Was ist eine Mikrooperation?

Computer werden mit Programmiersprachen programmiert. Diese Sprachen sind im Allgemeinen für Menschen lesbar und ermöglichen es dem Programmierer, zu konfigurieren, was der Computer tut. Dieser Code muss dann in Computeranweisungen kompiliert werden. Die genauen Details dazu variieren je nach Befehlssatzarchitektur oder ISA, die der vorgesehene Computer verwendet. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Download-Links für x86-CPUs von Intel und AMD und ARM-CPUs, wie sie in modernen Apple-Geräten verwendet werden. Die ISA von x86 und ARM ist unterschiedlich; die Software muss separat kompiliert werden. Wie Apple gezeigt hat, ist es möglich, eine ausgefallene Übersetzungsschicht aufzubauen; es ist einfach nicht üblich, dies zu tun.

Sie könnten denken, dass die CPU die Anweisungen sieht, die ihr präsentiert werden, und sie dann der Reihe nach ausführt. Es gibt viele Tricks, die moderne CPUs anwenden, einschließlich der Out-of-Order-Ausführung, die es der CPU ermöglicht, Dinge im laufenden Betrieb neu zu ordnen, um die Leistung zu optimieren. Ein cleverer Teil, der ziemlich gut versteckt ist, sind jedoch Mikrooperationen.

Die Pipeline zur Mikrooperation

Einzelne Anweisungen im Maschinencode können Anweisungen oder Operationen genannt werden; die Begriffe sind austauschbar. Eine der Schwierigkeiten bei Complex Instruction Set Computing oder CISC-Architekturen wie x86 besteht darin, dass Anweisungen in ihrer Länge variieren können. Dies bezieht sich insbesondere darauf, wie viele Daten sie zur Darstellung benötigen. In x86 kann eine Anweisung so kurz wie ein Byte oder bis zu 15 sein. Vergleichen Sie dies mit der Standard-RISC-V-Architektur, die von modernen ARM-CPUs mit 4-Byte-Anweisungen fester Länge verwendet wird.

Tipp: RISC steht für Reduced Instruction Set Computing.

Eine der Implikationen dieses Unterschieds in der Struktur besteht darin, dass RISC-Architekturen tendenziell viel einfacher effizient zu leiten sind. Jeder Befehl hat mehrere Stufen zu seiner Operation, die unterschiedliche Hardware verwenden. Beim Pipelining werden mehrere Anweisungen gleichzeitig durch diese Phasen geführt, wobei in jeder Phase genau eine Anweisung vorhanden ist. Pipelining bietet bei effizienter Nutzung einen erheblichen Leistungsschub. Ein Schlüsselfaktor für die effiziente Nutzung einer Pipeline besteht darin, sicherzustellen, dass jede Stufe gleichzeitig verwendet wird. Dadurch läuft alles reibungslos durch die Pipeline.

Da alle Anweisungen die gleiche Länge haben, benötigen RISC-Anweisungen tendenziell die gleiche Verarbeitungszeit wie die anderen. In einem CISC, wie z. B. x86, kann die Ausführung einiger Anweisungen jedoch viel länger dauern als bei anderen. Dies führt zu einem großen Effizienzproblem beim Pipelining einer CPU. Jedes Mal, wenn eine längere Anweisung kommt, bleibt sie länger in der Pipeline hängen. Das verursacht eine Blase und hält alles dahinter hoch. Mikrooperationen sind die Lösung dafür.

Effiziente Mikrooperationen

Anstatt jede Anweisung als die einzige Operationsebene zu behandeln, die ausgeführt werden kann, führen Mikrooperationen eine neue untere Schicht ein. Jede Operation kann in viele Mikrooperationen aufgeteilt werden. Indem Sie die Mikrooperationen sorgfältig entwerfen, können Sie die Pipeline optimieren.

Interessanterweise bietet dies einen neuen Vorteil. Während die gesamte ISA, z. B. x86, zwischen vielen verschiedenen CPU-Generationen gleich bleibt, können die Mikrooperationen für jede Hardwaregeneration kundenspezifisch entwickelt werden. Dies kann mit einem tiefen Verständnis dafür erreicht werden, wie viel Leistung aus jeder Pipeline-Stufe für jede Mikrooperation herausgepresst werden kann.

In den frühen Tagen der Mikrooperationen handelte es sich um fest verdrahtete Verbindungen, die je nach Mikrooperation bestimmte Funktionen aktivierten oder deaktivierten. Bei modernem CPU-Design wird einem Neuordnungspuffer eine Mikrooperation hinzugefügt. In diesem Puffer kann die CPU ihre effizienzorientierte Neuordnung durchführen. Es sind Mikrooperationen, nicht tatsächliche Anweisungen, die neu geordnet werden.

In einigen Fällen, insbesondere bei fortgeschritteneren CPUs, kann sogar noch mehr getan werden. Bei der Mikrooperationsfusion werden mehrere Mikrooperationen zu einer kombiniert. Beispielsweise kann eine Folge einfacher Mikrooperationen eine Aktion ausführen, die mit einer einzigen, komplexeren Anweisung ausgeführt werden kann. Indem die Anzahl der durchgeführten Mikrooperationen reduziert wird, kann der Prozess schneller abgeschlossen werden. Dies reduziert auch die Anzahl der Zustandsänderungen, was den Stromverbrauch reduziert. Vollständige Anweisungen können sogar analysiert und zu effizienteren Mikrooperationsstrukturen kombiniert werden.

Einige CPUs verwenden einen Cache für Mikrooperationen. Dies speichert vollständig decodierte Mikrooperationssequenzen, die bei einem erneuten Aufruf wiederverwendet werden können. Typischerweise wird die Größe eines solchen Caches eher durch die Anzahl der Mikrooperationen, die er speichern kann, als durch die Byte-Kapazität bezeichnet.

Abschluss

Eine Mikrooperation ist eine CPU-spezifische Implementierung eines Befehlssatzes. Anweisungen werden in eine Reihe von Mikrooperationen dekodiert. Diese Mikrooperationen lassen sich wesentlich einfacher und effizienter leiten und nutzen somit die CPU-Ressourcen besser. Da Mikrooperationen nicht im Befehlssatz fest codiert sind, können sie an die spezifische Hardware jeder CPU-Generation angepasst werden. Micro-Operations werden oft mit Micro-Ops oder sogar μOps abgekürzt. Das verwendet den griechischen Buchstaben μ ( ausgesprochen Mu ), das SI-Symbol für das Mikro-Präfix.