¿Qué es una microoperación?

Las computadoras están programadas con lenguajes de programación. Estos lenguajes son generalmente legibles por humanos y permiten al programador configurar lo que hace la computadora. Luego, este código debe compilarse en instrucciones de computadora. Los detalles exactos de esto varían según la arquitectura del conjunto de instrucciones o ISA que utilice la computadora prevista. Esta es la razón por la que existen diferentes enlaces de descarga para CPU x86 de Intel y AMD, y CPU ARM como las que se usan en los dispositivos modernos de Apple. El ISA de x86 y ARM es diferente; el software debe compilarse por separado. Como ha demostrado Apple, es posible crear una capa de traducción elegante; simplemente no es común hacerlo.

Podría pensar que la CPU ve las instrucciones que se le presentan y luego las ejecuta en orden. Hay muchos trucos que hacen las CPU modernas, incluida la ejecución fuera de orden, lo que permite que la CPU reordene las cosas sobre la marcha para optimizar el rendimiento. Sin embargo, una parte inteligente que está bastante bien oculta son las microoperaciones.

El oleoducto a la microoperación

Las instrucciones individuales en código de máquina se pueden llamar instrucciones u operaciones; los términos son intercambiables. Una de las dificultades con la computación de conjunto de instrucciones complejas o arquitecturas CISC como x86 es que las instrucciones pueden variar en cuanto a su duración. Esto se refiere específicamente a la cantidad de datos que necesitan para representar. En x86, una instrucción puede ser tan corta como un byte o tan larga como 15. Compare esto con la arquitectura RISC-V estándar utilizada por las CPU ARM modernas con instrucciones de 4 bytes de longitud fija.

Sugerencia: RISC significa Cómputo de conjunto de instrucciones reducido.

Una de las implicaciones de esta diferencia en la estructura es que las arquitecturas RISC tienden a ser mucho más fáciles de canalizar de manera eficiente. Cada instrucción tiene múltiples etapas para su operación que utilizan hardware diferente. La canalización ejecuta varias instrucciones a través de estas etapas simultáneamente, con exactamente una instrucción en cada etapa. La tubería ofrece un aumento considerable del rendimiento cuando se usa de manera eficiente. Un factor clave en la utilización eficiente de una tubería es garantizar que cada etapa se use simultáneamente. Esto mantiene todo funcionando a través de la canalización sin problemas.

Dado que todas las instrucciones tienen la misma longitud, las instrucciones RISC tienden a requerir el mismo tiempo de procesamiento entre sí. Sin embargo, en un CISC, como x86, algunas instrucciones pueden tardar mucho más en completarse que otras. Esto crea un gran problema de eficiencia al canalizar una CPU. Cada vez que aparece una instrucción más larga, se atasca en la tubería por más tiempo. Esto provoca una burbuja y retiene todo lo que hay detrás. Las microoperaciones son la solución a esto.

Microoperaciones eficientes

En lugar de tratar cada instrucción como el único nivel de operación que se puede realizar, las microoperaciones introducen una nueva capa inferior. Cada operación se puede dividir en muchas microoperaciones. Al diseñar las microoperaciones con cuidado, puede optimizar la canalización.

Curiosamente, esto ofrece una nueva ventaja. Si bien el ISA general, digamos x86, sigue siendo el mismo entre muchas generaciones de CPU diferentes, las microoperaciones se pueden diseñar a medida para cada generación de hardware. Esto se puede hacer con una comprensión profunda de cuánto rendimiento se puede sacar de cada etapa de la canalización para cada microoperación.

En los primeros días de las microoperaciones, eran conexiones cableadas que activaban o deshabilitaban funciones específicas según la microoperación. En el diseño moderno de la CPU, se agrega una microoperación a un búfer de reorden. Es este búfer que la CPU puede realizar su reordenamiento orientado a la eficiencia. Son las microoperaciones, no las instrucciones reales, las que se reordenan.

En algunos casos, especialmente con CPU más avanzadas, se puede hacer incluso más. La fusión de microoperaciones es donde múltiples microoperaciones se combinan en una sola. Por ejemplo, una secuencia de microoperaciones simples puede realizar una acción que se puede realizar con una sola instrucción más compleja. Al reducir la cantidad de microoperaciones realizadas, el proceso puede completarse más rápido. Esto también reduce el número de cambios de estado reduciendo el consumo de energía. Las instrucciones completas pueden incluso analizarse y combinarse en estructuras de microoperaciones más eficientes.

Algunas CPU utilizan una caché de microoperaciones. Esto almacena secuencias de microoperaciones completamente decodificadas que se pueden reutilizar si se vuelve a llamar. Por lo general, el tamaño de dicha memoria caché se refiere al número de microoperaciones que puede almacenar en lugar de la capacidad de bytes.

Conclusión

Una microoperación es una implementación específica de la CPU de un conjunto de instrucciones. Las instrucciones se decodifican en una serie de microoperaciones. Estas microoperaciones son significativamente más fáciles de canalizar de manera más eficiente y, por lo tanto, hacen un mejor uso de los recursos de la CPU. Como las microoperaciones no están codificadas en el conjunto de instrucciones, se pueden personalizar para el hardware específico de cada generación de CPU. Las microoperaciones a menudo se reducen a microoperaciones o incluso a μops. Eso usa la letra griega μ ( pronunciada Mu ), el símbolo SI para el prefijo micro.