Micro-Operation คืออะไร?

คอมพิวเตอร์ถูกตั้งโปรแกรมด้วยภาษาโปรแกรม ภาษาเหล่านี้โดยทั่วไปแล้วมนุษย์สามารถอ่านได้และอนุญาตให้โปรแกรมเมอร์กำหนดค่าสิ่งที่คอมพิวเตอร์ทำ รหัสนี้จำเป็นต้องรวบรวมเป็นคำสั่งคอมพิวเตอร์ รายละเอียดที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ Instruction Set Architecture หรือ ISA ที่คอมพิวเตอร์ใช้งาน ด้วยเหตุนี้จึงมีลิงก์ดาวน์โหลดที่แตกต่างกันสำหรับซีพียู x86 จาก Intel และ AMD และซีพียู ARM ที่ใช้ในอุปกรณ์ Apple สมัยใหม่ ISA ของ x86 และ ARM นั้นแตกต่างกัน ต้องรวบรวมซอฟต์แวร์แยกต่างหาก ดังที่ Apple แสดงไว้ เป็นไปได้ที่จะสร้างเลเยอร์การแปลแฟนซี ไม่ใช่เรื่องธรรมดาที่จะทำเช่นนั้น

คุณอาจคิดว่า CPU เห็นคำสั่งที่นำเสนอแล้วดำเนินการตามลำดับ มีลูกเล่นหลายอย่างที่ CPU สมัยใหม่ทำ รวมถึงการดำเนินการนอกคำสั่ง ซึ่งช่วยให้ CPU สามารถจัดลำดับสิ่งต่างๆ ได้ทันทีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด อย่างไรก็ตาม ส่วนที่ฉลาดซึ่งซ่อนไว้ค่อนข้างดีคือการทำงานแบบไมโคร

ท่อส่งสู่การดำเนินงานขนาดเล็ก

แต่ละคำสั่งในรหัสเครื่องสามารถเรียกว่าคำสั่งหรือการดำเนินการ ข้อกำหนดสามารถใช้แทนกันได้ ปัญหาอย่างหนึ่งของ Complex Instruction Set Computing หรือสถาปัตยกรรม CISC เช่น x86 คือคำสั่งอาจแตกต่างกันไปตามระยะเวลา สิ่งนี้หมายถึงจำนวนข้อมูลที่พวกเขาใช้เพื่อแสดงโดยเฉพาะ ใน x86 คำสั่งสามารถสั้นเพียงหนึ่งไบต์หรือยาวถึง 15 เปรียบเทียบสิ่งนี้กับสถาปัตยกรรม RISC-V มาตรฐานที่ใช้โดย ARM CPUs สมัยใหม่ที่มีคำสั่ง 4 ไบต์ที่มีความยาวคงที่

เคล็ดลับ: RISC ย่อมาจาก Reded Instruction Set Computing

หนึ่งในนัยของความแตกต่างในโครงสร้างนี้คือสถาปัตยกรรม RISC มีแนวโน้มที่จะง่ายต่อการไปป์ไลน์อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ละคำสั่งมีหลายขั้นตอนในการทำงานที่ใช้ฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกัน การวางท่อดำเนินการหลายคำสั่งผ่านขั้นตอนเหล่านี้พร้อมกัน โดยมีคำสั่งเดียวในแต่ละขั้นตอน การวางท่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างมากเมื่อใช้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งในการใช้ไปป์ไลน์อย่างมีประสิทธิภาพคือการทำให้แน่ใจว่าแต่ละขั้นตอนจะถูกใช้พร้อมกัน สิ่งนี้ทำให้ทุกอย่างดำเนินไปป์ไลน์ได้อย่างราบรื่น

เนื่องจากคำสั่งทั้งหมดมีความยาวเท่ากัน คำสั่ง RISC มักจะต้องใช้เวลาดำเนินการเท่ากัน อย่างไรก็ตาม ใน CISC เช่น x86 คำสั่งบางคำสั่งอาจใช้เวลานานกว่าคำสั่งอื่นๆ สิ่งนี้สร้างปัญหาด้านประสิทธิภาพอย่างมากเมื่อทำการไพพ์ไลน์ซีพียู ทุกครั้งที่มีคำสั่งที่ยาวขึ้น มันจะติดอยู่ในไปป์ไลน์นานขึ้น สิ่งนี้ทำให้เกิดฟองและเก็บทุกอย่างไว้เบื้องหลัง การดำเนินการระดับจุลภาคเป็นวิธีแก้ปัญหานี้

การดำเนินงานขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพ

แทนที่จะถือว่าคำสั่งแต่ละคำสั่งเป็นเพียงระดับของการดำเนินการเท่านั้นที่สามารถทำได้ การดำเนินการระดับจุลภาคจะแนะนำเลเยอร์ใหม่ที่ต่ำกว่า การดำเนินการแต่ละอย่างสามารถแบ่งออกเป็นการดำเนินการย่อยๆ ได้มากมาย ด้วยการออกแบบการทำงานขนาดเล็กอย่างรอบคอบ คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพไปป์ไลน์ได้

น่าสนใจ นี่เป็นข้อได้เปรียบใหม่ แม้ว่า ISA โดยรวมจะบอกว่า x86 ยังคงเหมือนกันระหว่างรุ่นต่างๆ ของ CPU หลายรุ่น แต่การทำงานขนาดเล็กสามารถออกแบบได้เองสำหรับฮาร์ดแวร์แต่ละรุ่น สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าสามารถบีบประสิทธิภาพได้มากเพียงใดจากขั้นตอนไปป์ไลน์แต่ละขั้นตอนสำหรับการดำเนินการขนาดเล็กแต่ละอย่าง

ในยุคแรก ๆ ของการทำงานแบบไมโคร การเชื่อมต่อแบบใช้สายแข็งนั้นเปิดใช้งานหรือปิดใช้งานฟังก์ชันเฉพาะขึ้นอยู่กับการทำงานแบบไมโคร ในการออกแบบ CPU สมัยใหม่ การทำงานขนาดเล็กจะถูกเพิ่มลงในบัฟเฟอร์การจัดลำดับใหม่ เป็นบัฟเฟอร์นี้ที่ CPU สามารถจัดลำดับใหม่โดยมุ่งเน้นที่ประสิทธิภาพ เป็นการสั่งงานใหม่ ไม่ใช่คำสั่งจริง

ในบางกรณี โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ CPU ขั้นสูง สามารถทำได้มากกว่านั้น การหลอมรวมของไมโครออปคือการที่การรวมไมโครโอเปอเรชันหลาย ๆ อย่างเข้าด้วยกันเป็นหนึ่งเดียว ตัวอย่างเช่น ลำดับของการดำเนินการย่อยอย่างง่ายอาจดำเนินการที่สามารถดำเนินการได้ด้วยคำสั่งเดียวที่ซับซ้อนมากขึ้น ด้วยการลดจำนวนการดำเนินการขนาดเล็กลง กระบวนการจึงเสร็จสมบูรณ์เร็วขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดจำนวนการเปลี่ยนแปลงสถานะที่ลดการใช้พลังงาน คำแนะนำทั้งหมดอาจถูกวิเคราะห์และรวมกันเป็นโครงสร้างการทำงานระดับจุลภาคที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

CPU บางตัวใช้แคชการทำงานระดับไมโคร ซึ่งจัดเก็บลำดับการทำงานระดับไมโครที่ถอดรหัสอย่างสมบูรณ์ซึ่งสามารถนำมาใช้ซ้ำได้หากมีการเรียกใช้อีกครั้ง โดยปกติแล้ว ขนาดของแคชดังกล่าวจะอ้างอิงจากจำนวนของการดำเนินการระดับไมโครที่มันสามารถจัดเก็บได้ แทนที่จะอ้างอิงตามความจุแบบไบต์

บทสรุป

การทำงานแบบไมโครคือการนำชุดคำสั่งไปใช้เฉพาะ CPU คำแนะนำถูกถอดรหัสเป็นชุดของการทำงานระดับไมโคร การดำเนินการขนาดเล็กเหล่านี้ง่ายกว่าอย่างมากในการไปป์ไลน์อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และทำให้ใช้ทรัพยากร CPU ได้ดีขึ้น เนื่องจากการทำงานระดับไมโครไม่ได้ถูกฮาร์ดโค้ดลงในชุดคำสั่ง จึงสามารถปรับแต่งให้เหมาะกับฮาร์ดแวร์เฉพาะของ CPU แต่ละรุ่นได้ การทำงานระดับไมโครมักจะย่อเป็น micro-ops หรือแม้แต่ μops ที่ใช้ตัวอักษรกรีก μ ( อ่านว่า Mu ) ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ SI สำหรับคำนำหน้าไมโคร