マイクロコード

プロセッサ設計において、マイクロコードは、中央処理装置(CPU) ハードウェアと、プログラマが認識できるコンピュータの命令セットアーキテクチャ (マシンコードとも呼ばれる)の間に位置する中間層として機能します。^{[1] [ページが必要]}これは、高レベルのマシンコード命令を実装したり、多くのデジタル処理コンポーネントの内部有限状態マシンシーケンスを制御したりするハードウェアレベルの命令セットで構成されています。マイクロコードは、現代のデスクトップやラップトップのIntelおよびAMD汎用 CPU で使用されていますが、より高速なハードワイヤード制御ユニットが管理できないシナリオに対するフォールバックパスとしてのみ機能します。 ^[2]

特殊な高速メモリに格納されたマイクロコードは、マシン命令、ステートマシンデータ、またはその他の入力を詳細な回路レベルの操作のシーケンスに変換します。マシン命令を基盤となる電子機器から分離することで、命令の設計と変更の柔軟性が向上します。さらに、複雑なマルチステップ命令の構築が容易になり、同時にコンピュータ回路の複雑さが軽減されます。マイクロコードの作成は、マイクロプログラミングと呼ばれることが多く、特定のプロセッサ実装のマイクロコードはマイクロプログラムと呼ばれることもあります。

広範なマイクロプログラミングにより、小規模でシンプルなマイクロアーキテクチャで、より広いワード長、追加の実行ユニットなどを備えた、より堅牢なアーキテクチャをエミュレートできます。このアプローチは、プロセッサ ファミリ内の異なる製品間のソフトウェア互換性を保証する比較的簡単な方法を提供します。

一部のハードウェアベンダー、特にIBM / Lenovoは、マイクロコードという用語をファームウェアと同じ意味で使用しています。この文脈では、デバイス内のすべてのコードは、マイクロコードであれマシンコードであれ、マイクロコードと呼ばれます。たとえば、ハードディスクドライブのマイクロコードの更新には、マイクロコードとファームウェアの両方の更新が含まれることがよくあります。^[3]

ハードウェアレベルでは、プロセッサにはさまざまなタスクを実行する複数の独立した回路領域、つまり「ユニット」が含まれています。一般的なユニットには、 2 つの数値の加算や比較などの命令を実行する算術論理ユニット(ALU)、外部メモリへのデータの読み取りと書き込みを行う回路、処理中にこれらの値を格納するオンボード メモリの小さな領域などがあります。ほとんどの設計では、追加の高性能メモリであるレジスタ ファイルを使用して、現在の命令に必要な値だけでなく、一時的な値も格納します。^[4]

命令を正しく実行するには、さまざまな回路を順番に起動する必要があります。たとえば、メモリからまだロードされていない 2 つの数値を加算することはできません。RISC 設計では、これらの命令の適切な順序は、主にプログラマー、または少なくとも使用しているプログラミング言語のコンパイラー次第です。したがって、たとえば 2 つの数値を加算する場合、コンパイラーは、値の 1 つを 1 つのレジスタにロードし、もう 1 つを別のレジスタにロードする命令を出力し、ALU の加算関数を呼び出して、結果をメモリに書き戻す場合があります。^[4]

この高レベルの概念「メモリ内のこれら 2 つの数値を加算する」を完了するために必要な一連の命令は複数の命令を必要とする場合があり、これらの命令がメイン メモリに格納されている場合はパフォーマンスのボトルネックになる可能性があります。これらの命令を 1 つずつ読み取ると、実際のデータの読み取りと書き込みに使用できる時間が消費されます。このため、非 RISC 設計では、データの格納場所が大きく異なる多くの異なる命令を使用するのが一般的です。たとえば、MOS 6502 にADCは、2 つのオペランドを検索する場所のみが異なる8 つの加算命令のバリエーションがあります。 ^[5]

最終的な操作に最も近い命令のバリエーション、つまり「オペコード」を使用すると、命令の数を 1 つに減らすことができ、プログラム コードが使用するメモリを節約し、データ バスを他の操作用に開いたままにすることでパフォーマンスを向上させることができます。ただし、内部的には、これらの命令は個別の操作ではなく、ユニットが実際に実行する操作のシーケンスです。メモリから読み取られた単一の命令を内部アクションのシーケンスに変換するのは、プロセッサ内の別のユニットである制御ユニットの役割です。 ^[6]

マイクロコードの基本的な考え方は、命令の順序付けを実装するカスタム ハードウェア ロジックを、プロセッサ内の「マイクロコード エンジン」で実行される一連の単純な命令に置き換えることです。カスタム ロジック システムには、さまざまな制御ラインに一連の電圧を出力する一連のダイオードとゲートがありますが、代わりにマイクロコード エンジンがこれらのラインに接続され、エンジンがマイクロコード命令を順番に読み取ると、これらのラインがオンとオフになります。マイクロコード命令は、多くの場合、これらのラインにビット エンコードされます。たとえば、ビット 8 が true の場合、ALU が一時停止してデータを待機する必要があることを意味します。この点で、マイクロコードは、自動ピアノの紙巻き器に似ています。自動ピアノでは、穴が押すべきキーを表します。

カスタム ロジックとマイクロコードの違いは小さいように思えるかもしれません。一方はダイオードとゲートのパターンを使用して命令をデコードし、一連の信号を生成しますが、もう一方は信号をマイクロ命令としてエンコードし、これを順番に読み取って同じ結果を生成します。重要な違いは、カスタム ロジック設計では、個々のステップを変更するとハードウェアを再設計する必要があることです。マイクロコードを使用すると、変更されるのはマイクロコードを含むメモリに格納されているコードだけです。これにより、マイクロコード システムの問題を修正するのがはるかに簡単になります。また、命令の複雑さには実質的な制限がなく、使用できるメモリの量によってのみ制限されることを意味します。

コンピュータのソフトウェアスタックの最下層は、伝統的にプロセッサ用の生のマシンコード命令である。マイクロコードプロセッサでは、これらの命令の取得とデコード、および実行はマイクロコードによって行われる。混乱を避けるために、マイクロプログラム関連の要素はそれぞれマイクロという接頭辞で区別される。マイクロ命令、マイクロアセンブラ、マイクロプログラマなどである。^[7]

複雑なデジタルプロセッサでは、基本的に非同期で並列に実行する必要があるサブタスクを委任するために、複数の（おそらくマイクロコードベースの）制御ユニットを使用することもあります。たとえば、 VAX 9000には、命令を取得してデコードするためのハードワイヤードIBoxユニットがあり、マイクロコードされたEBoxユニットに渡して実行されます^{[8] 。また、} VAX 8800には、マイクロコードされたIBoxとマイクロコードされたEBoxの両方があります^{[9] 。}

高級プログラマー、あるいはアセンブリ言語プログラマーでさえ、通常はマイクロコードを見たり変更したりすることはありません。マシン コードでは、ファミリ内の異なるプロセッサ間で下位互換性が維持されることが多いのに対し、マイクロコードは特定のプロセッサ設計自体の固有の部分を構成しているため、設計された電子回路上でのみ実行されます。

技術者は通常、プロセッサの設計段階でマイクロコードを作成し、それを読み取り専用メモリ(ROM) またはプログラマブル ロジック アレイ(PLA) ^[10]構造、あるいはその両方の組み合わせに格納します。^[11]ただし、マイクロコードの一部またはすべてを静的ランダム アクセス メモリ(SRAM) またはフラッシュ メモリに格納するマシンも存在します。これは、読み取り専用メモリまたは読み書きメモリのいずれかである可能性があるコンピューターのコンテキストでは、伝統的に書き込み可能な制御ストアと呼ばれます。後者の場合、CPU 初期化プロセスは、別のストレージ メディアからマイクロコードを制御ストアにロードします。このとき、マイクロコードを変更して命令セットのバグを修正したり、新しいマシン命令を実装したりする可能性があります。

マイクロプログラムは、ハードウェア回路の非常に基本的なレベルで CPU を制御する一連のマイクロ命令で構成されています。たとえば、典型的な 1 つの水平マイクロ命令では、次の操作が指定されます。

• レジスタ1をALUのA側に接続します
• レジスタ7をALUのB側に接続します
• ALUを設定して2の補数加算を実行する
• ALUのキャリー入力をゼロに設定する
• 結果値をレジスタ8に格納する
• ALUステータスフラグ（負、ゼロ、オーバーフロー、キャリー）から条件コードを更新します。
• 次のマイクロ命令のために指定されたμPCアドレスにマイクロジャンプする

1 サイクルでプロセッサのすべての機能を同時に制御するために、マイクロ命令は 50 ビットより広くなることがよくあります (たとえば、エミュレータ機能を備えた360/85では 128 ビット)。マイクロプログラムは、可能な限り高速に実行できるように注意深く設計および最適化されています。遅いマイクロプログラムは、マシン命令も遅くなり、そのような命令を使用する関連アプリケーション プログラムのパフォーマンスが低下するためです。

マイクロコードは、もともとコンピュータの制御ロジックを開発するより簡単な方法として開発されました。当初、CPU の命令セットはハードワイヤードでした。機械命令 (オペランド アドレスの計算、読み取り、書き込みを含む) をフェッチ、デコード、実行するために必要な各ステップは、組み合わせロジックと、むしろ最小限のシーケンシャルステート マシン回路によって直接制御されました。このようなハードワイヤード プロセッサは非常に効率的でしたが、マルチステップのアドレス指定と複雑な操作 (以下を参照) を備えた強力な命令セットが必要だったため、設計とデバッグが困難でした。高度にエンコードされたさまざまな長さの命令も、特に非常に不規則なエンコードが使用されている場合に、この一因となることがあります。

マイクロコードにより、プロセッサの動作とプログラミング モデルの大部分を専用回路ではなくマイクロプログラム ルーチンで定義できるようになり、作業が簡素化されました。設計プロセスの後半でもマイクロコードは簡単に変更できましたが、ハードワイヤード CPU 設計では変更が非常に面倒でした。そのため、CPU 設計が大幅に容易になりました。

1940 年代から 1970 年代後半にかけて、プログラミングの大部分はアセンブリ言語で行われていました。高水準命令はプログラマの生産性の向上を意味するため、マイクロコードの重要な利点は、強力なマシン命令を比較的簡単に定義できることでした。これを究極的に拡張したものが「直接実行可能な高水準言語」設計であり、PL/Iなどの高水準言語の各ステートメントは、コンパイルなしでマイクロコードによって完全に直接実行されます。IBM Future Systems プロジェクトとData General Fountainhead Processor は、この例です。1970 年代には、CPU 速度がメモリ速度よりも急速に向上し、メモリ ブロック転送、メモリ プリフェッチ、マルチレベル キャッシュなどのさまざまな手法が使用されて、この問題が緩和されました。マイクロコードによって可能になった高水準マシン命令は、より少ない複雑なマシン命令でより少ないメモリ帯域幅を必要とするため、さらに役立ちました。たとえば、文字列に対する操作は単一のマシン命令として実行できるため、複数の命令フェッチを回避できます。

複雑なマイクロプログラムによって実装された命令セットを持つアーキテクチャには、IBM System/360やDigital Equipment Corporation VAXなどがある。マイクロコードで実装された命令セットがますます複雑になるアプローチは、後に複合命令セットコンピュータ(CISC) と呼ばれるようになった。多くのマイクロプロセッサで使用されている別のアプローチは、主に命令のデコードに 1 つ以上のプログラマブル ロジック アレイ(PLA) または読み取り専用メモリ(ROM) (組み合わせロジックの代わりに) を使用し、シーケンス処理のほとんどを単純なステート マシン (マイクロコードがほとんどまたはまったくない) に実行させるというものである。MOS Technology 6502 は、命令のデコードとシーケンス処理に PLA を使用するマイクロプロセッサの例である。PLA はチップの顕微鏡写真で確認でき、^{[12]その動作は}トランジスタレベルのシミュレーションで確認できる。

マイクロプログラミングは、現代の CPU 設計でも依然として使用されています。場合によっては、マイクロコードをシミュレーションでデバッグした後、制御ストアの代わりにロジック関数が使用されます。^[要出典]ロジック関数は、同等のマイクロプログラム メモリよりも高速で安価であることが多いです。

プロセッサのマイクロプログラムは、通常のプログラマーが認識できるアセンブリ命令よりも原始的で、まったく異なる、ハードウェア指向のアーキテクチャで動作します。マイクロコードはハードウェアと連携して、プログラマーが認識できるアーキテクチャを実装します。基盤となるハードウェアは、認識できるアーキテクチャと固定された関係を持つ必要はありません。これにより、さまざまな基盤となるハードウェア マイクロアーキテクチャに特定の命令セット アーキテクチャを実装することが容易になります。

IBM System/360 は 16 個の汎用レジスタを備えた 32 ビット アーキテクチャを備えていますが、System/360 の実装のほとんどは、はるかに単純な基礎となるマイクロアーキテクチャを実装するハードウェアを使用しています。たとえば、System /360 モデル30は、算術論理ユニット (ALU) とメイン メモリへの 8 ビット データ パスを持ち、汎用レジスタをより高速なコア メモリの専用ユニットに実装しました。また、System/360 モデル 40 は、ALU への 8 ビット データ パスとメイン メモリへの 16 ビット データ パスを持ち、汎用レジスタをより高速なコア メモリの専用ユニットに実装しました。モデル50 は完全な 32 ビット データ パスを持ち、汎用レジスタをより高速なコア メモリの専用ユニットに実装しています。^[13]モデル 65 からモデル 195 は、データ パスが大きく、汎用レジスタをより高速なトランジスタ回路に実装しています。^[要出典]このように、マイクロプログラミングにより、IBM は、大幅に異なるハードウェアを備え、幅広いコストとパフォーマンスにまたがる多くの System/360 モデルを設計しながら、それらすべてにアーキテクチャ上の互換性を持たせることができました。これにより、各モデル用に作成する必要のある固有のシステム ソフトウェア プログラムの数は大幅に削減されました。

同様のアプローチは、Digital Equipment Corporation (DEC) の VAX ファミリーのコンピュータでも採用されています。その結果、異なる VAX プロセッサは異なるマイクロアーキテクチャを使用していますが、プログラマーが認識できるアーキテクチャは変わりません。

マイクロプログラミングにより、プロセッサの欠陥 (バグ)を修正するための現場変更のコストも削減されます。バグは、ハードウェア ロジックや配線を変更するのではなく、マイクロプログラムの一部を置き換えることで修正できる場合が多くあります。

1947 年、 MIT Whirlwindの設計では、コンピュータ設計を簡素化し、アドホックな方法から脱却する方法として、コントロール ストアの概念が導入されました。コントロール ストアはダイオード マトリックスです。2 次元の格子で、1 つの次元は CPU の内部クロックから「コントロール タイム パルス」を受け取り、もう 1 つの次元はゲートやその他の回路の制御信号に接続します。「パルス ディストリビュータ」は、CPU クロックによって生成されたパルスを受け取り、8 つの個別のタイム パルスに分割します。各パルスは、格子の異なる行をアクティブにします。行がアクティブになると、それに接続されている制御信号がアクティブになります。^[14]

1951年、モーリス・ウィルクス^[15]は、条件付き実行という、コンピュータソフトウェアの条件文に似た概念を追加することでこの概念を強化しました。彼の最初の実装は、一対のマトリックスで構成されていました。最初のマトリックスは、Whirlwind制御ストアの方法で信号を生成し、2番目のマトリックスは、次のサイクルで呼び出す信号の行（いわゆるマイクロプログラム命令語）を選択します。条件文は、制御ストアの1行が2番目のマトリックスの選択肢から選択できる方法を提供することで実装されました。これにより、検出された内部信号に応じて制御信号が条件付きになりました。ウィルクスは、この機能を説明し、単純な制御ストアと区別するために、 マイクロプログラミングという用語を作り出しました。

マイクロコードは、コードを格納するために必要な ROM のコストがカスタム制御ストアを使用する場合とそれほど変わらないため、コンピュータ設計では比較的まれなままでした。これは、1960 年代初頭に大量生産されたコア メモリとコア ロープの導入によって変わりました。これは、ダイオード アレイまたは同様のソリューションに基づく専用ロジックよりもはるかに安価でした。これを実際に活用した最初の企業は、IBMの 1964 年のSystem/360シリーズでした。これにより、マシンは非常に複雑な命令セットを持つことができ、バイナリ値を 10 進文字列としてフォーマットするなどの高レベル言語構造に一致する操作や、このタスクに必要な複雑な一連の命令を低コストのメモリに格納する操作も含まれるようになりました。^[16]

しかし、360 シリーズの本当の価値は、内部的にはまったく異なるマシンをシリーズで構築しながら、同じ ISA を実行できることでした。ローエンド マシンでは、1 つの 32 ビット加算を完了するのに複数のサイクルを必要とする 8 ビット ALU を使用する一方で、ハイエンド マシンでは、同じ加算を 1 サイクルで実行する完全な 32 ビット ALU を使用する場合があります。これらの違いは制御ロジックで実装できますが、各マシンに完全に異なるデコーダを実装するコストは法外なものになります。マイクロコードを使用すると、変更されるのは ROM 内のコードだけです。たとえば、あるマシンには浮動小数点ユニットが含まれているため、2 つの数値を乗算するマイクロコードは数行だけになる可能性がありますが、FPU のない同じマシンでは、これは複数の加算を使用して同じことを実行するプログラムであり、変更されるのは ROM だけです。^[16]

この設計の結果、顧客は、より高いパフォーマンスが必要になった場合には、より高速なバージョンに移行すればよく、それ以外は何も変更せずに済むという安心感を持って、ファミリーのローエンド モデルを使用してソフトウェアを開発できるようになりました。これにより参入障壁が下がり、360 は大成功を収めました。10 年後には、メインフレーム業界全体でマイクロコードの使用が必須となりました。

初期のミニコンピュータはマイクロコードを必要とするほど単純ではなく、命令セットやそのデコード方法は初期のメインフレームに似ていました。しかし、設計者はより強力な集積回路を使用し始め、より複雑なISAを実現しました。1970年代半ばまでに、ほとんどの新しいミニコンピュータとスーパーミニコンピュータもマイクロコードを使用するようになりました。たとえば、PDP-11のほとんどのモデルや、最も有名なのはVAXのほとんどのモデルで、360に見られるものとそれほど変わらない高レベル命令が含まれていました。^[17]

マイクロプロセッサでも同様の基本的な進化が起こった。初期の設計は極めて単純で、1970年代半ばのZilog Z80のようなより強力な8ビット設計でさえ、命令セットは専用ロジックで実装できるほど単純だった。この頃には、制御ロジックをCPUと同じダイにパターン化できるようになり、ROMとロジックのコスト差はそれほど問題ではなくなった。しかし、これらの企業は、より高性能な設計を導入しながらも下位互換性を提供したいという問題にも直面するようになった。マイクロプロセッサにおけるマイクロコードの初期の例としては、Intel 8086がある。^[6]

マイクロプロセッサにおけるマイクロコードの究極の実装の1つは、モトローラ68000です。これは、すべてマイクロコードで実装された、さまざまなアドレッシングモードを備えた高度に直交した命令セットを提供しました。これにはコストがかかり、初期の記事によると、チップの表面積（つまりコスト）の約20％がマイクロコードシステムです。^[18]その後の推定では、システム68,000ゲートのうち約23,000ゲートがマイクロコードシステムの一部であったとされています。

各社が命令セットの複雑さで競争を続け、マイクロコードを使用してこれらを実装することに疑問の余地はなかったが、1970 年代半ばに IBM の社内プロジェクトで、その概念全体について深刻な疑問が提起された。高性能な全デジタル電話交換機を開発するプロジェクトの一環として、ジョン・コック率いるチームは、顧客の 360 (およびSystem/370 ) プログラムから膨大な量のパフォーマンス データを調べ始めた。その結果、奇妙なパターンに気付いた。ISA が命令の複数のバージョンを提示した場合、コンパイラはほとんどの場合、コードを最も直接的に表すものではなく、最も単純なものを使用した。これは、これらの命令が常にハードウェアで実装され、最も高速に実行されるためであることがわかった。他の命令を使用すると、一部のマシンではパフォーマンスが向上する可能性があるが、どのマシンで実行されているかを知る方法はなかった。これは、これらの違いを隠すという、そもそものマイクロコード使用の目的を台無しにした。^[19]

チームは「コンピュータとそのユーザーの間にマイクロコードを強制すると、最も頻繁に実行される命令を実行する際に高価なオーバーヘッドが発生する」という根本的な結論に達した。^[19]

この発見の結果が、今日RISCコンセプトとして知られているものです。複雑なマイクロコードエンジンとそれに関連するROMは縮小または完全に排除され、それらの回路は代わりに追加レジスタやより広いALUなどに割り当てられ、すべてのプログラムのパフォーマンスが向上します。複雑な命令シーケンスが必要な場合は、コンパイラに任されます。これが、そもそもコンパイラを使用する目的です。基本的なコンセプトはすぐにカリフォルニアの大学の研究者によって取り上げられ、シミュレーションでは、そのような設計は最速の従来の設計よりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮することが示されました。RISCという用語を導入したのは、カリフォルニア大学バークレー校でのそのようなプロジェクトの1つでした。

RISCのコンセプトに対して、業界は混乱と敵意の両方で反応した。その中には、DigitalのVAXチームによる有名な否定的な記事も含まれている。^[20]主な論点は、プロセッサの外部で命令を実装すると、メモリから命令を読み込むのに非常に多くの時間がかかり、CPU自体がどれだけ高速に動作しても全体的なパフォーマンスが低下するということだった。^[20]支持者は、シミュレーションでは、特にコンパイルされたコードを考慮すると、命令の数はそれほど多くないことが明確に示されていると指摘した。^[19]

この論争は、1980年代後半に最初の商用RISC設計が登場するまで続き、他の企業の最も複雑な設計を簡単に上回る性能を発揮しました。1980年代後半には論争は終わり、DECでさえDEC Alpha設計でマイクロコードを放棄し、CISCプロセッサは多くの機能を実行するためにマイクロコードではなくハードワイヤード回路を使用するように切り替えました。たとえば、Intel 80486は、命令のフェッチとデコードにハードワイヤード回路を使用し、マイクロコードは命令の実行にのみ使用しています。レジスタ間移動と算術命令には1つのマイクロ命令しか必要ないため、1クロックサイクルで完了できます。^[21] Pentium Proのフェッチおよびデコードハードウェアは命令をフェッチして一連のマイクロ操作にデコードし、実行ユニットに渡します。実行ユニットはマイクロ操作をスケジュールして実行しますが、順序が異なる場合があります。複雑な命令は、定義済みのマイクロ操作のシーケンスで構成されるマイクロコードによって実装されます。^[22]

一部のプロセッサ設計では、特別なモードで実行されるマシンコードと、そのモードでのみ利用可能なプロセッサ依存のハードウェアにアクセスできる特別な命令を使用して、命令セットの低レベル機能を実装しています。純粋なRISC設計であるDEC Alphaは、PALcodeを使用して、トランスレーションルックアサイドバッファ（TLB）ミス処理や割り込み処理などの機能を実装しました。 ^[23 ]また、OpenVMSを実行するAlphaベースのシステム向けに、 VAXアーキテクチャで提供される命令に似たインターロックされたメモリアクセスを必要とする命令を提供しました。^[23] G4プロセッサ以降のCMOS IBM System/390 CPUとz/Architecture CPUは、一部の命令を実装するためにミリコードを使用しています。^[24]

• チャールズ・バベッジが構想した解析エンジンは、回転ドラムに挿入されたペグを使用して内部手順を保存します。
• EMIDEC 1100 ^[25]は、フェライトコアに通されたワイヤー（「レース」と呼ばれる）で構成される有線制御ストアを使用していると言われています。
• IBM System/360 シリーズのほとんどのモデルはマイクロプログラム化されています。
  • モデル25は、コアストレージの上位16Kバイトをマイクロプログラムの制御ストレージとして使用している点で、System/360モデルの中ではユニークです。2025は、7つの制御ワード（またはマイクロ命令）を持つ16ビットのマイクロアーキテクチャを使用しています。システムメンテナンス後または動作モードを変更すると、マイクロコードはカードリーダー、テープ、またはその他のデバイスからロードされます。^[26]このモデルのIBM 1410エミュレーションは、この方法でロードされます。
  • モデル30 は、ハードウェア レジスタがわずかしかない 8 ビットのマイクロアーキテクチャを使用しています。プログラマが見たものはすべてマイクロプログラムによってエミュレートされます。このモデルのマイクロコードは、特別なパンチ カードにも保持されており、マシン内のカードごとに専用のリーダーに保存されます。このリーダーは「CROS」ユニット (Capacitor Read-Only Storage) と呼ばれます。^{[27] : 2–5  1401/1440/1460 エミュレーション[27] : 4–29}で注文されたマシンと 1620 エミュレーションで注文されたマシンには、別の CROS ユニットが追加されます。^{[27] : 4–75}
  • モデル40 は56 ビットの制御ワードを使用します。2040 ボックスは、System/360 メイン プロセッサとマルチプレックス チャネル (I/O プロセッサ) の両方を実装します。このモデルは、CROSユニットに類似したTROS専用リーダーを使用しますが、誘導ピックアップ (Transformer Read-only Store) を備えています。
  • モデル50には、並列に動作する 2 つの内部データパスがあります。算術演算に使用される 32 ビット データパスと、一部の論理演算に使用される 8 ビット データパスです。制御ストアは 90 ビットのマイクロ命令を使用します。
  • モデル85 には、高性能を実現するために、命令フェッチ (I ユニット) と実行 (E ユニット) が別々に用意されています。I ユニットはハードウェア制御です。E ユニットはマイクロプログラム化されており、制御ワードは基本 360/85 では 108 ビット幅で、エミュレーター機能がインストールされている場合はさらに広くなります。
• NCR 315は、条件付き実行のシーケンサーによってパルスが供給される、手動で配線されたフェライト コア ( ROM ) を使用してマイクロプログラムされています。コアを介して配線された配線は、プロセッサ内のさまざまなデータおよびロジック要素に対して有効になります。
• デジタル・イクイップメント・コーポレーションのPDP-9プロセッサ、KL10およびKS10 PDP-10プロセッサ、およびPDP-11/20を除くPDP-11プロセッサはマイクロプログラム化されている。 ^[28]
• ほとんどのData General Eclipseミニコンピュータはマイクロプログラム化されています。Eclipse MV/8000用のマイクロコードの作成作業については、ピューリッツァー賞を受賞した「The Soul of a New Machine」という書籍に詳しく記載されています。
• Burroughsの多くのシステムはマイクロプログラム化されています。

• B700「マイクロプロセッサ」は、メイン メモリに格納されている 16 ビットのマイクロ命令のシーケンスを使用して、アプリケーション レベルのオペコードを実行します。これらの各命令は、レジスタ ロード操作であるか、読み取り専用メモリに格納されている単一の 56 ビット「ナノコード」命令にマップされています。これにより、比較的単純なハードウェアをメインフレームの周辺コントローラとして機能させたり、スタンドアロン コンピュータとしてパッケージ化したりすることができます。
• B1700は、ビット アドレス指定可能なメイン メモリを含む根本的に異なるハードウェアで実装されていますが、同様の多層構造を持っています。オペレーティング システムは、必要な言語に応じてインタープリタをプリロードします。これらのインタープリタは、COBOL、Fortranなどに対して異なる仮想マシンを提供します。

• Microdata は、ユーザーがマイクロコードにアクセスできるコンピューターを製造しました。これにより、カスタム アセンブラ レベルの命令を作成できます。Microdata のRealityオペレーティング システム設計では、この機能が広範に活用されています。
• Xerox Altoワークステーションはマイクロコード化された設計を採用していましたが、多くのコンピュータとは異なり、マイクロコード エンジンは階層化された設計でプログラマーから隠されていません。アプリケーションはこれを利用してパフォーマンスを高速化します。
• IBM System/38は、水平型と垂直型の両方のマイクロコードを備えていると言われています。^[29]実際には、プロセッサは水平型マイクロコード形式を使用して、内部マイクロプログラム・インターフェース（IMPI）と呼ばれる命令セット・アーキテクチャを実装しています。いわゆる垂直型マイクロコード層は、MIコードをIMPIコードに変換して実行することで、System/38のハードウェアに依存しないマシン・インターフェース（MI）命令セットを実装します。IBM RS64プロセッサ・ラインが導入される前は、初期のIBM AS/400システムでも同じアーキテクチャが使用されていました。^[30]
• Nintendo 64のReality Coprocessor（RCP）は、コンソールのグラフィックス処理ユニットとオーディオプロセッサとして機能し、マイクロコードを使用しています。新しい効果を実装したり、プロセッサを微調整して目的の出力を実現したりできます。カスタムRCPマイクロコードの注目すべき例としては、Factor 5のIndiana Jones and the Infernal Machine、Star Wars: Rogue Squadron、Star Wars: Battle for Naboo^{に見られる高解像度グラフィックス、パーティクルエンジン、無制限}の描画距離、およびAngel StudiosのResident Evil 2に見られるフルモーションビデオ再生があります。^{[33 ]}

• Sony PlayStation 2の VU0 および VU1 ベクトル ユニットはマイクロプログラム可能です。実際、SDK の最初の数世代では、VU1 はマイクロコード経由でのみアクセスできます。
• MicroCore Labs MCL86 Archived 2016-11-03 at the Wayback Machine、MCL51 Archived 2017-02-02 at the Wayback Machine、および MCL65 Archived 2018-12-21 at the Wayback Machineは、Intel 8086/8088、8051、および MOS 6502 の高度にエンコードされた「垂直」マイクロシーケンサー実装の例です。
• Digital Scientific Corp. の Meta 4 シリーズ 16 コンピュータシステムは、1970 年に初めて発売された、ユーザーがマイクロプログラム可能なシステムでした。マイクロコードは主に垂直スタイルで、32 ビットのマイクロ命令で構成されていました。^[34]命令は、ビット位置のグリッドを持つ交換可能なプログラムボードに格納されていました。1 ビットは、アンプによって感知される小さな金属の四角で表され、0 ビットは四角がないことで表されました。^[35]システムは、最大 4K の 16 ビットワードのマイクロストアで構成できました。Digital Scientific の製品の 1 つに、IBM 1130用のエミュレーターがありました。^{[36] [37]}
• MCP -1600は、1975年から1980年代初頭にかけてウエスタンデジタル社が製造したマイクロプロセッサである。このプロセッサは、 Pascal MicroEngine、WD16、DEC LSI-11（低コストのPDP-11）という3つの異なるコンピュータアーキテクチャをマイクロコードで実装するために使用された。 ^[38]
• 以前のx86プロセッサは完全にマイクロコード化されています。x86 プロセッサは、Intel P6 マイクロアーキテクチャおよびAMD K7 マイクロアーキテクチャ以降、パッチ可能なマイクロコード( BIOSまたはオペレーティング システムによるパッチ) を実装しました。このようなプロセッサは、シリコン内にマイクロコード ROM とマイクロコード SRAM を実装しました。
• 一部のビデオ カードおよびワイヤレス ネットワーク インターフェイス コントローラは、パッチ可能なマイクロコード (オペレーティング システムによるパッチ) を実装しています。このようなマイクロコードは、デバイスのSRAMまたはDRAM (たとえば、ビデオ カードのGDDR SDRAM ) にパッチされます。

マイクロプログラム内の各マイクロ命令は、CPU を内部的に構成する機能要素を制御するビットを提供します。ハードワイヤード CPU に対する利点は、CPU 内部の制御がコンピュータ プログラムの特殊な形式になることです。マイクロコードは、このように複雑な電子設計の課題 (CPU の制御) を、それほど複雑ではないプログラミングの課題に変換します。これを利用するため、CPU はいくつかの部分に分割されます。

• Iユニットはハードウェアで命令をデコードし、 E ユニットと並行して命令を処理するためのマイクロコード アドレスを決定します。
• マイクロシーケンサーは、コントロール ストアの次のワードを選択します。シーケンサーは主にカウンターですが、通常は命令レジスタのデータとコントロール ストアの一部のデータに応じて、コントロール ストアの別の部分にジャンプする方法もあります。最も単純なシーケンサーは、コントロール ストアの数ビットからロードされたレジスタだけです。
• レジスタセットは、中央処理装置のデータを含む高速メモリです。汎用レジスタやプログラム カウンタなどのアプリケーション プログラムから参照できるレジスタが含まれる場合もあれば、アプリケーション プログラマが簡単にアクセスできないその他のレジスタが含まれる場合もあります。多くの場合、レジスタ セットはトリプル ポートレジスタ ファイルです。つまり、2 つのレジスタを読み取り、3 番目のレジスタに同時に書き込むことができます。
• 算術論理演算ユニットは、通常は加算、論理否定、右シフト、論理 AND などの計算を実行します。また、他の機能も実行することがよくあります。

また、メモリ アドレス レジスタとメモリ データ レジスタがあり、これらはコンピュータのメインストレージにアクセスするために使用されます。これらの要素が一緒になって「実行ユニット」を形成します。最近のCPUのほとんどは、複数の実行ユニットを備えています。単純なコンピュータでも、メモリの読み取りと書き込みを行うユニットと、ユーザー コードを実行するユニットが 1 つずつあります。これらの要素は、多くの場合、1 つのチップにまとめられます。このチップは、実行ユニットの「スライス」を形成する固定幅になっています。これらは「ビット スライス」チップとして知られています。AMD Am2900ファミリは、ビット スライス要素の最もよく知られた例の 1 つです。^{[39]実行ユニットの各部分と実行ユニット全体は、}バスと呼ばれるワイヤの束によって相互接続されています。

プログラマーは、基本的なソフトウェア ツールを使用してマイクロプログラムを開発します。マイクロアセンブラを使用すると、プログラマーはビット テーブルを記号的に定義できます。基礎となるアーキテクチャと密接な関係があるため、「マイクロコードには、コンパイラを使用して生成するのが難しいいくつかの特性があります。」[ 1 ^]シミュレータープログラムは、電子部品と同じようにビットを実行することを目的としており、マイクロプログラムをデバッグする自由度が大幅に高まります。マイクロプログラムが完成し、徹底的にテストされた後、同じデータを生成するロジックを構築するコンピューター プログラムへの入力として使用されることがあります。^[要出典]このプログラムは、プログラマブル ロジック アレイを最適化するために使用されるプログラムに似ています。完全に最適なロジックがなくても、ヒューリスティックに最適化されたロジックにより、読み取り専用メモリ(ROM) 制御ストアに必要なトランジスタの数を大幅に削減できます。これにより、CPU の製造コストと消費電力が削減されます。

マイクロコードは水平型と垂直型に分類でき、主に各マイクロ命令がCPU要素をほとんどまたは全くデコードせずに制御するか（水平型マイクロコード）^{[a] 、そうする前に}組み合わせロジックによる広範なデコードを必要とするか（垂直型マイクロコード）によって特徴付けられます。その結果、各水平型マイクロ命令は垂直型マイクロ命令よりも幅が広く（より多くのビットを含む）、より多くの記憶領域を占有します。

「水平マイクロコードには、同時操作のために単一のマイクロ命令に結合された複数の個別のマイクロ操作があります。」^[1]水平マイクロコードは通常、かなり広い制御ストアに格納されます。各ワードが 108 ビット以上になることは珍しくありません。シーケンサー クロックの各ティックで、マイクロコード ワードが読み取られ、デコードされ、CPU を構成する機能要素を制御するために使用されます。

典型的な実装では、水平方向のマイクロプログラム ワードは、かなり厳密に定義されたビットのグループで構成されます。たとえば、単純な配置は次のようになります。

このタイプのマイクロマシンがオペコードの後に​​アドレスが続く JUMP 命令を実装するには、マイクロコードに 2 クロック ティックが必要になる場合があります。これを設計するエンジニアは、次のようなマイクロアセンブラ ソース コードを作成します。

   # 番号記号で始まる行はコメントです。
# これは単なるラベルで、アセンブラがメモリ アドレスを記号で表す通常の方法です。
 命令 JUMP : # 次の命令の準備として、命令デコード マイクロコードはすでにプログラム カウンタをメモリ アドレス レジスタに移動しています。 この命令は、メモリ データ レジスタからメモリ アドレス レジスタにコピーすることで、ジャンプ命令のターゲット アドレスを、ジャンプ オペコードの後のメモリ ワードからフェッチします。# これにより、メモリ システムは、命令デコードで使用するために、次の命令をメモリ データ レジスタにフェッチするための 2 クロック ティックを得ます。# シーケンサ命令 "next" は、制御ワード アドレスに 1 を加算するだけです。 
    MDR 、 NONE 、 MAR 、 COPY 、 NEXT 、 NONE
 # これにより、次の命令のアドレスが PC に配置されます。# これにより、メモリ システムは、前のマイクロ命令で開始されたフェッチを完了するための 1 クロック ティックを得ます。# シーケンサ命令は、命令デコードの先頭にジャンプします。 
    MAR 、1 、 PC 、 ADD 、 JMP 、 InstructionDecode
 # 命令デコードは、エミュレートされているプロセッサに特有の非常に複雑なため、表示されません。この例も簡略化されています。 # 多くの CPU には、オペコードに続くワードからアドレスを取得するだけでなく、アドレスを計算する方法が複数あります。したがって、これらの CPU には、1 つのジャンプ命令だけでなく、関連するジャンプ命令のファミリがあります。   
   
       
       
       
       
       
       
              
       
       
               
       
       
       
       

各ティックでは、CPU の一部のみが使用され、マイクロ命令の残りのビット グループは何も行われないのが一般的です。ハードウェアとマイクロコードを慎重に設計すれば、この特性を利用して CPU の異なる領域を使用する操作を並列化できます。たとえば、上記のケースでは、最初のティックでは ALU は必要ないため、それより前の算術命令を完了するために使用できる可能性があります。

垂直マイクロコードでは、各マイクロ命令は明確にエンコードされており、ビットフィールドは一般に中間組み合わせロジックを通過し、CPU内部要素（ALU、レジスタなど）の制御およびシーケンス信号を生成します。これは、ビットフィールドが制御およびシーケンス信号を直接生成するか、最小限にしかエンコードされない水平マイクロコードとは対照的です。その結果、垂直マイクロコードは命令長が短く、ストレージも少なくて済みますが、デコードに時間がかかり、CPUクロックが遅くなります。^[40]

一部の垂直マイクロコードは、より複雑なコンピュータをエミュレートする単純な従来型コンピュータのアセンブリ言語に過ぎません。DEC Alphaプロセッサや、後のIBMメインフレームSystem/390およびz/ArchitectureのCMOSマイクロプロセッサなどの一部のプロセッサは、マシンコードを使用します。マシンコードは、通常のマシンコードでは利用できない特別な命令、特別なレジスタ、その他のハードウェアリソースにアクセスできる特別なモードで実行され、^{[41] [42]} Alphaプロセッサのページテーブルウォークなどの一部の命令やその他の機能を実装します。^[43] これは、 AlphaプロセッサではPALコードと呼ばれ、IBMメインフレームプロセッサでは ミリコードと呼ばれます。

垂直マイクロコードの別の形式には、次の 2 つのフィールドがあります。

フィールド選択は、コントロール ストアのこのワードによって制御される CPU の部分を選択します。フィールド値は、CPU のその部分を制御します。このタイプのマイクロコードでは、設計者はコントロール ストアの未使用ビットを減らすことでコストを節約するために、CPU を遅くすることを明示的に選択します。ただし、複雑さが減ると CPU のクロック周波数が上昇し、命令あたりのサイクル数の増加の影響が小さくなる可能性があります。

トランジスタが安価になるにつれて、マイクロコードを使用する CPU の設計では水平マイクロコードが主流となり、垂直マイクロコードの使用頻度は低下しました。

垂直マイクロコードと水平マイクロコードの両方が使用される場合、水平マイクロコードはナノコードまたはピココードと呼ばれることがあります。^[44]

書き込み可能なマイクロコードを使用して構築されたコンピュータもいくつかありました。この設計では、マイクロコードをROMやハードワイヤードロジックに保存するのではなく、書き込み可能なコントロールストアまたはWCSと呼ばれるRAMに保存します。このようなコンピュータは、書き込み可能な命令セットコンピュータ（WISC）と呼ばれることもあります。^[45]

多くの実験的なプロトタイプコンピュータは書き込み可能な制御ストアを使用しています。また、書き込み可能なマイクロコードを使用する商用マシンもあります。例としては、Burroughs Small Systems、初期のXeroxワークステーション、DEC VAX 8800（Nautilus）ファミリ、Symbolics LマシンとGマシン、IBM System/360とSystem/370の実装、一部のDEC PDP-10マシン、^[46]、Data General Eclipse MV/8000などがあります。^[47]

IBM System/370には、初期マイクロプログラムロード（IMLまたはIMPL）^[48]と呼ばれる機能が含まれており、コンソールから、パワーオンリセット（POR ）の一部として、または密結合 マルチプロセッサ複合体内の別のプロセッサから呼び出すことができます。

^{IBM 360/85 [49] [50]}などの一部の商用マシンには、マイクロコード用の読み取り専用ストレージと書き込み可能な制御ストアの両方が備わっています。

WCS には、マイクロプログラムのパッチ適用が容易であることや、特定のハードウェア世代では ROM よりも高速なアクセスなど、いくつかの利点があります。ユーザーがプログラム可能な WCS により、ユーザーは特定の目的に合わせてマシンを最適化できます。

1995年のPentium Pro以降、いくつかのx86 CPUには書き込み可能なIntelマイクロコードが搭載されている。^{[51] [52]}これにより、たとえばIntel Core 2およびIntel Xeonのマイクロコードのバグは、チップ全体を交換するのではなく、マイクロプログラムにパッチを当てることで修正できるようになった。2つ目の顕著な例は、2018年の初めに公表された設計で発見されたセキュリティ上の脆弱性（SpectreおよびMeltdown）に対抗するために、Intelが最大10年前のプロセッサアーキテクチャの一部に提供したマイクロコードパッチのセットである。 ^{[53] [54]マイクロコードの更新は、Linux、 [55]} FreeBSD、^[56] Microsoft Windows、^[57]またはマザーボードBIOSによってインストールできる。 ^[58]

HP 2100、DEC PDP-11/60、TI-990 /12、^{[59] [60]}、Varian Data Machines V-70シリーズミニコンピュータなど、一部のマシンでは、オプションとしてユーザーがプログラム可能な書き込み可能な制御ストアを提供しています。

複雑な命令を持つマイクロコード化されたプロセッサの設計トレンドは 1960 年代初頭に始まり、1980 年代中頃まで続きました。その時点で、RISC設計哲学がより顕著になり始めました。

マイクロコードを使用する CPU は、通常、1 つの命令を実行するのに複数のクロック サイクルを要します。つまり、その命令のマイクロプログラムの各ステップに 1 クロック サイクルかかります。一部のCISCプロセッサには、実行に非常に長い時間を要する命令が含まれています。このような変動は、割り込み待ち時間と、現代のシステムでより重要なパイプラインの両方に影響を及ぼします。

新しいプロセッサを設計する場合、ハードワイヤード制御RISC には、マイクロコード化された CISC に比べて次のような利点があります。

• プログラミングはアセンブリ レベルから大きく移行したため、生産性上の理由から複雑な指示を提供する価値はなくなりました。
• よりシンプルな命令セットにより、ハードウェアによる直接実行が可能になり、マイクロコード実行によるパフォーマンスの低下を回避できます。
• 分析により、複雑な命令はほとんど使用されないため、それらに割り当てられるマシン リソースの大部分が無駄になっていることが分かりました。
• めったに使用されない複雑な命令に割り当てられるマシン リソースは、より単純でよく使用される命令のパフォーマンスを高速化するために使用する方が効果的です。
• 複雑なマイクロコード化された命令は、変化する多くのクロック サイクルを必要とする可能性があり、パフォーマンスを向上させるためにパイプライン化することが困難です。

反論もあります:

• マイクロコードが多用された実装における複雑な命令は、マイクロコード空間を除いて、マシンのリソースをそれほど消費しない可能性があります。たとえば、元のZ80、8086などでは、有効アドレスの計算とオペランドからの結果の計算に同じ ALU がよく使用されます。
• より単純な非 RISC 命令 (つまり、直接メモリオペランドを含む) は、最新のコンパイラで頻繁に使用されます。即時スタック (つまり、メモリ結果) 算術演算も一般的に使用されます。このようなメモリ操作は、長さのエンコードが異なることが多く、パイプライン化がより困難ですが、それでも i486 、 AMD K5、Cyrix 6x86、Motorola 68040などで明確に例示されているように、パイプライン化は完全に実行可能です。
• 非 RISC 命令は、本質的に命令ごとにより多くの作業を実行し (平均して)、通常は高度にエンコードされているため、同じプログラムの全体的なサイズが小さくなり、限られたキャッシュ メモリをより有効に活用できます。

多くの RISC およびVLIWプロセッサは、すべての命令 (キャッシュ内にある限り) を 1 サイクルで実行するように設計されています。これは、マイクロコードを備えた CPU が 1 サイクルにつき 1 つのマイクロ命令を実行する方法と非常に似ています。VLIW プロセッサには、非常に幅の広い水平マイクロコードと同様に動作する命令がありますが、通常、マイクロコードによって提供されるようなハードウェアに対するきめ細かい制御はありません。RISC 命令は、狭い垂直マイクロコードに似ている場合があります。

マイクロコードは、ネットワーク プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、チャネル コントローラ、ディスク コントローラ、ネットワーク インターフェイス コントローラ、フラッシュ メモリ コントローラ、グラフィックス プロセッシング ユニットなどのアプリケーション固有のプロセッサやその他のハードウェアでよく使用されています。

NexGen Nx586、Intel Pentium Pro、AMD K5などのx86ファミリーなどの最新のCISC実装では、 RISCや従来のマイクロコードに似た命令エンコーディングを使用して、命令を動的にバッファリングされたマイクロ操作にデコードします。ハードワイヤード命令デコードユニットは、一般的なx86命令のマイクロ操作を直接出力しますが、より複雑な命令やめったに使用されない命令のマイクロ操作を含む、より従来のマイクロコードROMにフォールバックします。^[2]

たとえば、x86 は、ループや文字列命令、浮動小数点ユニットの 超越関数や非正規数などの異常な値、CPUIDなどの特殊目的命令などの複雑なマルチステップ操作を処理するために、マイクロコードからマイクロ操作を検索する場合があります。

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• マイクロプログラミングの簡単な歴史
• Intel プロセッサ マイクロコード セキュリティ アップデート (PAE モードで 32 ビット仮想マシンを実行する際の問題を修正)
• 2013 年 3 月の Intel マイクロコード更新に関するメモ、Ben Hawkes 著、2015 年 9 月 7 日のオリジナルからアーカイブ
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• Opteron の公開: AMD K8 マイクロコード更新のリバース エンジニアリング、2004 年 7 月 26 日
• WepSIM: マイクロデザイン、マイクロプログラミング、アセンブリ言語プログラミングを統合したオンラインインタラクティブ教育シミュレーター、2022年7月26日