Microprogrammation

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La microprogrammation est une technique de réalisation du séquenceur d'un processeur, utilisé dans la technologie CISC, dans laquelle le comportement du séquenceur est décrit par le contenu d'une mémoire. Ce contenu est appelé microprogramme ou microcode. Il peut être vu comme un programme destiné à une machine très simple appelée micro-séquenceur ; le processeur final est alors considéré comme une machine virtuelle simulée par le micro-séquenceur. Par opposition la technologie RISC ne contient pas de microcode.

La réalisation microprogrammée des séquenceurs s'oppose à leur réalisation câblée. A priori plus onéreuse au départ, sa souplesse facilite l'évolution des modèles.

Principe

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

Une approche consiste à réaliser cet automate à l'aide d'un circuit logique combinatoire, qui prend en entrée l'état du chemin de données ainsi que des signaux d'horloge, et fournit en sortie les signaux de commande à destination du chemin de données. Ce circuit logique est réalisé à l'aide d'un ensemble de portes logiques. Cette technique est dite du séquenceur câblé.

On peut cependant remarquer qu'un circuit logique combinatoire peut être réalisé à l'aide d'une mémoire utilisée en lecture (typiquement une mémoire morte), à laquelle les signaux d'entrée sont fournis en tant qu'adresses, et dont les mots fournis en sortie sont interprétés comme des signaux de sortie. Il est donc possible 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 constitue le microprogramme ou microcode.

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

Le code machine — les instructions, que l'on peut qualifier de macro-instructions pour bien les distinguer des micro-instructions — sont donc 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 :

Le microcode horizontal, qui utilise un nombre très grand de bits pour contrôler tous les éléments du processeur. Sur l'IBM 360 modèle 30 par exemple, une micro-instruction fait 60 bits.
Le microcode vertical, qui occupe beaucoup 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 jeu d'instructions
- simplicité du design
- correction possible des erreurs de conception matérielle par modification du microcode
Les inconvénients sont (entre autres) :
- possibilités de bugs dans le microcode
- lenteur de la machine (plusieurs cycles d'horloge pour exécuter une instruction en code machine (ou son équivalent en assembleur)).

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)
Burroughs 1600
Cii Mitra 15
Télémécanique T 1600
Motorola 68000
Intel 8080, 8086…
Zilog Z80
System i (AS/400)
…

Voir aussi

Le terme micrologiciel, qui désigne plus généralement un logiciel intégré généralement sur une mémoire flash d'un périphérique ou composant électronique.
Micro:bit

Référence

G. Boulaye, 1971, La Microprogrammation, Dunod. (ISBN 2040025960), (ISBN 978-2040025960)
Ken Shirriff, « How the 8086 processor's microcode engine works », décembre 2022

Liens externes

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

v · m

Technologies de processeur

Modèles

Architecture

Général	Microarchitecture Architecture de type Harvard Architecture de von Neumann Architecture Dataflow Transport triggered architecture Boutisme Mémoire Non uniform memory access (NUMA) Hiérarchie de mémoire Mémoire virtuelle Bus informatique Réseau systolique
Mots	Architecture 8 bits 15 bits (Apollo Guidance Computer) 16 bits 22 bits (Zuse 3) 32 bits 40 bits 50 bits (Atanasoff–Berry Computer) 64 bits 128 bits

Instruction

Jeu	Processeur basé sur la pile Processeur de signal numérique Processeur vectoriel Microprocesseur à jeu d'instructions étendu (CISC) Processeur à jeu d'instructions réduit (RISC) Very long instruction word (VLIW) Explicitly parallel instruction computing (EPIC) Explicit data graph execution (en) (EDGE) Minimal instruction set computer (MISC) Ordinateur à jeu d'instruction unique (OISC) Zero instruction set computer (ZISC) Informatique quantique Mode d'adressage
Famille	Motorola 680x0 VAX x86 Architecture ARM Architecture MIPS PowerPC Architecture SPARC SuperH DEC Alpha IA-64 OpenRISC RISC-V Microblaze Little man computer IBM System/3x0 System/390 System z
Exécution	Pipeline Bulle Exécution dans le désordre Algorithme de Tomasulo Renommage de registres Prédiction de branchement Exécution spéculative File
Performance	Instructions par cycle (IPC) Instructions par seconde (IPS) Opérations en virgule flottante par seconde (FLOPS)

Types

Général	Central processing unit (CPU) Processeur graphique (GPU) General-purpose processing on graphics processing units (GPGPU) Processeur vectoriel Coprocesseur Application-specific integrated circuit (ASIC) System in package (SiP)
Par usage	Système embarqué Microprocesseur Multi-cœur Multiprocesseur Microcontrôleur Processeur softcore
On chip	Système sur une puce (SoC) Programmable (PSoC) Réseau sur une puce (NoC)
Accélération matérielle	Accelerated processing unit (APU) Puce d'accélération de réseaux de neurones (NPU) Processeur d'images (IPU) Processeur physique (PPU) Processeur de signal numérique (DSP) Tensor Processing Unit (TPU) Cryptoprocesseur sécurisé Processeur réseau (NPU) Processeur de bande de base (BP)

Microarchitecture

Microcode
Unité de contrôle
Banc de registres
ALU
FPU
MMU
TLB
Cache
Backside bus (en)

Parallélisme

Général	Pipelining Scalaire Superscalaire Tâche Thread Processus Multitâche Préemptif Parallélisme de donnée Processeur vectoriel Calcul distribué
Processus	Multithreading Hyperthreading Superthreading (en) Simultaneous multithreading (SMT) Symmetric multiprocessing (SMP) Asymmetric multiprocessing (AMP)
Taxonomie de Flynn	Single instruction on single data (SISD) Single instruction multiple data (SIMD) SWAR Single instruction multiple threads (SIMT) Multiple instructions single data (MISD) Multiple instructions on multiple data (MIMD)

Circuiterie et unité

Général	Circuit intégré Signaux mixtes Circuit booléen Interrupteur Électronique analogique Cœur Cache Processeur Algorithme Cohérence Bus
Exécution	Unité arithmétique et logique (ALU) Additionneur Multiplieur Unité de calcul en virgule flottante (FPU) Unité de gestion de mémoire (MMU) Translation lookaside buffer (TLB) Prédiction de branchement Contrôleur mémoire
Porte logique	Combinatoire Séquentielle Quantique
Registre	Registre de processeur Registre d'état Banc de registres Registre à décalage Registre tampon mémoire Registre d'adresse mémoire Compteur ordinal
Contrôle	Mémoire tampon Microprogrammation Image ROM Compteur
Chemin de données	Multiplexeur Décaleur