Kaj je mikrooperacija?

Računalniki so programirani s programskimi jeziki. Ti jeziki so na splošno človeku berljivi in ​​omogočajo programerju, da konfigurira, kaj počne računalnik. To kodo je treba nato prevesti v računalniška navodila. Natančne podrobnosti tega se razlikujejo glede na arhitekturo nabora ukazov ali ISA, ki ga predvideni računalnik uporablja. Zato obstajajo različne povezave za prenos procesorjev x86 proizvajalcev Intel in AMD ter procesorjev ARM, ki se uporabljajo v sodobnih napravah Apple. ISA x86 in ARM je različna; programsko opremo je treba prevesti ločeno. Kot je pokazal Apple, je mogoče zgraditi modno prevajalsko plast; to preprosto ni običajno.

Morda mislite, da CPE vidi navodila, ki so mu predstavljena, in jih nato izvede po vrstnem redu. Obstaja veliko trikov, ki jih uporabljajo sodobni procesorji, vključno z izvajanjem brez vrstnega reda, ki omogoča, da CPE sproti preureja stvari za optimizacijo delovanja. Vendar pa je pameten del, ki je precej dobro skrit, mikrooperacije.

Cevovod do mikrooperacije

Posamezna navodila v strojni kodi lahko imenujemo navodila ali operacije; izraza sta zamenljiva. Ena od težav z Complex Instruction Set Computing ali arhitekturami CISC, kot je x86, je, da se navodila lahko razlikujejo glede na to, kako dolga so. To se posebej nanaša na to, koliko podatkov potrebujejo za predstavitev. V x86 je lahko ukaz kratek kot en bajt ali dolg do 15. Primerjajte to s standardno arhitekturo RISC-V, ki jo uporabljajo sodobni procesorji ARM s 4-bajtnimi navodili fiksne dolžine.

Nasvet: RISC je kratica za Reduced Instruction Set Computing.

Ena od posledic te razlike v strukturi je, da je arhitekture RISC veliko lažje učinkovito cevovoditi. Vsako navodilo ima več stopenj delovanja, ki uporabljajo različno strojno opremo. Cevovodna obdelava vodi več navodil skozi te stopnje hkrati, z natančno enim navodilom v vsaki stopnji. Cevovodno povezovanje ponuja znatno povečanje zmogljivosti, če se uporablja učinkovito. Eden ključnih dejavnikov pri učinkoviti uporabi cevovoda je zagotavljanje, da se vsaka stopnja uporablja hkrati. Tako vse poteka gladko po cevovodu.

Ker so vsa navodila enako dolga, zahtevajo navodila RISC enak čas obdelave kot druga druga. Vendar pa lahko v CISC, kot je x86, nekatera navodila trajajo veliko dlje kot druga. To ustvarja veliko težavo glede učinkovitosti pri cevovodnem povezovanju CPU. Vsakič, ko pride daljše navodilo, se dlje zatakne v cevovodu. To povzroči mehurček in zadrži vse, kar je za njim. Mikrooperacije so rešitev za to.

Učinkovite mikro operacije

Namesto da bi vsako navodilo obravnavali kot edino stopnjo operacije, ki jo je mogoče izvesti, mikrooperacije uvajajo novo nižjo plast. Vsako operacijo lahko razdelimo na več mikrooperacij. S skrbnim načrtovanjem mikrooperacij lahko optimizirate cevovod.

Zanimivo je, da to ponuja novo prednost. Medtem ko splošna ISA, recimo x86, ostaja enaka med številnimi različnimi generacijami CPE, so lahko mikrooperacije oblikovane po meri za vsako generacijo strojne opreme. To je mogoče storiti z globokim razumevanjem, koliko zmogljivosti je mogoče iztisniti iz vsake stopnje cevovoda za vsako mikrooperacijo.

V zgodnjih dneh mikrooperacij so bile trdo ožičene povezave, ki so aktivirale ali onemogočale določene funkcije, odvisno od mikrooperacije. V sodobni zasnovi CPE je medpomnilniku za preurejanje dodana mikrooperacija. To je vmesni pomnilnik, s katerim lahko CPE izvaja svoje v učinkovitost usmerjeno preurejanje. Preurejajo se mikrooperacije, ne dejanska navodila.

V nekaterih primerih, zlasti z naprednejšimi procesorji, je mogoče narediti še več. Fuzija mikrooperacij je, kjer je več mikrooperacij združenih v eno. Na primer, zaporedje preprostih mikrooperacij lahko izvede dejanje, ki ga je mogoče izvesti z enim samim bolj zapletenim navodilom. Z zmanjšanjem števila izvedenih mikrooperacij se lahko postopek zaključi hitreje. To tudi zmanjša število sprememb stanja in zmanjša porabo energije. Celotna navodila je mogoče celo analizirati in združiti v učinkovitejše mikrooperacijske strukture.

Nekateri procesorji uporabljajo mikrooperacijski predpomnilnik. Ta shrani popolnoma dekodirana zaporedja mikrooperacij, ki jih je mogoče ponovno uporabiti, če jih ponovno pokličete. Običajno se velikost takega predpomnilnika nanaša na število mikrooperacij, ki jih lahko shrani, in ne na kapaciteto bajtov.

Zaključek

Mikrooperacija je implementacija niza ukazov, specifična za CPE. Navodila so dekodirana v vrsto mikrooperacij. Te mikrooperacije je bistveno lažje cevovodno bolj učinkovito in tako bolje izkoristiti vire CPU. Ker mikrooperacije niso trdo kodirane v naboru navodil, jih je mogoče prilagoditi specifični strojni opremi vsake generacije CPE. Mikrooperacije se pogosto skrajšajo na mikrooperacije ali celo μoperacije. Ta uporablja grško črko μ ( izgovarja se Mu ), simbol SI za predpono mikro.