios talpyklos dydis nurodomas pagal mikrooperacijų, kurias ji gali saugoti, skaičių, o ne pagal baitų talpą.

Išvada

Mikrooperacija yra CPU specifinis instrukcijų rinkinio įgyvendinimas. Instrukcijos iššifruojamos į mikrooperacijų seriją. Šias mikrooperacijas žymiai lengviau atlikti efektyviau ir taip geriau panaudoti procesoriaus išteklius. Kadangi mikrooperacijos nėra užkoduotos instrukcijų rinkinyje, jas galima pritaikyti pagal kiekvienos kartos procesoriaus konkrečią aparatinę įrangą. Mikrooperacijos dažnai sutrumpinamos iki mikrooperacijų ar net μops. Tam naudojama graikiška raidė μ ( tariama Mu ), mikro priešdėlio SI simbolis.