Microprogrammation

La microprogrammation est une technique de réalisation du séquenceur d'un processeur, dans laquelle le comportement du séquenceur est décrit par le contenu d'une mémoire. Ce contenu est nommé microprogramme ou microcode. Il peut être vu comme un programme conçu pour une machine particulièrement simple nommée micro-séquenceur ; le processeur final est alors reconnu comme une machine virtuelle simulée par le micro-séquenceur.

La réalisation microprogrammée des séquenceurs s'oppose à leur réalisation câblée.

Principe

Le séquenceur d'un processeur est un automate fini qui contrôle le fonctionnement du chemin de données : surtout l'unité arithmétique et logique (UAL), les registres, etc.

L'approche naïve consiste à réaliser cet automate avec un circuit logique combinatoire, qui prend en entrée l'état du chemin de données mais aussi des signaux d'horloge, et apporte en sortie les signaux de commande à destination du chemin de données. Ce circuit logique est réalisé avec un ensemble de portes logiques. Cette technique est dite du séquenceur câblé.

On peut cependant remarquer qu'un circuit logique combinatoire peut être réalisé avec une mémoire utilisée en lecture (typiquement une mémoire morte), à laquelle les signaux d'entrée sont apportés comme adresses, et dont les mots apportés en sortie sont interprétés comme des signaux de sortie. Il est par conséquent envisageable de remplacer le circuit combinatoire ci-dessus par une mémoire : c'est l'idée qui se trouve à la base de la microprogrammation. Les cases successives de la mémoire sont vues comme des instructions élémentaires ou micro-instructions ; leur ensemble forme le microprogramme ou microcode.

Il est envisageable de complexifier ce schéma simpliste en ajoutant la possibilité d'effectuer des sauts entre micro-instructions. De plus on introduit généralement un registre contenant l'adresse de la prochaine micro-instruction à traiter : le micro-compteur ordinal. Il existe par conséquent une logique simple — et câblée — chargée de dérouler le microprogramme : on l'appelle le micro-séquenceur.

Le code machine — les instructions, qu'on peut qualifier de macro-instructions pour bien les distinguer des micro-instructions — sont par conséquent interprétées par le micro-séquenceur qui exécute le microcode. Plusieurs micro-instructions sont exécutées pour réaliser une (macro) -instruction.

Il y a deux techniques d'implémentation du microcode :

1. Le microcode horizontal, qui utilise un nombre particulièrement grand de bits pour contrôler l'ensemble des éléments du processeur. Sur l'IBM 360 modèle 30 par exemple, une micro-instruction fait 60 bits.
2. Le microcode vertical, qui occupe nettement moins de bits car il contient une partie spécifiant l'unité à contrôler, et une autre qui sera la commande envoyée à cette unité.

Les architectures basées sur des microprocesseurs en tranches sont microcodées.

Avantages et inconvénients des machines microcodées

• Les avantages sont (entre autres)  :
  • évolutivité du jeux d'instructions
  • simplicité du design
  • correction envisageable des erreurs de conception matériel par modification du microcode
• Les inconvénients sont (entre autres)  :
  • possibilités de bugs dans le microcode
  • lenteur de la machine

Exemple d'ordinateurs microcodés

• DEC PDP-10, VAX (16 Kmots de 42 bits), ...
• IBM 360 et 370 : les modèles de base étaient microprogrammés ; les modèles haut de gamme avaient un séquenceur câblé (IBM 360 modèles 44, 75, 91, 95, et 195)
• Motorola 68000
• Intel 8080, 8086, ...
• Zilog Z80
• System i (AS/400)
• ...

Voir aussi

• Le terme micrologiciel, qui sert à désigner d'une façon plus générale un logiciel intégré dans un composant électronique.

Liens externes

• A Brief History of Microprogramming (en anglais).
• Wang 2200 Microarchitecture Description (en anglais).

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