作者benmei99 (K1NG0DyR)
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标题[闲聊] Microcode科普
时间Tue Jul 23 21:50:08 2024
说是科普但就是我感冒在家无聊出来干个古、带带风向(?
比起前几天制程一知半解的文来说
这算是我的主战场，但人感冒难免有错请看官们海涵
警告：职业病的关系有些词汇我比较喜欢原文，所以看起来会是讨厌的晶晶体
1. 甚麽是Microcode
在了解为甚麽需要跟甚麽是Microcode前，先来看一下高阶语言的流程
Source code→Compiler→Machine code
Machine code里面放着很多machine language instruction(机器指令)
所谓的CISC(复杂指令集)、RISC(精简指令集)，复杂精简指的是机器指令复杂度。
CISC特点就是指令数非常多而且复杂，指令长度也不等，这和Microcode什麽关系呢?
以前设计CPU的时候都是直接硬体实现(hard-wired)，fetch、decode、execute (包含位
址计算、读取、写入等等)，都是直接用组合逻辑+状态机电路直接实现并控制的，优点是
硬体执行非常高效。但在後来CISC持续发展下，寻址(addressing)等复杂操作要完全用硬
体实现就越来越不现实也很难维护，所以Microcode就这样生出来了。
讲了那麽多，Microcode到底是什麽? 其实就是把一个指令拆解成很多个Microcode
(Micro-ops)，这些microcode是可以直接被硬体实现(执行)的，这样做降低了很多设计上
的难题和复杂度。Microcode就是一个执行的最小单位(low-level layer)。
Machine instruction执行的时候需要解码(Decode)，负责解码的单元叫做Instruction
Decode Unit(IDU)，IDU大略可以分成两部分，hardware decoding和microcode decoding
，前者就是直接硬体实现(hard-wired)一些基本指令，例如加减；後者就是负责将复杂指
令转成数个micro-ops，简单一点的可能一个micro-ops，普通3~4个左右，复杂的4个以上
。
x86在80年代後就一直有用microcode，并且Intel在发生了下面要讲的事件後开始思考能不
能透过维护microcode来达成出货後的错误修正。
2. Intel大出包
在这次的事件前，Intel出过最大的包应该就是1994年Pentium FDIV bug了，源头是FPU
的浮点除法指令，在1994年有个美国教授(是数学还是CS我忘了)，有个研究需要用电脑做
除法运算，但是他在用电脑处理除法的时候发现答案是错的，後来种种原因发现是Intel在
当时为了加速运算，把乘法表烧录在CPU上，但其中有5个输入错误。
其实在运算过程中是会自动修复，只有几个数字才会完全错误，但这位教授很幸运地遇到
了。事後统计我记得是90亿次除法才会出现一个错误，平均故障是700年才会发生一次(还
是800我也忘了)。後来事件的结果是全面召回有缺陷的CPU。
事件发生後Intel就开始思考出货後要怎麽维护硬体故障了，很明显microcode就是一个最
好的维修孔，至於实际上怎麽维修或是patch就是它们的商业机密了，但最後对使用者的方
式就是两个BIOS更新和作业系统更新。
3. 总结
Microcode是一本基本手册，利用这本手册可以实现复杂的指令(CISC)
Microcode的角色是:
A. 指令执行的最小单位
B. CPU内部硬体控制
C. CPU出货後的维修孔
Microcode其实很有趣，某种程度上RISC的诞生也有渊源，因为在1970年代中期IBM内部的
Project，他们分析了S/360还有S/370的数据得到了一个结论:Microcode的引入会导致
「执行最频繁执行的指令」时产生很大、昂贵的开销，这个结论其实就是RISC的源起和概
念。
突然想到补充一下这个Project就是IBM 801，由John Cocke主导，他是图灵奖得主也被誉
为RISC架构之父，同时也是CYK Algorithm里的C，(另外两人是Daniel Younger、嵩忠雄)
其实还有很多能讲的，为了避免过於唠叨就暂且不提，有人有兴趣的话再写
而且如果完全不知道Microcode是甚麽我想这些应该足够了xD
最近开始尝试与他人交流(?
我其实不太确定这样的文章(包含之前在板上PO的)，对於小白来说能看懂多少，我是希望
能让完全不懂的人了解到底在讲什麽东西，起码这是我在甚麽都不懂的时候，会想要得到
的知识、资讯。如果看了有点心得的人可以给我一点反馈
--
※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc), 来自: 111.248.158.55 (台湾)
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※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/23/2024 21:51:34
1F：推 smallreader: 热心讲解推220.142.66.69 07/23 21:51
2F：推 mrme945: 推科普，这几天电虾水准整个都高了不少111.71.212.153 07/23 21:54
3F：推 EraKing: 有趣文章推1.165.223.42 07/23 21:57
4F：推 cgalen1994: 长知识125.229.187.235 07/23 22:01
5F：推 zseineo: 推 111.243.97.202 07/23 22:03
6F：推 a20556: 推 科普赞赞111.252.138.240 07/23 22:05
7F：推 CircusWorld: 感谢分享123.205.143.107 07/23 22:09
8F：推 weiber82: 感谢分享，还是用arm好惹39.15.8.227 07/23 22:13
9F：推 Pchome12H: 看到一半惊觉拉上去看ID後才继续看完 42.72.147.146 07/23 22:15
10F：推 Alllllogo: 如果你明天有放假，能不能用个Ai生图 39.1.34.24 07/23 22:20
11F：→ Alllllogo: 来讲解....39.1.34.24 07/23 22:20
AI生图xD? 你想看怎麽样的图片 文字太多难以下咽吗xD?
12F：推 ctes940008: 听君一席话 36.239.215.108 07/23 22:21
13F：推 kawa0710: 推专业文106.107.215.228 07/23 22:24
14F：推 TISH12311: 你484想带学术风向= = 111.250.6.69 07/23 22:25
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/23/2024 22:31:16
15F：推 Yatta: 推114.43.22.65 07/23 22:29
16F：→ mayolane: 大师1.161.122.158 07/23 22:31
17F：推 Cubelia: 以前microcode大到能从dieshot看到结构111.255.28.25 07/23 22:32
18F：推 allyourshit: 看到中间一直觉得会跳出胡歌老公出来 1.34.92.164 07/23 22:33
阿月是不是很久没发文了阿，好像很久没看到了xD
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/23/2024 22:36:00
19F：推 cc431015: 好文推 61.62.197.40 07/23 22:34
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/23/2024 22:38:12
20F：推 sdbb: 台风夜优文，谢谢112.104.64.201 07/23 22:41
21F：→ labbat: 不太满意一词多义，虽然知道是英特尔干法 180.177.2.153 07/23 22:47
22F：→ labbat: 然而可程式化的环节和解码的环节要区分开 180.177.2.153 07/23 22:48
我知道你意思也确实是以Intel家为出发点写这篇，下次改进
23F：推 cutejojocat: 先推不然等等怕被发现看不懂 36.229.202.227 07/23 22:55
24F：推 jay920314: 推 好多长知识文此风可长 1.200.57.105 07/23 22:57
25F：推 proton63: 推36.236.249.53 07/23 23:01
26F：推 yymeow: 推专业文，这几天真的神人辈出114.25.212.97 07/23 23:02
27F：→ dos01: 刚才把科普看成抖音...我觉得今天该早点睡182.155.78.98 07/23 23:02
28F：推 dogluckyno1: 推推36.238.158.130 07/23 23:04
29F：推 chibon1992: 推101.12.16.19 07/23 23:05
30F：推 weimr: 推 61.224.136.251 07/23 23:05
31F：推 cliff2001: 推 223.140.43.33 07/23 23:13
32F：推 E7lijah: ptt是学术论坛 没毛病 27.52.66.205 07/23 23:23
33F：→ aasssdddd: 最重要马口怎麽应用去修正hw没讲 36.229.59.11 07/23 23:23
具体修正的细节是商业机密，我要是知道的话就不会在这边惹
34F：推 se2104: 推 122.55.34.138 07/23 23:26
35F：推 andy188: 推27.51.42.113 07/23 23:27
36F：推 harry886901: 对不起我只能说你讲的已经比我计算机61.63.210.182 07/23 23:29
37F：→ harry886901: 组织的教授好多了 61.63.210.182 07/23 23:29
38F：推 guanting886: 楼上 帮老师上图 42.78.155.164 07/23 23:41
39F：推 fufu8aa: 推118.161.195.122 07/23 23:58
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 00:17:52
40F：推 GonXiaXiao: 好文推 101.12.155.61 07/24 00:20
41F：→ Nafusica: 无聊说一下，microcode後来在开发阶段220.141.218.222 07/24 00:26
42F：→ Nafusica: 可以做很多有用的事情 像是early sample220.141.218.222 07/24 00:27
43F：→ Nafusica: 可以暂时写到bios让开发中的mb开机测试220.141.218.222 07/24 00:27
44F：→ Nafusica: 量产大货的时候可以移除掉es的支援220.141.218.222 07/24 00:27
45F：→ Nafusica: 以前顶级玩家也会争取mb厂先拿初期的220.141.218.222 07/24 00:28
46F：→ Nafusica: microcode来跑极限成绩之类220.141.218.222 07/24 00:28
懂行的xD 没错 感谢补充
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 00:42:17
47F：推 lunaX19: 推 1.164.155.86 07/24 00:42
48F：推 sunyanwen: classic microcode是这样,modern "micr 132.226.0.200 07/24 00:44
49F：→ sunyanwen: ocode"包含更多,像CPU的PCU Firmware就132.226.0.200 07/24 00:44
50F：→ sunyanwen: 管理turbo,frequency,vid,power等 132.226.0.200 07/24 00:44
是的，感谢补充，这部分忘了写，下次改进
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 00:56:28
51F：推 lukeatlee: 推 满有趣的解释 也好奇Error hand 123.50.45.219 07/24 00:56
52F：→ lukeatlee: ling原理（逃 123.50.45.219 07/24 00:56
Error handling也是蛮多能写的，CPU层级的interrupt、OS IPC层级、程式语言层级的ex
ception
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 01:04:27
53F：推 niverse: 很有趣 推个 150.117.240.33 07/24 01:12
54F：→ niverse: 拜托续集XD 150.117.240.33 07/24 01:13
55F：推 roseritter: 推 认真文 111.254.72.165 07/24 01:19
56F：推 y7moremore: 看不懂也推 49.216.25.135 07/24 01:27
57F：推 z1357961: 推科普 165.91.13.20 07/24 01:42
58F：推 fate201: 推学术 唤醒死去的计算机概论的记忆 114.43.19.214 07/24 01:47
59F：推 woula: 推 很不错，受教了XD 1.161.81.144 07/24 02:26
60F：推 as134679258: 长知识 推 114.34.72.78 07/24 02:42
61F：推 neo5277: 推个˙ 1.162.145.171 07/24 03:16
62F：推 justicebb: 推科普 很好睡123.110.195.144 07/24 03:35
63F：推 moocow: 推 114.32.252.42 07/24 03:56
64F：推 ShibaTatsuya: 推 PTT果然是学术论坛 203.204.7.54 07/24 04:49
65F：推 kelvin0004: 死去的计结记忆在攻击我219.70.139.149 07/24 05:28
66F：推 xxxx9999xxxx: 推。 1.172.175.87 07/24 05:53
67F：推 iorittn: 推223.138.121.71 07/24 06:42
68F：推 DivineSX: 推推114.40.135.239 07/24 06:45
69F：→ bhmagic: 听君一席话 知君是文组 76.82.233.154 07/24 07:38
70F：推 Dreampen: 推讲解122.116.209.70 07/24 08:49
71F：推 DarkPST: 感谢科普 194.114.136.8 07/24 08:59
72F：推 Recluz: 赞赞 版上需要更多这种优质文 118.160.61.30 07/24 09:07
73F：推 greg7575: 应该不会在这版上出现胡歌老公吧。111.251.240.184 07/24 09:25
74F：推 bunjie: 推推 希望能有更多深入介绍182.155.240.233 07/24 09:39
75F：推 fanyuzeng: 推解说 61.223.31.125 07/24 09:55
76F：推 ClixTW: 推推，看了觉得很有趣 101.137.80.248 07/24 09:57
77F：推 kuroshizu21: 言简意赅, 清楚易懂, 期待下一篇!! 114.47.72.135 07/24 10:31
78F：推 kuroshizu21: 而且这样抛砖引玉的文章也让板上很多114.47.72.135 07/24 10:33
79F：→ kuroshizu21: 其他的板友出来回应/补充/讨论, 我个114.47.72.135 07/24 10:33
80F：→ kuroshizu21: 人觉得这样很棒 114.47.72.135 07/24 10:34
81F：推 ufoufoufo: 推118.161.202.100 07/24 10:40
82F：推 Fortis931: 小白狂喜 223.138.92.121 07/24 10:41
83F：推 andy6805: 电虾一片业代中难得的清流 123.204.10.56 07/24 10:48
84F：推 rgo: 至少能让咱们理解下intel不是空口豪洨 223.137.12.107 07/24 10:52
85F：推 info2000: 推推，我一直以为微码只有辨识cpu的功能36.225.52.142 07/24 11:21
86F：→ info2000: ，原来用处这麽大 36.225.52.142 07/24 11:21
87F：→ AmibaGelos: 现代microcode和当初已经差很多惹 早36.231.132.162 07/24 11:33
88F：→ AmibaGelos: 期指state machine 如arm push能挑哪36.231.132.162 07/24 11:33
89F：→ AmibaGelos: 些reg存进stack 实际上是loop over指36.231.132.162 07/24 11:33
90F：→ AmibaGelos: 令里16个select bit 这部分到现在变36.231.132.162 07/24 11:33
91F：→ AmibaGelos: 成decoder内的microcode 但microcode36.231.132.162 07/24 11:33
92F：→ AmibaGelos: 更新包山包海 不论eTVB或之前spectre36.231.132.162 07/24 11:33
93F：→ AmibaGelos: meltdown改分支预测行为都和原始micr36.231.132.162 07/24 11:33
94F：→ AmibaGelos: ocode无关惹 只是当初借用名字36.231.132.162 07/24 11:33
是的，感谢补充，这部分稍嫌琐碎就没写了
95F：→ labbat: 借用名字描述得真好，之前想用重载或重新180.177.2.153 07/24 11:43
96F：→ labbat: 定义的解释效果都不太理想180.177.2.153 07/24 11:43
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 11:49:14
97F：推 jacky841224j: 实现这语意有点奇怪，应该是达成吧 49.217.60.244 07/24 11:54
一般情况下我会讲implement xD
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 11:57:53
98F：推 y865504: 推专业 1.175.220.38 07/24 12:14
99F：推 smartree: 又学了新知识了，好文推推 111.243.6.38 07/24 12:18
100F：→ shadoM: 计组科普 122.117.127.48 07/24 12:24
101F：推 nicetw20xx: 推 36.234.18.38 07/24 12:40
102F：推 kyocartoon: 推专业 跪求续集 114.36.241.219 07/24 12:45
103F：→ tomsawyer: 如果microcode能被永久放在cpu里，那 1.200.96.190 07/24 12:58
104F：→ tomsawyer: 一定有储存结构 但应该没有 1.200.96.190 07/24 12:58
105F：→ tomsawyer: 所以ucode应该都是随着os实时打上去的 1.200.96.190 07/24 13:00
其实是有的喔，有一块ROM跟RAM，RAM是用来帮那块ROM patch的。以Intel来说目前Microco
de的读写都是透过Model Specific Register(MSR)
106F：推 athraugh: 希望看续集 1.160.65.242 07/24 14:17
107F：推 tw11509: 推 114.32.37.105 07/24 14:17
108F：推 jhjhs33504: 常见BIOS更新microcode是CISC架构 36.228.21.82 07/24 14:42
109F：→ jhjhs33504: RISC不确定是不是当成firmware写入O 36.228.21.82 07/24 14:45
110F：→ jhjhs33504: S image 36.228.21.82 07/24 14:45
111F：→ jhjhs33504: 早期灌OS还得先灌驱动更新才行36.228.21.82 07/24 14:47
112F：推 et84121: 推推 123.194.160.27 07/24 14:55
113F：推 cmshow: 推，涨姿势36.236.132.146 07/24 15:05
114F：推 wk415937: 推 101.10.60.213 07/24 15:19
115F：→ cancelpc: 用知识冲淡钱臭味 118.161.221.81 07/24 16:35
※ 编辑: benmei99 (111.248.158.55 台湾), 07/24/2024 16:35:52
116F：推 RusevDay: 先推再看 114.136.179.49 07/24 16:42
117F：推 jhjhs33504: 手机通常出厂怎样就怎样 也可刷机破解 36.228.21.82 07/24 17:45
118F：推 w9515: 推分享谢谢 223.140.62.60 07/24 17:48
119F：推 yymeow: 再推一下，长知识了 114.25.212.97 07/24 17:52
120F：推 Tenshi3028: 好文推推 220.133.91.47 07/24 18:11
121F：→ ILike58: 这不算晶晶体啦，优质的中译书籍也是这种 42.70.125.160 07/24 19:04
122F：→ ILike58: 描述。 42.70.125.160 07/24 19:04
123F：推 fantasy043: 推专业教导 辛苦了 211.23.27.67 07/24 23:14
124F：推 canandmap: 推，谢谢分享 36.228.131.46 07/25 00:07
125F：推 dowbane: 感谢分享 111.250.209.38 07/25 00:43
126F：推 timofEE: 稍微看的懂 先推着明天来仔细看 123.195.1.131 07/25 02:32
127F：推 amethystboy: 原来是商业机密 111.243.136.83 07/25 08:01
128F：推 samsonfu: 推 27.51.59.176 07/25 12:32
129F：推 doomsday0728: 推 跟上时事 36.234.204.45 07/25 14:53
130F：推 jyhfang: 推 有些词用原文完全没问题 中文翻译 220.134.41.251 07/25 17:18
131F：→ jyhfang: 不一致 阅读起来比较头疼 220.134.41.251 07/25 17:19
132F：推 kuseang: 推推 长知识 59.120.4.4 07/25 23:03
133F：→ kaltu: 实现语境会怪是因为这也是大陆人翻英文不管 100.8.245.106 07/26 00:30
134F：→ kaltu: 语境只看字典第一个意思的结果，跟面向对向 100.8.245.106 07/26 00:30
135F：→ kaltu: 一样的翻法 100.8.245.106 07/26 00:30
136F：→ kaltu: 我对microcode的理解就是比较简单的就算机 100.8.245.106 07/26 00:30
137F：→ kaltu: 器码的巨集展开器，比较复杂的就是机器码的 100.8.245.106 07/26 00:30
138F：→ kaltu: 直译器 100.8.245.106 07/26 00:30
139F：→ kaltu: 反正这个时代跟编译语言直译语言的区别已经 100.8.245.106 07/26 00:30
140F：→ kaltu: 从根本上消失了，再怎麽编译最後产生的mach 100.8.245.106 07/26 00:30
141F：→ kaltu: ine code/binary 100.8.245.106 07/26 00:30
142F：→ kaltu: 对CPU来说也只是microcode拿来interpret的b 100.8.245.106 07/26 00:30
143F：→ kaltu: ytecode而已 100.8.245.106 07/26 00:30
144F：推 a8785007: 原来是这样啊 39.9.66.201 07/26 03:02
145F：推 SilverFox: 推 101.10.6.251 07/26 07:22
146F：推 tgenie: 堆 60.248.16.189 07/26 07:55
147F：推 skyrain1234: 推 49.217.62.205 07/26 09:06
148F：推 ak478998: 把学术论坛效益发挥的淋漓尽致 36.229.38.60 07/26 12:48
149F：推 youcanfindit: 推 感谢科普 27.52.98.145 07/26 18:27