Quest-ce quune micro-opération ?

Les ordinateurs sont programmés avec des langages de programmation. Ces langages sont généralement lisibles par l'homme et permettent au programmeur de configurer ce que fait l'ordinateur. Ce code doit ensuite être compilé en instructions informatiques. Les détails exacts de cela varient en fonction de l'architecture du jeu d'instructions ou ISA que l'ordinateur prévu utilise. C'est pourquoi il existe différents liens de téléchargement pour les processeurs x86 d'Intel et d'AMD, et les processeurs ARM utilisés dans les appareils Apple modernes. L'ISA de x86 et ARM est différent ; le logiciel doit être compilé séparément. Comme Apple l'a montré, il est possible de construire une couche de traduction sophistiquée ; ce n'est tout simplement pas courant de le faire.

Vous pourriez penser que le CPU voit les instructions qui lui sont présentées et les exécute ensuite dans l'ordre. Il existe de nombreuses astuces que les processeurs modernes font, y compris l'exécution dans le désordre, permettant au processeur de réorganiser les choses à la volée pour optimiser les performances. Cependant, une partie astucieuse qui est assez bien cachée est celle des micro-opérations.

Le pipeline vers la micro-opération

Les instructions individuelles dans le code machine peuvent être appelées instructions ou opérations ; les termes sont interchangeables. L'une des difficultés avec les architectures Complex Instruction Set Computing ou CISC comme x86 est que les instructions peuvent varier dans leur durée. Cela fait spécifiquement référence à la quantité de données qu'ils prennent pour représenter. Dans x86, une instruction peut être aussi courte qu'un octet ou aussi longue que 15. Comparez cela à l'architecture RISC-V standard utilisée par les processeurs ARM modernes avec des instructions de 4 octets de longueur fixe.

Conseil : RISC signifie "Reduced Instruction Set Computing".

L'une des implications de cette différence de structure est que les architectures RISC ont tendance à être beaucoup plus faciles à canaliser efficacement. Chaque instruction comporte plusieurs étapes de fonctionnement qui utilisent un matériel différent. Le pipelining exécute simultanément plusieurs instructions à travers ces étapes, avec précisément une instruction à chaque étape. Le pipeline offre une amélioration considérable des performances lorsqu'il est utilisé efficacement. Un facteur clé dans l'utilisation efficace d'un pipeline est de s'assurer que chaque étape est utilisée simultanément. Cela permet à tout de fonctionner correctement dans le pipeline.

Toutes les instructions ayant la même longueur, les instructions RISC ont tendance à nécessiter le même temps de traitement les unes que les autres. Dans un CISC, cependant, comme x86, certaines instructions peuvent prendre beaucoup plus de temps que d'autres. Cela crée un gros problème d'efficacité lors de la mise en pipeline d'un processeur. Chaque fois qu'une instruction plus longue arrive, elle reste bloquée plus longtemps dans le pipeline. Cela provoque une bulle et retient tout ce qui se trouve derrière. Les micro-opérations sont la solution à cela.

Micro-opérations efficaces

Au lieu de traiter chaque instruction comme le seul niveau d'opération pouvant être effectué, les micro-opérations introduisent une nouvelle couche inférieure. Chaque opération peut être découpée en plusieurs micro-opérations. En concevant soigneusement les micro-opérations, vous pouvez optimiser le pipeline.

Fait intéressant, cela offre un nouvel avantage. Alors que l'ISA global, disons x86, reste le même entre de nombreuses générations de processeurs différentes, les micro-opérations peuvent être conçues sur mesure pour chaque génération de matériel. Cela peut être fait avec une compréhension approfondie de la quantité de performances qui peut être extraite de chaque étape du pipeline pour chaque micro-opération.

Au début des micro-opérations, il s'agissait de connexions câblées qui activaient ou désactivaient des fonctionnalités spécifiques en fonction de la micro-opération. Dans la conception moderne des processeurs, une micro-opération est ajoutée à un tampon de réorganisation. C'est dans ce tampon que le processeur peut effectuer son réordonnancement axé sur l'efficacité. Ce sont des micro-opérations, et non des instructions réelles, qui sont réordonnées.

Dans certains cas, en particulier avec des processeurs plus avancés, on peut faire encore plus. La fusion micro-op est l'endroit où plusieurs micro-opérations sont combinées en une seule. Par exemple, une séquence de micro-opérations simples peut effectuer une action qui peut être effectuée avec une seule instruction plus complexe. En réduisant le nombre de micro-opérations effectuées, le processus peut se terminer plus rapidement. Cela réduit également le nombre de changements d'état réduisant la consommation d'énergie. Des instructions complètes peuvent même être analysées et combinées dans des structures de micro-opérations plus efficaces.

Certains processeurs utilisent un cache de micro-opérations. Celui-ci stocke des séquences de micro-opérations entièrement décodées qui peuvent être réutilisées si elles sont appelées à nouveau. En règle générale, la taille d'un tel cache est désignée par le nombre de micro-opérations qu'il peut stocker plutôt que par la capacité en octets.

Conclusion

Une micro-opération est une implémentation spécifique au processeur d'un jeu d'instructions. Les instructions sont décodées en une série de micro-opérations. Ces micro-opérations sont beaucoup plus faciles à canaliser plus efficacement et permettent ainsi une meilleure utilisation des ressources du processeur. Comme les micro-opérations ne sont pas codées en dur dans le jeu d'instructions, elles peuvent être personnalisées en fonction du matériel spécifique de chaque génération de CPU. Les micro-opérations sont souvent abrégées en micro-ops ou même en μops. Cela utilise la lettre grecque μ ( prononcé Mu ), le symbole SI du préfixe micro.