※ 本文轉寄自 ptt.cc 更新時間: 2024-07-24 18:09:34
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作者 標題 [閒聊] Microcode科普
時間 Tue Jul 23 21:50:08 2024
說是科普但就是我感冒在家無聊出來幹個古、帶帶風向(?
比起前幾天製程一知半解的文來說
這算是我的主戰場，但人感冒難免有錯請看官們海涵
警告：職業病的關係有些詞彙我比較喜歡原文，所以看起來會是討厭的晶晶體
1. 甚麼是Microcode
在了解為甚麼需要跟甚麼是Microcode前，先來看一下高階語言的流程
Source code→Compiler→Machine code
Machine code裡面放著很多machine language instruction(機器指令)
所謂的CISC(複雜指令集)、RISC(精簡指令集)，複雜精簡指的是機器指令複雜度。
CISC特點就是指令數非常多而且複雜，指令長度也不等，這和Microcode什麼關係呢?
以前設計CPU的時候都是直接硬體實現(hard-wired)，fetch、decode、execute (包含位
址計算、讀取、寫入等等)，都是直接用組合邏輯+狀態機電路直接實現並控制的，優點是
硬體執行非常高效。但在後來CISC持續發展下，尋址(addressing)等複雜操作要完全用硬
體實現就越來越不現實也很難維護，所以Microcode就這樣生出來了。
址計算、讀取、寫入等等)，都是直接用組合邏輯+狀態機電路直接實現並控制的，優點是
硬體執行非常高效。但在後來CISC持續發展下，尋址(addressing)等複雜操作要完全用硬
體實現就越來越不現實也很難維護，所以Microcode就這樣生出來了。
講了那麼多，Microcode到底是什麼? 其實就是把一個指令拆解成很多個Microcode
(Micro-ops)，這些microcode是可以直接被硬體實現(執行)的，這樣做降低了很多設計上
的難題和複雜度。Microcode就是一個執行的最小單位(low-level layer)。
Machine instruction執行的時候需要解碼(Decode)，負責解碼的單元叫做Instruction
Decode Unit(IDU)，IDU大略可以分成兩部分，hardware decoding和microcode decoding
，前者就是直接硬體實現(hard-wired)一些基本指令，例如加減；後者就是負責將複雜指
令轉成數個micro-ops，簡單一點的可能一個micro-ops，普通3~4個左右，複雜的4個以上
。
令轉成數個micro-ops，簡單一點的可能一個micro-ops，普通3~4個左右，複雜的4個以上
。
x86在80年代後就一直有用microcode，並且Intel在發生了下面要講的事件後開始思考能不
能透過維護microcode來達成出貨後的錯誤修正。
2. Intel大出包
在這次的事件前，Intel出過最大的包應該就是1994年Pentium FDIV bug了，源頭是FPU
的浮點除法指令，在1994年有個美國教授(是數學還是CS我忘了)，有個研究需要用電腦做
除法運算，但是他在用電腦處理除法的時候發現答案是錯的，後來種種原因發現是Intel在
當時為了加速運算，把乘法表燒錄在CPU上，但其中有5個輸入錯誤。
的浮點除法指令，在1994年有個美國教授(是數學還是CS我忘了)，有個研究需要用電腦做
除法運算，但是他在用電腦處理除法的時候發現答案是錯的，後來種種原因發現是Intel在
當時為了加速運算，把乘法表燒錄在CPU上，但其中有5個輸入錯誤。
其實在運算過程中是會自動修復，只有幾個數字才會完全錯誤，但這位教授很幸運地遇到
了。事後統計我記得是90億次除法才會出現一個錯誤，平均故障是700年才會發生一次(還
是800我也忘了)。後來事件的結果是全面召回有缺陷的CPU。
了。事後統計我記得是90億次除法才會出現一個錯誤，平均故障是700年才會發生一次(還
是800我也忘了)。後來事件的結果是全面召回有缺陷的CPU。
事件發生後Intel就開始思考出貨後要怎麼維護硬體故障了，很明顯microcode就是一個最
好的維修孔，至於實際上怎麼維修或是patch就是它們的商業機密了，但最後對使用者的方
式就是兩個BIOS更新和作業系統更新。
好的維修孔，至於實際上怎麼維修或是patch就是它們的商業機密了，但最後對使用者的方
式就是兩個BIOS更新和作業系統更新。
3. 總結
Microcode是一本基本手冊，利用這本手冊可以實現複雜的指令(CISC)
Microcode的角色是:
A. 指令執行的最小單位
B. CPU內部硬體控制
C. CPU出貨後的維修孔
Microcode其實很有趣，某種程度上RISC的誕生也有淵源，因為在1970年代中期IBM內部的
Project，他們分析了S/360還有S/370的數據得到了一個結論:Microcode的引入會導致
「執行最頻繁執行的指令」時產生很大、昂貴的開銷，這個結論其實就是RISC的源起和概
念。
突然想到補充一下這個Project就是IBM 801，由John Cocke主導，他是圖靈獎得主也被譽
為RISC架構之父，同時也是CYK Algorithm裡的C，(另外兩人是Daniel Younger、嵩忠雄)
為RISC架構之父，同時也是CYK Algorithm裡的C，(另外兩人是Daniel Younger、嵩忠雄)
其實還有很多能講的，為了避免過於嘮叨就暫且不提，有人有興趣的話再寫
而且如果完全不知道Microcode是甚麼我想這些應該足夠了xD
最近開始嘗試與他人交流(?
我其實不太確定這樣的文章(包含之前在板上PO的)，對於小白來說能看懂多少，我是希望
能讓完全不懂的人了解到底在講什麼東西，起碼這是我在甚麼都不懂的時候，會想要得到
的知識、資訊。如果看了有點心得的人可以給我一點反饋
能讓完全不懂的人了解到底在講什麼東西，起碼這是我在甚麼都不懂的時候，會想要得到
的知識、資訊。如果看了有點心得的人可以給我一點反饋
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.248.158.55 (臺灣)
※ 作者: benmei99 2024-07-23 21:50:08
※ 文章代碼(AID): #1cdxKL90 (PC_Shopping)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1721742613.A.240.html
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 21:51:34
阿月是不是很久沒發文了阿，好像很久沒看到了xD
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:36:00
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:42:17
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:56:28
ception
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 01:04:27
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 11:57:53
de的讀寫都是透過Model Specific Register(MSR)
--
推 : 熱心講解推1F 220.142.66.69 台灣 07/23 21:51
推 : 推科普，這幾天電蝦水準整個都高了不少2F 111.71.212.153 台灣 07/23 21:54
推 : 有趣文章推3F 1.165.223.42 台灣 07/23 21:57
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推 : 感謝分享，還是用arm好惹8F 39.15.8.227 台灣 07/23 22:13
推 : 看到一半驚覺拉上去看ID後才繼續看完9F 42.72.147.146 台灣 07/23 22:15
推 : 如果你明天有放假，能不能用個Ai生圖10F 39.1.34.24 台灣 07/23 22:20
→ : 來講解....
AI生圖xD? 你想看怎麼樣的圖片 文字太多難以下嚥嗎xD?→ : 來講解....
推 : 聽君一席話12F 36.239.215.108 台灣 07/23 22:21
推 : 推專業文13F 106.107.215.228 台灣 07/23 22:24
推 : 你484想帶學術風向= =14F 111.250.6.69 台灣 07/23 22:25
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:31:16推 : 推15F 114.43.22.65 台灣 07/23 22:29
→ : 大師16F 1.161.122.158 台灣 07/23 22:31
推 : 以前microcode大到能從dieshot看到結構17F 111.255.28.25 台灣 07/23 22:32
→ allyourshit …
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:36:00
推 : 好文推19F 61.62.197.40 台灣 07/23 22:34
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:38:12推 : 颱風夜優文，謝謝20F 112.104.64.201 台灣 07/23 22:41
→ : 不太滿意一詞多義，雖然知道是英特爾幹法21F 180.177.2.153 台灣 07/23 22:47
→ : 然而可程式化的環節和解碼的環節要區分開
我知道你意思也確實是以Intel家為出發點寫這篇，下次改進→ : 然而可程式化的環節和解碼的環節要區分開
推 : 先推不然等等怕被發現看不懂23F 36.229.202.227 台灣 07/23 22:55
推 : 推 好多長知識文此風可長24F 1.200.57.105 台灣 07/23 22:57
推 : 推25F 36.236.249.53 台灣 07/23 23:01
推 : 推專業文，這幾天真的神人輩出26F 114.25.212.97 台灣 07/23 23:02
→ : 剛才把科普看成抖音...我覺得今天該早點睡27F 182.155.78.98 台灣 07/23 23:02
推 : 推推28F 36.238.158.130 台灣 07/23 23:04
推 : 推29F 101.12.16.19 台灣 07/23 23:05
推 : 推30F 61.224.136.251 台灣 07/23 23:05
推 : 推31F 223.140.43.33 台灣 07/23 23:13
推 : ptt是學術論壇 沒毛病32F 27.52.66.205 台灣 07/23 23:23
→ : 最重要馬口怎麼應用去修正hw沒講33F 36.229.59.11 台灣 07/23 23:23
具體修正的細節是商業機密，我要是知道的話就不會在這邊惹推 : 推34F 122.55.34.138 菲律賓 07/23 23:26
推 : 推35F 27.51.42.113 台灣 07/23 23:27
推 : 對不起我只能說你講的已經比我計算機36F 61.63.210.182 台灣 07/23 23:29
→ : 組織的教授好多了
→ : 組織的教授好多了
推 : 樓上 幫老師上圖38F 42.78.155.164 台灣 07/23 23:41
推 : 推39F 118.161.195.122 台灣 07/23 23:58
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:17:52推 : 好文推40F 101.12.155.61 台灣 07/24 00:20
→ : 無聊說一下，microcode後來在開發階段41F 220.141.218.222 台灣 07/24 00:26
→ : 可以做很多有用的事情 像是early sample
→ : 可以暫時寫到bios讓開發中的mb開機測試
→ : 量產大貨的時候可以移除掉es的支援
→ : 以前頂級玩家也會爭取mb廠先拿初期的
→ : microcode來跑極限成績之類
懂行的xD 沒錯 感謝補充→ : 可以做很多有用的事情 像是early sample
→ : 可以暫時寫到bios讓開發中的mb開機測試
→ : 量產大貨的時候可以移除掉es的支援
→ : 以前頂級玩家也會爭取mb廠先拿初期的
→ : microcode來跑極限成績之類
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:42:17
推 : 推47F 1.164.155.86 台灣 07/24 00:42
推 : classic microcode是這樣,modern "micr48F 132.226.0.200 日本 07/24 00:44
→ : ocode"包含更多,像CPU的PCU Firmware就
→ : 管理turbo,frequency,vid,power等
是的，感謝補充，這部分忘了寫，下次改進→ : ocode"包含更多,像CPU的PCU Firmware就
→ : 管理turbo,frequency,vid,power等
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:56:28
推 : 推 滿有趣的解釋 也好奇Error hand51F 123.50.45.219 台灣 07/24 00:56
→ : ling原理（逃
Error handling也是蠻多能寫的，CPU層級的interrupt、OS IPC層級、程式語言層級的ex→ : ling原理（逃
ception
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 01:04:27
推 : 很有趣 推個53F 150.117.240.33 台灣 07/24 01:12
→ : 拜託續集XD
→ : 拜託續集XD
推 : 推 認真文55F 111.254.72.165 台灣 07/24 01:19
推 : 看不懂也推56F 49.216.25.135 台灣 07/24 01:27
推 : 推科普57F 165.91.13.20 美國 07/24 01:42
推 : 推學術 喚醒死去的計算機概論的記憶58F 114.43.19.214 台灣 07/24 01:47
推 : 推 很不錯，受教了XD59F 1.161.81.144 台灣 07/24 02:26
推 : 長知識 推60F 114.34.72.78 台灣 07/24 02:42
推 : 推個˙61F 1.162.145.171 台灣 07/24 03:16
推 : 推科普 很好睡62F 123.110.195.144 台灣 07/24 03:35
推 : 推63F 114.32.252.42 台灣 07/24 03:56
推 : 推 PTT果然是學術論壇64F 203.204.7.54 台灣 07/24 04:49
推 : 死去的計結記憶在攻擊我65F 219.70.139.149 台灣 07/24 05:28
推 : 推。66F 1.172.175.87 台灣 07/24 05:53
推 : 推67F 223.138.121.71 台灣 07/24 06:42
推 : 推推68F 114.40.135.239 台灣 07/24 06:45
→ : 聽君一席話 知君是文組69F 76.82.233.154 美國 07/24 07:38
推 : 推講解70F 122.116.209.70 台灣 07/24 08:49
推 : 感謝科普71F 194.114.136.8 日本 07/24 08:59
推 : 讚讚 版上需要更多這種優質文72F 118.160.61.30 台灣 07/24 09:07
推 : 應該不會在這版上出現胡歌老公吧。73F 111.251.240.184 台灣 07/24 09:25
推 : 推推 希望能有更多深入介紹74F 182.155.240.233 台灣 07/24 09:39
推 : 推解說75F 61.223.31.125 台灣 07/24 09:55
推 : 推推，看了覺得很有趣76F 101.137.80.248 台灣 07/24 09:57
推 : 言簡意賅, 清楚易懂, 期待下一篇!!77F 114.47.72.135 台灣 07/24 10:31
推 : 而且這樣拋磚引玉的文章也讓板上很多
→ : 其他的板友出來回應/補充/討論, 我個
→ : 人覺得這樣很棒
推 : 而且這樣拋磚引玉的文章也讓板上很多
→ : 其他的板友出來回應/補充/討論, 我個
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推 : 推81F 118.161.202.100 台灣 07/24 10:40
推 : 小白狂喜82F 223.138.92.121 台灣 07/24 10:41
推 : 電蝦一片業代中難得的清流83F 123.204.10.56 台灣 07/24 10:48
推 : 至少能讓咱們理解下intel不是空口豪洨84F 223.137.12.107 台灣 07/24 10:52
推 : 推推，我一直以為微碼只有辨識cpu的功能85F 36.225.52.142 台灣 07/24 11:21
→ : ，原來用處這麼大
→ : ，原來用處這麼大
→ : 現代microcode和當初已經差很多惹 早87F 36.231.132.162 台灣 07/24 11:33
→ : 期指state machine 如arm push能挑哪
→ : 些reg存進stack 實際上是loop over指
→ : 令裡16個select bit 這部分到現在變
→ : 成decoder內的microcode 但microcode
→ : 更新包山包海 不論eTVB或之前spectre
→ : meltdown改分支預測行為都和原始micr
→ : ocode無關惹 只是當初借用名字
是的，感謝補充，這部分稍嫌瑣碎就沒寫了→ : 期指state machine 如arm push能挑哪
→ : 些reg存進stack 實際上是loop over指
→ : 令裡16個select bit 這部分到現在變
→ : 成decoder內的microcode 但microcode
→ : 更新包山包海 不論eTVB或之前spectre
→ : meltdown改分支預測行為都和原始micr
→ : ocode無關惹 只是當初借用名字
→ : 借用名字描述得真好，之前想用重載或重新95F 180.177.2.153 台灣 07/24 11:43
→ : 定義的解釋效果都不太理想
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 11:49:14→ : 定義的解釋效果都不太理想
推 : 實現這語意有點奇怪，應該是達成吧97F 49.217.60.244 台灣 07/24 11:54
一般情況下我會講implement xD※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 11:57:53
推 : 推專業98F 1.175.220.38 台灣 07/24 12:14
推 : 又學了新知識了，好文推推99F 111.243.6.38 台灣 07/24 12:18
→ : 計組科普100F 122.117.127.48 台灣 07/24 12:24
推 : 推101F 36.234.18.38 台灣 07/24 12:40
推 : 推專業 跪求續集102F 114.36.241.219 台灣 07/24 12:45
→ : 如果microcode能被永久放在cpu裡，那103F 1.200.96.190 台灣 07/24 12:58
→ : 一定有儲存結構 但應該沒有
→ : 所以ucode應該都是隨著os實時打上去的
其實是有的喔，有一塊ROM跟RAM，RAM是用來幫那塊ROM patch的。以Intel來說目前Microco→ : 一定有儲存結構 但應該沒有
→ : 所以ucode應該都是隨著os實時打上去的
de的讀寫都是透過Model Specific Register(MSR)
推 : 希望看續集106F 1.160.65.242 台灣 07/24 14:17
推 : 推107F 114.32.37.105 台灣 07/24 14:17
推 : 常見BIOS更新microcode是CISC架構108F 36.228.21.82 台灣 07/24 14:42
→ : RISC不確定是不是當成firmware寫入O
→ : S image
→ : 早期灌OS還得先灌驅動更新才行
→ : RISC不確定是不是當成firmware寫入O
→ : S image
→ : 早期灌OS還得先灌驅動更新才行
推 : 推推112F 123.194.160.27 台灣 07/24 14:55
推 : 推，漲姿勢113F 36.236.132.146 台灣 07/24 15:05
推 : 推114F 101.10.60.213 台灣 07/24 15:19
→ : 用知識沖淡錢臭味115F 118.161.221.81 台灣 07/24 16:35
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 16:35:52推 : 先推再看116F 114.136.179.49 台灣 07/24 16:42
推 : 手機通常出廠怎樣就怎樣 也可刷機破解117F 36.228.21.82 台灣 07/24 17:45
推 : 推分享謝謝118F 223.140.62.60 台灣 07/24 17:48
推 : 再推一下，長知識了119F 114.25.212.97 台灣 07/24 17:52
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