마이크로 오퍼레이션
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1. 개요
마이크로 오퍼레이션(μop)은 CPU 설계 구현을 단순화하거나 다단계 연산 및 주소 지정 모드의 시퀀싱을 단순화하기 위해 사용되는 마이크로 코드 루틴의 기초이다. 현대 CISC 프로세서는 비동기 병렬 및 추측 실행을 용이하게 하기 위해 μop을 사용하며, 실행 전에 재스케줄링을 위해 동적으로 버퍼링된다. μop 수준에서 코드 시퀀스를 재정렬하여 기계 자원을 동적으로 최적화하고, 마이크로-op 퓨전을 통해 더 복잡한 마이크로 명령어를 간단한 마이크로 명령어로 대체하여 성능을 향상시킨다. 프로세서는 기계 명령어를 μop으로 변환하고, 특정 기계 명령어 시퀀스를 더 복잡한 μop으로 결합하는 매크로-op 퓨전을 수행하기도 한다. 디코딩된 마이크로 연산은 마이크로 연산 캐시에 캐시되어 성능을 더욱 향상시킨다.
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2. 최적화 기법
마이크로 오퍼레이션 최적화 기법에는 마이크로 연산 퓨전, 매크로 연산 퓨전, 마이크로 연산 캐시가 있다.
- 마이크로 연산 퓨전 (Micro-op Fusion): 여러 개의 마이크로 연산을 하나로 결합하여 상태 변경, 대기열 및 재정렬 버퍼 공간 사용을 최소화하고 전력 소비를 줄이는 기술이다.[1][3]
- 매크로 연산 퓨전 (Macro-op Fusion): 특정 기계 명령어 시퀀스(예: 비교 후 조건 분기)를 더 복잡한 마이크로 연산으로 결합하여 실행 모델에 더 잘 맞고 더 빠르게 또는 더 적은 기계 자원을 사용하여 실행할 수 있게 하는 기술이다.[1][3]
- 마이크로 연산 캐시 (Micro-op Cache): 디코딩된 마이크로 연산을 마이크로 연산 캐시에 저장하여, 동일한 매크로 명령어가 다시 실행될 때 프로세서가 이를 다시 디코딩하는 대신 캐시에서 직접 접근할 수 있도록 하여 성능을 향상시키는 기술이다. 인텔 NetBurst 마이크로 아키텍처(펜티엄 4)의 실행 트레이스 캐시가 대표적인 예이다.[4]
이러한 기술들은 현대 CISC(복합 명령어 집합 컴퓨터) 프로세서에서 명령어 수준 병렬 처리를 가능하게 하고, 비동기 병렬 처리 및 추측 실행을 최적화하는 데 사용된다.[3]
2. 1. 마이크로 연산 퓨전 (Micro-op Fusion)
μop(마이크로 연산)은 특정 CPU 설계 구현을 단순화하거나 특정 다단계 연산 또는 주소 지정 모드의 시퀀싱을 단순화하는 데 사용되는 전통적인 마이크로 코드 루틴의 기초가 오랫동안 되어왔다. 현대 CISC(복합 명령어 집합 컴퓨터) 프로세서에서 μop은 비동기 병렬 및 추측 실행을 더 쉽게 처리할 수 있도록 다른 방식으로 사용된다. 전통적인 마이크로 코드와 마찬가지로, 기계 명령어의 인코딩 및 의미론에 따라 적절한 μop 시퀀스를 찾기 위해 하나 이상의 테이블 조회(또는 그에 상응하는 것)가 수행된다(디코딩 또는 변환 단계). 그러나 마이크로 코드-ROM(읽기 전용 메모리)에서 CPU를 직접 제어하는 고정된 μop 시퀀스를 갖는 대신, μop은 실행 전에 재스케줄링을 위해 동적으로 버퍼링된다.[3]이 버퍼링은 인출 및 디코딩 단계가 실행 유닛과 더 분리될 수 있음을 의미한다. 이는 실행 순서에 대한 어느 정도의 자유를 허용하여, 일반적인 단일 스레드 프로그램에서 일부 명령 수준 병렬 처리를 추출할 수 있게 한다. 또한 μop의 매핑 및 스케줄링을 기계 자원(예: ALU(산술 논리 장치), 로드/저장 유닛 등)에 동적으로 최적화하기 위한 코드 시퀀스의 재정렬을 가능하게 한다. 이는 μop 수준에서 발생하므로, 서로 다른 기계(매크로) 명령의 하위 연산이 특정 μop 시퀀스에서 종종 혼합되어 여러 매크로 명령어에서 나온 마이크로 명령어의 비순차적 디스패칭의 직접적인 결과로 부분적으로 재정렬된 기계 명령어를 형성할 수 있다. 그러나 이것은 더 복잡한 마이크로 명령어가 특정 경우에 몇 개의 더 간단한 마이크로 명령어를 대체하여 상태 변경 및 대기열 및 재정렬 버퍼 공간의 사용을 최소화하고, 따라서 전력 소비를 줄이는 것을 목표로 하는 '마이크로-op 퓨전'과 동일하지 않다. 마이크로-op 퓨전은 일부 최신 CPU 설계에서 사용된다.[1][3]
2. 2. 매크로 연산 퓨전 (Macro-op Fusion)
프로세서는 많은 기계 명령어를 일련의 μop(마이크로 연산)으로 변환할 뿐만 아니라, 적절한 경우에는 그 반대도 수행한다. 즉, 특정 기계 명령어 시퀀스(예: 비교 후 조건 분기)를 실행 모델에 더 잘 맞고 더 빠르게 또는 더 적은 기계 자원을 사용하여 실행할 수 있는 더 복잡한 μop으로 결합한다. 이를 ''매크로-op 퓨전''이라고 한다.[1][3]2. 3. 마이크로 연산 캐시 (Micro-op Cache)
μop(마이크로 연산)은 특정 CPU 설계 구현을 단순화하거나 특정 다단계 연산 또는 주소 지정 모드의 시퀀싱을 단순화하는 데 사용되는 전통적인 마이크로 코드 루틴의 기초가 오랫동안 되어왔다. 현대 CISC(복합 명령어 집합 컴퓨터) 프로세서는 비동기 병렬 및 추측 실행을 더 쉽게 처리할 수 있도록 μop을 다른 방식으로 사용한다. 전통적인 마이크로 코드와 마찬가지로, 기계 명령어의 인코딩 및 의미론에 따라 적절한 μop 시퀀스를 찾기 위해 하나 이상의 테이블 조회(또는 그에 상응하는 것)가 수행된다(디코딩 또는 변환 단계). 그러나 마이크로 코드-ROM(읽기 전용 메모리)에서 CPU를 직접 제어하는 고정된 μop 시퀀스를 갖는 대신, μop은 실행 전에 재스케줄링을 위해 동적으로 버퍼링된다.[3]이 버퍼링은 인출 및 디코딩 단계가 실행 유닛과 더 분리될 수 있음을 의미한다. 이는 실행 순서에 대한 어느 정도의 자유를 허용하여 일반적인 단일 스레드 프로그램에서 일부 명령 수준 병렬 처리를 추출할 수 있게 한다(종속성이 확인되는 경우 등). μop 수준에서 코드 시퀀스의 재정렬을 통해 μop의 매핑 및 스케줄링을 기계 자원(예: ALU(산술 논리 장치), 로드/저장 유닛 등)에 동적으로 최적화한다. 서로 다른 기계(매크로) 명령의 하위 연산이 특정 μop 시퀀스에서 종종 혼합되어 여러 매크로 명령어에서 나온 마이크로 명령어의 비순차적 디스패칭의 직접적인 결과로 부분적으로 재정렬된 기계 명령어를 형성할 수 있다. 그러나, 이것은 ''마이크로-op 퓨전''과 동일하지 않다. 마이크로-op 퓨전은 더 복잡한 마이크로 명령어가 특정 경우에 몇 개의 더 간단한 마이크로 명령어를 대체하여 상태 변경 및 대기열 및 재정렬 버퍼 공간의 사용을 최소화하고, 따라서 전력 소비를 줄이는 것을 목표로 하며, 일부 최신 CPU 설계에서 사용된다.[1][3]
프로세서는 많은 기계 명령어를 일련의 μop으로 변환할 뿐만 아니라 적절한 경우 그 반대도 수행한다. 즉, 특정 기계 명령어 시퀀스(예: 비교 후 조건 분기)를 실행 모델에 더 잘 맞고 따라서 더 빠르게 또는 더 적은 기계 자원을 사용하여 실행할 수 있는 더 복잡한 μop으로 결합한다. 이것은 ''매크로-op 퓨전''이라고도 한다.[1][3]
성능을 향상시키기 위해 디코딩된 마이크로 연산을 마이크로 연산 캐시에 캐시한다. 따라서 동일한 매크로 명령어가 다시 실행되면 프로세서는 이를 다시 디코딩하는 대신 캐시에서 디코딩된 마이크로 연산에 직접 액세스할 수 있다. 인텔(Intel) NetBurst 마이크로 아키텍처(펜티엄 4)에서 발견되는 실행 트레이스 캐시는 이 기술의 널리 사용되는 예이다.[4] 이 캐시의 크기는 저장할 수 있는 마이크로 연산의 수(또는 정확히 1024의 배수)인 ''Kμops''로 나타낼 수 있다.[5]
참조
[1]
웹사이트
The microarchitecture of Intel, AMD and VIA CPUs: An optimization guide for assembly programmers and compiler makers
http://www.agner.org[...]
2014-02-19
[2]
웹사이트
Computer Organization and Architecture, Chapter 15. Control Unit Operation
http://umcs.maine.ed[...]
2010-03-16
[3]
웹사이트
The Architecture of the Nehalem Processor and Nehalem-EP SMP Platforms
http://sc.tamu.edu/s[...]
Texas A&M University
2011-03-17
[4]
웹사이트
Intel Pentium 4 1.4GHz & 1.5GHz
http://www.anandtech[...]
AnandTech
2000-11-20
[5]
서적
ISLPED'01: Proceedings of the 2001 International Symposium on Low Power Electronics and Design (IEEE Cat. No.01TH8581)
Intel
2001-08
[6]
웹인용
The microarchitecture of Intel, AMD and VIA CPUs: An optimization guide for assembly programmers and compiler makers
http://www.agner.org[...]
2014-02-19
[7]
웹인용
Computer Organization and Architecture, Chapter 15. Control Unit Operation
http://umcs.maine.ed[...]
2010-03-16
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