mikroarkkitehtuureissa

Mikroarkkitehtuuri on prosessorin arkkitehtuurin osa, joka kuvaa, miten suorittamislogiikka sekä muistinhallinta käytännössä toteutetaan samalla, kun käytetty ohjelmointikäskyset (ISA) säilyy samana. Eri mikroarkkitehtuurit voivat toteuttaa saman ISA:n eri tavoin, mikä johtaa erilaiseen suorituskykyyn, tehonkulutukseen ja tilantarpeeseen. Mikroarkkitehtuurin suunnittelussa keskitytään toteutuksen tehokkuuteen, valmistustekniikkaan ja käytettävissä olevaan tilaan sekä sähköenergiaan.

Keskeiset komponentit ja toimintaperiaatteet

Mikroarkkitehtuuri sisältää ohjauslogiikan, prosessorin putkiston (pipeline) sekä rekisterit ja laskentayksiköt, kuten ALUn ja mahdollisen kellanlaskennan yksiköt (FPU). Muistiväylien ja välimuistien, kuten L1- ja L2-välimuistien, rooli on keskeinen: ne organisoivat tiedon siirtämisen nopeasti prosessorin ja muistien välillä. Mikroarkkitehtuuriin kuuluvat myös ennakkoviittaukset (branch prediction), spekulatiivinen suoritus ja ulkoisen järjestelmän tiedonkulkua nopeuttavat tekniikat. Monissa nykyaikaisissa prosessoreissa on superskalaari- ja mahdollisesti out-of-order -suoritus sekä SIMD- tai vector-arkkitehtuureja.

Välinen ja taipumukset

Mikroarkkitehtuuri nähdään usein rinnakkain ISA:n kanssa: sama käsky voi kiertää eri tavoin riippuen toteutuksesta. Esimerkkejä ovat Intelin Core- ja AMD:n Zen -perhe sekä ARM:n Cortex-sarjan ratkaisut, jotka käyttävät erilaisia putkistoja, välimuisteja ja ennusteita saavuttaakseen parempaa suorituskykyä tai pienempää tehovuotaa.

Suunnittelun tavoitteet ja haasteet

Mikroarkkitehtuurin tavoitteena on maksimoida suorituskyky ottaen huomioon tehonkulutus ja piirikokoa. Tämä johtaa kompromisseihin: syvä putkisto voi lisätä suorituskykyä, mutta kasvattaa viivettä ja virityksen monimutkaisuutta. Moniydin- ja monikerroksiset muistijärjestelmät sekä energiatehokkuuden hallinta ovat keskeisiä osa-alueita modernissa mikroarkkitehtuurissa.