Czym są i jaką rolę spełniają mikrokody w procesorze

Witam

Pytanie chciałbym skierować między innymi do @Gynvael Coldwind gdyż poruszyłeś temat mikrokodów na swojej prelekcji "Programowanie a hacking".

Zainstalowałem sobie GNU/Linux Mint 18 Cinnamon tylko tym razem bez własnościowego oprogramowania.
Zaglądając do menadżera sterowników moim oczom ukazał się taki widok

Chce zadać kilka pytań odnośnie tych mikrokodów i dwukrotnie podkreślić że znam bardzo ogólną zasadę działania procesora a asemblera to już w ogóle więc momentami mogę coś chrzanić od rzeczy.

1. Czym właściwie są mikrokody?

Wikipedia angielska podaje:

the microcode is a layer of hardware-level instructions that implement higher-level machine code instructions or internal state machine sequencing in many digital processing elements.

Jak się domyślam mikrokody to taki firmware dla CPU który w pewnym stopniu modyfikuje zachowanie procesora
Nie wiem czy dobrze rozumiem powyższa definicję.
Mikrokody są zbiorem instrukcji procesora bezpośrednio na niego wpływających a instrukcje maszynowe są jakby zaimplementowane za ich pomocą ?

1. **Kiedy mikroukłady są "ładowane" ? **

Na zdrowy rozum skoro mogę sobie "nie używać tego urządzenia" to oznacza że instalacja mikrokodów nie wpływa trwale na procesor czyli **mikrokody są ładowane przez jadro systemu operacyjnego podczas uruchamiania komputera **i operacje należy powtarzać po każdym twardym resecie. Dobrze piszę ?

1. Rola mikrokodów czyli co one właściwie robią ?

Oczywiście wiem że konkretnej odpowiedzi nie uzyskam gdyż mamy wiele producentów, rodzin, architektur i modeli procesorów a (dla bezpieczeństwa ) mikrokody są rozprowadzane w formie nie jawnej poza wszelką kontrolą a ich działanie nie jest udokumentowane w żaden sposób (nie licząc sposobu ich instalacji ) jednak czy rezygnacja z mikrokodów w jakimś stopniu upośledza mój procesor.
Czy to znaczy że cześć zaawansowanych technologi (na przykład Intelowskich) **nie działa **?
Pytam gdyż jak widać na załączonym obrazku nie używam tych mikrokodów a nie zauważyłem (na ten moment) wolniejszego działania komputera.

4)** Czemu układy są tajne ?**

Dlaczego Intel (AMD pewnie też) szyfruje, podpisuje i wyrzuca klucz do tych mikrokodów :)
Domyślam się że jednym z powodów może być to że jest to zabezpieczenie przed niedzielnymi c_h^A_K^E_R^A_M^I którzy dobierali by się do nieszyfrowanych mikrokodów i psuli procki - lecz zwróćmy uwagę że tylko do najbliższego restartu - uważam że szyfrowane (o ile nie ma na celu ukrycia tylnych drzwi dla Narodowej Agencji Bezpieczeństwa Stanów Zjednoczonych ) jest niepotrzebne bo i na tych hakerów znalazła by się rada - patrz pytanie następne.

5)** Czy mikroukłady są potrzebne ?**

Zapytam naiwnie - czy mikrokody są naprawdę konieczne - mówiąc inaczej czy jest jakiś konkretny powód żeby aktualizować mikrokody.
Wydaję mi się że jedynym powodem dla którego istnieje możliwość ładowania firmwaru to ten że lepiej (bo taniej i mniej ryzykownie jest) wypuszczać aktualizację mikrokodów niż naprawdę gruntownie i dokładnie przetestować mikroukład pod kątem błędów. Dobrze myślę?
Czy też może istnieje inny powód?

BTW
Zaintrygował mnie ten artykuł a raczej tytuł:* Intel zablokuje możliwość podkręcania układów Haswell na płytach głównych B85, H81 i H87*
http://www.benchmark.pl/aktualnosci/intel-haswell-procesor-mikrokod-podkrecanie-blokada-b85-h81-h87.html
6) Jak to możliwe że Intel blokuje podkręcanie CPU - czy za sprawą tych mikrokodów jest blokowana spec-instrukcja do podkręcania CPU :)

O matko,

Strukturalna organizacja systemów komputerowych. Wydanie V
Autor: Andrew S. Tanenbaum

Od deski do deski.

@asm master
O, fajna książka, dzięki za polecenie :) (also: wow, $168 na amazon za nowy egzemplarz)

@kacper546
Ogólnie jest sporo niewiadomych jeśli chodzi o to co faktycznie mikrokody implementują, natomiast możemy sobie pogdybać ;)

Ogólnie tak, przy czym z tego co mi wiadomo, mikrokod implementuje tylko co bardziej skomplikowane instrukcje - reszta jest w krzemie.
Np. stawiam, że XOR r32, r32 będzie w krzemie, ale jakieś wynalazki typu PCMPISTRI (http://gynvael.coldwind.pl/?id=386) już niekoniecznie.
Jednym z celów mikrokodu było afair rozbicie instrukcji CISC na szereg instrukcji pseudo-RISCówych, które się łatwiej optymalizuje (można je między sobą przestawiać w niektórych wypadkach, wykonywać równocześnie, etc; CISC też się da, ale jest trudniej).

No i drugą sprawą są niektóre co bardziej skomplikowane zachowania procesora, np. co konkretnie się dzieje w momencie pojawienia się przerwania w konkretnej sytuacji itp. Przykładem może być bug w procesorach AMD znaleziony przez Roberta Święckiego w tym roku, który został poprawiony dokładnie przez tą łatkę, którą masz na screenie :)
http://seclists.org/oss-sec/2016/q1/450
https://lists.debian.org/debian-security/2016/03/msg00084.html

Dokładnie tak jak napisałeś. Mikrokody ładuje częściowo BIOS/UEFI, a częściowo system operacyjny w dowolnym momencie (vide https://wiki.archlinux.org/index.php/microcode).
Technicznie jest to po prostu seria zapisów do rejestrów MSR (patrz np. http://inertiawar.com/microcode/ - sekcja "How does the microcode update mechanism work?")

Zazwyczaj nowe wersje mikrokodu łatają błędy związane ze stabilnością (nieprawidłowym działaniem procesora w niektórych, zazwyczaj bardzo bardzo specyficznych, warunkach) lub bezpieczeństwem (tak jak w przypadku, który Cię zainteresował).

Natomiast co konkretnie jest pozmieniane, to jak piszesz, trudna sprawa i ciężko powiedzieć. Afair nawet zbyt dokładnych "release notes" nie publikują.

I to jest dobre pytanie. Pewnie powodów jest kilka, np.:

• przewaga nad konkurencją - jeśli w mikrokodzie jest jakaś sprytna optymalizacja, której nie ma konkurencja, to nie ujawnienie jej jest na korzyść danej firmy
• bezpieczeństwo - gonienie się z malware'em, który wrzuci sobie rootkit w microcode byłoby zdecydowanie nietrywialne; a do szczęścia raczej nikomu nie brakuje AV na tym poziomie
• żeby ludzie sobie procesorów nie popsuli ;) kto wie czy czasem mikrokod nie może sterować jakimiś procesami, które mogą na stałe uszkodzić procesor (chociaż hmm, wszystkie napięcia i tak są dostępne z płyty głównej więc... ciekawe czy tak naprawdę jest), albo czy Intel nie wrzucił w CPU jakichś flag, które można przestawić tylko raz (i potem np. wyłączają na stałe i na zawsze Nty core CPU)
• i pewnie żeby ludzie sobie dodatkowych możliwości w CPU nie odblokowywali (np. zablokowanych core'ów) bez płacenia wyższej kwoty za CPU (nie wiem czy tak jest, ale jest taka opcja - w końcu nie raz się zdarzało, że różnice w ficzerach różnych modeli sprzętu sprowadzały się do ustawień w firmwarze)

Tak - patrz wyżej (bezpieczeństwo i stabilność).
Nie jest możliwe wyeliminowanie wszystkich błędów w tak skomplikowanym urządzeniu w momencie jego projektowania czy testowania.

Natomiast przyznaję, że z punktu widzenia bezpieczeństwa i przejrzystości preferowałbym wiedzieć i móc przeanalizować update'y w mikrokodzie, tak, żeby było jasne co konkretnie jest zmieniane #teoriespiskowa #nsa #backdoor :)

Przyznaje, że nie wiem który konkretnie element systemu komputerowego jest używany przy overclockingu. Ale opcje są dwie - ale taka blokada będzie zrobiona na poziomie mikrokodu, albo na poziomie firmware płyty głównej.

Tyle na szybko. Dużo niewiadomych ;)

Tak w ogóle to w płyty Intela dla nowych procków wbudowane są... kolejne procki i to mające władzę nad tymi głównymi.

http://www.dobreprogramy.pl/Komputery-z-procesorami-Intela-sa-kontrolowane-przez-Intela,News,60132.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Active_Management_Technology

@Wibowit
No, relatywnie nowych ;)
http://invisiblethingslab.com/resources/bh09usa/Ring%20-3%20Rootkits.pdf (2009)

dobry temat. tym bardziej zalecam Arch Linuxa wszystkim, bo można się dowiedzieć co to są te microcodes i co to jest fstrim

Ja zapytam gdzie znajduje sie microkod, jest zapisany w procesorze czy jest częścią biosu/uefi albo coś jeszcze innego?

Plus minus wygląda to tak: wstępna wersja jest w pamięci ROM w procesorze i przy odpaleniu procesora jest kopiowana do jakiegoś SRAM (to domysły btw).
Aktualizacje do mikrokodu są natomiast w BIOS/UEFI (który je ładuje do procesora podczas wstępnej inicjalizacji komputera), oraz po prostu w systemie operacyjnym (z poziomu jądra można spokojnie wrzucać podpisane aktualizacje mikrokodu; np. [1]).

[1] June 2015 Intel CPU microcode update for Windows

Ja po zainstalowaniu pakietu intel-microcode (core i3) nie widzę raczej żadnych zmian w zachowaniu komputera ani w wydajności. Bez tego wszystko działało tak samo.

Trzeba się nieźle postarać, żeby te zmiany wykryć czy zauważyć :) One są bardzo subtelne i dotyczą bardzo specyficznych sytuacji.

To po c*** to instalować w ogóle

Intej przy pomocy microcodów blokował już podkręcanie: https://www.bit-tech.net/news/tech/cpus/intel-overclocking-block/1/

@Gynvael Coldwind
@Wibowit
Polecam przeczytać https://schd.ws/hosted_files/ossna2017/91/Linuxcon%202017%20NERF.pdf

Tu wersja do oglądania:

Gynvael Coldwind napisał(a):

Plus minus wygląda to tak: wstępna wersja jest w pamięci ROM w procesorze i przy odpaleniu procesora jest kopiowana do jakiegoś SRAM (to domysły btw).
Aktualizacje do mikrokodu są natomiast w BIOS/UEFI (który je ładuje do procesora podczas wstępnej inicjalizacji komputera), oraz po prostu w systemie operacyjnym (z poziomu jądra można spokojnie wrzucać podpisane aktualizacje mikrokodu; np. [1]).

[1] June 2015 Intel CPU microcode update for Windows

Nie do końca rozumiem. W procku na stałe jest wgrany microkod a aktualizacje są zapisane w Biosie/Uefi i za każdym razem gdy uruchamiam komputer te aktualizacje mikcrokodu sa ładowane do procesora, czy tylko raz są załadowane do procka w celu aktualizacji w procesorze. Pytam bo w artykule http://www.benchmark.pl/aktualnosci/intel-haswell-procesor-mikrokod-podkrecanie-blokada-b85-h81-h87.html pisze tak:

Jeszcze w tym tygodniu firma Intel planuje wydać nowe mikrokody do odblokowanych modeli Core i5 4670K i Core i7 4770K, które zablokują możliwość zmiany mnożnika na płytach głównych z chipsetem B85, H81 i H87. .........
Mimo wszystko, zainteresowanym przyspieszaniem układów na tańszych płytach głównych, radzimy się trochę pospieszyć, gdyż wersje dostępne w sklepach powinny jeszcze zawierać stare oprogramowanie.

To co tam pisze to by sugerowało że nastąpiła by aktualizacja mikrokodu w procesorze. Chyba że ja coś źle rozumiem, to proszę wytłumaczyć.

Witam. Chciałbym troszke poznać ten temat.Dlatego byłbym wdzięczny gdyby ktoś udzielił odpowiedzi na nurtujące mnie pytania.

Temat jest nie za prosty, więc imo lepszej odpowiedzi niż tytuł książki nie dostaniesz.
Jeżeli temat jest dla Ciebie interesujący to niestety, ale musisz sie z nim sam zapoznać.