作者benmei99 (K1NG0DyR)
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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。
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
。
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。
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。
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。
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)
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
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※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 21:51:34
1F：推 smallreader: 熱心講解推220.142.66.69 07/23 21:51
2F：推 mrme945: 推科普，這幾天電蝦水準整個都高了不少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: 長知識125.229.187.235 07/23 22:01
5F：推 zseineo: 推 111.243.97.202 07/23 22:03
6F：推 a20556: 推 科普讚讚111.252.138.240 07/23 22:05
7F：推 CircusWorld: 感謝分享123.205.143.107 07/23 22:09
8F：推 weiber82: 感謝分享，還是用arm好惹39.15.8.227 07/23 22:13
9F：推 Pchome12H: 看到一半驚覺拉上去看ID後才繼續看完 42.72.147.146 07/23 22:15
10F：推 Alllllogo: 如果你明天有放假，能不能用個Ai生圖 39.1.34.24 07/23 22:20
11F：→ Alllllogo: 來講解....39.1.34.24 07/23 22:20
AI生圖xD? 你想看怎麼樣的圖片 文字太多難以下嚥嗎xD?
12F：推 ctes940008: 聽君一席話 36.239.215.108 07/23 22:21
13F：推 kawa0710: 推專業文106.107.215.228 07/23 22:24
14F：推 TISH12311: 你484想帶學術風向= = 111.250.6.69 07/23 22:25
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:31:16
15F：推 Yatta: 推114.43.22.65 07/23 22:29
16F：→ mayolane: 大師1.161.122.158 07/23 22:31
17F：推 Cubelia: 以前microcode大到能從dieshot看到結構111.255.28.25 07/23 22:32
18F：推 allyourshit: 看到中間一直覺得會跳出胡歌老公出來 1.34.92.164 07/23 22:33
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
19F：推 cc431015: 好文推 61.62.197.40 07/23 22:34
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/23/2024 22:38:12
20F：推 sdbb: 颱風夜優文，謝謝112.104.64.201 07/23 22:41
21F：→ labbat: 不太滿意一詞多義，雖然知道是英特爾幹法 180.177.2.153 07/23 22:47
22F：→ labbat: 然而可程式化的環節和解碼的環節要區分開 180.177.2.153 07/23 22:48
我知道你意思也確實是以Intel家為出發點寫這篇，下次改進
23F：推 cutejojocat: 先推不然等等怕被發現看不懂 36.229.202.227 07/23 22:55
24F：推 jay920314: 推 好多長知識文此風可長 1.200.57.105 07/23 22:57
25F：推 proton63: 推36.236.249.53 07/23 23:01
26F：推 yymeow: 推專業文，這幾天真的神人輩出114.25.212.97 07/23 23:02
27F：→ dos01: 剛才把科普看成抖音...我覺得今天該早點睡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是學術論壇 沒毛病 27.52.66.205 07/23 23:23
33F：→ aasssdddd: 最重要馬口怎麼應用去修正hw沒講 36.229.59.11 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
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: 對不起我只能說你講的已經比我計算機61.63.210.182 07/23 23:29
37F：→ harry886901: 組織的教授好多了 61.63.210.182 07/23 23:29
38F：推 guanting886: 樓上 幫老師上圖 42.78.155.164 07/23 23:41
39F：推 fufu8aa: 推118.161.195.122 07/23 23:58
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:17:52
40F：推 GonXiaXiao: 好文推 101.12.155.61 07/24 00:20
41F：→ Nafusica: 無聊說一下，microcode後來在開發階段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: 可以暫時寫到bios讓開發中的mb開機測試220.141.218.222 07/24 00:27
44F：→ Nafusica: 量產大貨的時候可以移除掉es的支援220.141.218.222 07/24 00:27
45F：→ Nafusica: 以前頂級玩家也會爭取mb廠先拿初期的220.141.218.222 07/24 00:28
46F：→ Nafusica: microcode來跑極限成績之類220.141.218.222 07/24 00:28
懂行的xD 沒錯 感謝補充
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:42:17
47F：推 lunaX19: 推 1.164.155.86 07/24 00:42
48F：推 sunyanwen: classic microcode是這樣,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，感謝補充，這部分忘了寫，下次改進
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 00:56:28
51F：推 lukeatlee: 推 滿有趣的解釋 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也是蠻多能寫的，CPU層級的interrupt、OS IPC層級、程式語言層級的ex
ception
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 01:04:27
53F：推 niverse: 很有趣 推個 150.117.240.33 07/24 01:12
54F：→ niverse: 拜託續集XD 150.117.240.33 07/24 01:13
55F：推 roseritter: 推 認真文 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: 推學術 喚醒死去的計算機概論的記憶 114.43.19.214 07/24 01:47
59F：推 woula: 推 很不錯，受教了XD 1.161.81.144 07/24 02:26
60F：推 as134679258: 長知識 推 114.34.72.78 07/24 02:42
61F：推 neo5277: 推個˙ 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果然是學術論壇 203.204.7.54 07/24 04:49
65F：推 kelvin0004: 死去的計結記憶在攻擊我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: 聽君一席話 知君是文組 76.82.233.154 07/24 07:38
70F：推 Dreampen: 推講解122.116.209.70 07/24 08:49
71F：推 DarkPST: 感謝科普 194.114.136.8 07/24 08:59
72F：推 Recluz: 讚讚 版上需要更多這種優質文 118.160.61.30 07/24 09:07
73F：推 greg7575: 應該不會在這版上出現胡歌老公吧。111.251.240.184 07/24 09:25
74F：推 bunjie: 推推 希望能有更多深入介紹182.155.240.233 07/24 09:39
75F：推 fanyuzeng: 推解說 61.223.31.125 07/24 09:55
76F：推 ClixTW: 推推，看了覺得很有趣 101.137.80.248 07/24 09:57
77F：推 kuroshizu21: 言簡意賅, 清楚易懂, 期待下一篇!! 114.47.72.135 07/24 10:31
78F：推 kuroshizu21: 而且這樣拋磚引玉的文章也讓板上很多114.47.72.135 07/24 10:33
79F：→ kuroshizu21: 其他的板友出來回應/補充/討論, 我個114.47.72.135 07/24 10:33
80F：→ kuroshizu21: 人覺得這樣很棒 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: 電蝦一片業代中難得的清流 123.204.10.56 07/24 10:48
84F：推 rgo: 至少能讓咱們理解下intel不是空口豪洨 223.137.12.107 07/24 10:52
85F：推 info2000: 推推，我一直以為微碼只有辨識cpu的功能36.225.52.142 07/24 11:21
86F：→ info2000: ，原來用處這麼大 36.225.52.142 07/24 11:21
87F：→ AmibaGelos: 現代microcode和當初已經差很多惹 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存進stack 實際上是loop over指36.231.132.162 07/24 11:33
90F：→ AmibaGelos: 令裡16個select bit 這部分到現在變36.231.132.162 07/24 11:33
91F：→ AmibaGelos: 成decoder內的microcode 但microcode36.231.132.162 07/24 11:33
92F：→ AmibaGelos: 更新包山包海 不論eTVB或之前spectre36.231.132.162 07/24 11:33
93F：→ AmibaGelos: meltdown改分支預測行為都和原始micr36.231.132.162 07/24 11:33
94F：→ AmibaGelos: ocode無關惹 只是當初借用名字36.231.132.162 07/24 11:33
是的，感謝補充，這部分稍嫌瑣碎就沒寫了
95F：→ labbat: 借用名字描述得真好，之前想用重載或重新180.177.2.153 07/24 11:43
96F：→ labbat: 定義的解釋效果都不太理想180.177.2.153 07/24 11:43
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 11:49:14
97F：推 jacky841224j: 實現這語意有點奇怪，應該是達成吧 49.217.60.244 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
98F：推 y865504: 推專業 1.175.220.38 07/24 12:14
99F：推 smartree: 又學了新知識了，好文推推 111.243.6.38 07/24 12:18
100F：→ shadoM: 計組科普 122.117.127.48 07/24 12:24
101F：推 nicetw20xx: 推 36.234.18.38 07/24 12:40
102F：推 kyocartoon: 推專業 跪求續集 114.36.241.219 07/24 12:45
103F：→ tomsawyer: 如果microcode能被永久放在cpu裡，那 1.200.96.190 07/24 12:58
104F：→ tomsawyer: 一定有儲存結構 但應該沒有 1.200.96.190 07/24 12:58
105F：→ tomsawyer: 所以ucode應該都是隨著os實時打上去的 1.200.96.190 07/24 13:00
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
de的讀寫都是透過Model Specific Register(MSR)
106F：推 athraugh: 希望看續集 1.160.65.242 07/24 14:17
107F：推 tw11509: 推 114.32.37.105 07/24 14:17
108F：推 jhjhs33504: 常見BIOS更新microcode是CISC架構 36.228.21.82 07/24 14:42
109F：→ jhjhs33504: RISC不確定是不是當成firmware寫入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還得先灌驅動更新才行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，漲姿勢36.236.132.146 07/24 15:05
114F：推 wk415937: 推 101.10.60.213 07/24 15:19
115F：→ cancelpc: 用知識沖淡錢臭味 118.161.221.81 07/24 16:35
※ 編輯: benmei99 (111.248.158.55 臺灣), 07/24/2024 16:35:52
116F：推 RusevDay: 先推再看 114.136.179.49 07/24 16:42
117F：推 jhjhs33504: 手機通常出廠怎樣就怎樣 也可刷機破解 36.228.21.82 07/24 17:45
118F：推 w9515: 推分享謝謝 223.140.62.60 07/24 17:48
119F：推 yymeow: 再推一下，長知識了 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: 這不算晶晶體啦，優質的中譯書籍也是這種 42.70.125.160 07/24 19:04
122F：→ ILike58: 描述。 42.70.125.160 07/24 19:04
123F：推 fantasy043: 推專業教導 辛苦了 211.23.27.67 07/24 23:14
124F：推 canandmap: 推，謝謝分享 36.228.131.46 07/25 00:07
125F：推 dowbane: 感謝分享 111.250.209.38 07/25 00:43
126F：推 timofEE: 稍微看的懂 先推著明天來仔細看 123.195.1.131 07/25 02:32
127F：推 amethystboy: 原來是商業機密 111.243.136.83 07/25 08:01
128F：推 samsonfu: 推 27.51.59.176 07/25 12:32
129F：推 doomsday0728: 推 跟上時事 36.234.204.45 07/25 14:53
130F：推 jyhfang: 推 有些詞用原文完全沒問題 中文翻譯 220.134.41.251 07/25 17:18
131F：→ jyhfang: 不一致 閱讀起來比較頭疼 220.134.41.251 07/25 17:19
132F：推 kuseang: 推推 長知識 59.120.4.4 07/25 23:03
133F：→ kaltu: 實現語境會怪是因為這也是大陸人翻英文不管 100.8.245.106 07/26 00:30
134F：→ kaltu: 語境只看字典第一個意思的結果，跟面向對向 100.8.245.106 07/26 00:30
135F：→ kaltu: 一樣的翻法 100.8.245.106 07/26 00:30
136F：→ kaltu: 我對microcode的理解就是比較簡單的就算機 100.8.245.106 07/26 00:30
137F：→ kaltu: 器碼的巨集展開器，比較複雜的就是機器碼的 100.8.245.106 07/26 00:30
138F：→ kaltu: 直譯器 100.8.245.106 07/26 00:30
139F：→ kaltu: 反正這個時代跟編譯語言直譯語言的區別已經 100.8.245.106 07/26 00:30
140F：→ kaltu: 從根本上消失了，再怎麼編譯最後產生的mach 100.8.245.106 07/26 00:30
141F：→ kaltu: ine code/binary 100.8.245.106 07/26 00:30
142F：→ kaltu: 對CPU來說也只是microcode拿來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: 原來是這樣啊 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: 把學術論壇效益發揮的淋漓盡致 36.229.38.60 07/26 12:48
149F：推 youcanfindit: 推 感謝科普 27.52.98.145 07/26 18:27