前のページ 1/3 次のページ

マイクロプログラム方式(マイクロプログラムほうしき)は、プロセッサ(CPU)の実装手法のひとつである。

CISCのCPUで採用され、CPU内のマイクロプログラム (Microprogram) により、複雑な命令を比較的容易に実装できる。そのためOSから見たハードウェア(コンピュータ・アーキテクチャ、特に命令セット)を簡素化する、更には標準化して互換性を高める、あるいは別のコンピュータ・アーキテクチャをエミュレートできる、などの利点がある。このため仮想化技術のひとつともいえる。

反面、複雑な命令の増加を招き、また命令により必要なクロックが異なるためパイプラインの効果が薄れる難点がある。

マイクロプログラムはCPUのマイクロコードであり、ファームウェアの一部としてROMに格納されていることもあるし、CPUの初期化の一環としてRAMにロードされることもある。

このため広義には、CPU以外を含むファームウェア全般をマイクロコードと呼ぶ場合もある。

◆概要

マイクロプログラム (Microprogram) は非常に特殊なコンピュータプログラムであり、あるコンピュータアーキテクチャ上でより複雑なアーキテクチャをエミュレートするものである。マイクロプログラムは一般的なプログラムに比較して非常に小さいため、マイクロプログラムと呼ばれる。可能な限り実行速度を上げるよう注意深く最適化して設計される。

他のコンピュータプログラムと同様、マイクロプログラムはマイクロ命令の列からなる。マイクロ命令はコンピュータのCPUを最も基本的なレベルで制御するものである。

例えば典型的なマイクロ命令は以下のような処理を行う。

・ レジスタ1をALUの入力"A"に接続する

・ レジスタ7をALUの入力"B"に接続する

・ ALUに二つの入力の足し算を実行するようセットする

・ ALUのキャリー入力にゼロをセットする

・ 結果をレジスタ8に格納する

・ フラグレジスタ ("condition codes") をALUのステータスフラグ ("Negative", "Zero", "Overflow", "Carry") にしたがってセットする

・ マイクロプログラムカウンタにしたがって次のマイクロ命令にマイクロジャンプを行う

このような処理を並列して行うため、マイクロ命令は非常に大きな幅となることが多い。例えば56ビット(8ビットx7命令)やそれ以上になる。

マイクロプログラムはCPUのマイクロコードとしても知られている。マイクロコードはCPUの各マイクロ命令を1つの状態とした、状態遷移表をメモリであらわしたものと捕らえることができる。

マイクロコードは(ファームウェアの一部として)ROMに格納されていることもあるし、CPUの初期化の一環としてRAMにロードされることもある。

コンピュータの電源投入時に、マイクロコードをロードする過程をIML(イニシャル・マイクロコード・ローダー)とも呼ぶ。またマイクロコードが格納されているメモリをコントロールストアと呼ぶ。

◆歴史

1951年以前、CPUの制御回路は行き当たりばったりの方法で設計されていた。最も単純なものとしてはコンピュータの制御ロジックの順序制御のためにフリップフロップのリングを使っていた。

1951年、イギリスのコンピュータ科学者 モーリス・ウィルクスは基本的な発想を得た。コンピュータ内のある回路が制御信号(命令)を受けて、それを自動ピアノが楽譜を解釈するように解読すればよいと。つまり長いビット列(命令)によって制御するのである。彼はEDSACの後継機を設計中にこれを発明し、実際EDSAC-IIで採用した。

1958年、IBM 709はマイクロコードによる商用初の別アーキテクチャのエミュレータを提供した。

1964年 IBM System/360は、マイクロコードによる上位互換の確立(標準化)により、コンピュータ・アーキテクチャを確立した

◆ 利点

◇仮想化

マイクロプログラム方式のプロセッサのハードウェアの実装は一般のプログラマから見えるものとは違っていて、よりシンプルである。このシンプルなアーキテクチャ(マイクロアーキテクチャ)上で、プログラマに見えているアーキテクチャを実装したマイクロプログラムが実行される。このマイクロアーキテクチャはプログラマに見えているアーキテクチャと固定的な関係である必要は全くない。これを利用すれば、様々なマイクロアーキテクチャのハードウェア上に任意の(プログラマから見える)アーキテクチャを実装することができる。

例えば、IBMのSystem/360は32ビットアーキテクチャで16本の汎用レジスタを持っている。しかしSystem/360の実際のハードウェアの実装ではもっと単純なマイクロアーキテクチャが実装されている。最も下位の機種である360 Model 30は8ビットのマイクロアーキテクチャでハードウェアのレジスタも少ない。プログラマが見ているものは全てマイクロプログラムがエミュレートしたものである。より上位の機種は16ビットや32ビットのマイクロアーキテクチャになっていて、プログラマから見えるアーキテクチャに近くなっているため、より高速に動作できる。

この方法により、IBMは様々なハードウェアを使用してコストと性能のバラエティのSystem/360の機種をそろえ、それらを全てアーキテクチャ互換にすることができる。これにより機種別に書かなければならないシステムソフトウェア(OSなど)を劇的に減らすことが出来る。

全く同じ方法がDECのVAXコンピュータファミリでも採用された。下位機種では32ビットの2901ビットスライスプロセッサを膨大なマイクロコードとともに使用している。上位機種では大きな浮動小数点数を直接扱えるように128ビットデータパスを採用している。

マイクロプログラミングはプロセッサのバグの修正も容易にする。多くのバグはマイクロプログラムの修正で間に合い、ハードウェアのロジックや配線を修正する必要がない。

◇性能

コンピュータが最初に開発された当時、CPUとメインメモリのスピードはほぼつりあっており、命令語をメモリから読んでCPUで逐一実行するのは極めて効率的だった。論理設計が進歩すると、メモリから命令を1回取ってくる時間より早くCPU内の処理が済むようになった。

前のページ 1/3 次のページ

・マイクロプログラム方式 page1

・マイクロプログラム方式 page2

・マイクロプログラム方式 page3