Table Of ContentInformatik-Fachberichte
Herausgegeben von W. Brauer
im Auftrag der Gesellschaft fur Informatik (GI)
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Arndt Bode
Mikroarchitekturen
und'Mikroprogrammierung:
Formale Beschreibung
und Optimierung
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo 1984
Autor
AmdtBode
Institut fOr Mathematische Maschinen und Oatenverarbeitung (III)
Universitat Erlangen-Numberg
MartensstraBe 3, 8520 Erlangen
CR Subject Classifications (1982): B.1.1, B.1.2, B.1.4, B.5.2, C.O, 0.3.2, 0.3.4
ISBN-13: 978-3-540-13380-3 e-ISBN-13: 978-3-642-69701-2
001: 10.1007/978-3-642-69701-2
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© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1984
2145/3140-543210
Vorwort und Danksagung
"Microprogramming is the implementation
of hopefully reasonable systems through
interpretation of unreasonable machines."
ROSIN, 1969
Vielleicht geht von dieser Definition der Mikroprogrammierung als
Vermittlerin zwischen der von technologischen Randbedingungen
diktierten "unwirtlichen" Hardware und einer moglichst benutzer
freundlichen Software-Schnittstelle die Faszination dieser Disziplin
aus, die heute einen wichtigen Platz im Rahmen (fer Informatik ein
nimmt.
Die vorliegende Arbeit solI einen Beitrag dazu leisten, die Mikro
programmierung theoretisch zu durchdringen und sie durch ge
eignete Verfahren letztendlich auch einem groBeren Kreis von
Informatikern zugiinglich zu mach en . Ausgehend von einem formalen
Modell zur Beschreibung von Mikroarchitekturen werden Algorithmen
entwickelt, die die Reduktion des Mikroprogrammspeicherbedarfs auf
systematische Weise erlauben. Es wird auch gezeigt, daB diese Auf
gabenstellung in der heutigen Praxis des (V)LSI-Entwurfes weit
gehend durch ad-hoc Verfahren gelost wird.
Den Schwerpunkt der Arbeit bilden jedoch Algorithmen zur automa
tischen Kompaktifizierung von Mikroprogrammen auf der Basis des
eingefuhrten Modells. Diese Verfahren sollen die Implementierung und
effiziente Dbersetzung maschinenunabhiingiger hoherer Mikroprogram
miersprachen in Zukunft ermoglichen.
Meine Tiitigkeit am Institut fUr Mathematische Maschinen und Daten
verarbeitung (IMMD) III der Universitiit Erlangen-Nurnberg hat mir
den Zugang zum gesamten Bereich der Technischen Informatik, spe
ziell zur Rechnerarchitektur und Mikroprogrammierung eroffnet. Fur
diesen Zugang und die bestiindige Forderung, die ich durch ihn
und seine Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen erfahren habe, mochte
ich zuallererst Herrn Professor Hiindler dank en.
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Die besonders anregende Atmosphiire am IMMD III ist nicht zuletzt
auch auf die DurchfUhrung realisierungsorientierter Projekte wie
EGPA (~rlangen Qeneral ~urpose ~rray, gefOrdert seit 1978 durch
das BMFT) zuruckzufUhren, das durch die Initiative von Herrn
Professor Hiindler, Herrn Professor Herzog, Herrn Professor Hofmann
und Herrn Professor Schneider ermoglicht wurde. So ist auch eine
wesentliche Anregung zu dieser Arbeit aus den Implementierungs
aufgaben im Rahmen des EGPA-Teilprojektes "Mikroprogramme fUr
die Vertikalverarbeitung und die Rechnerkommunikation" entstanden.
Fur die Hinfuhrung zur Informatik uberhaupt mochte ich jedoch auch
allen Mitgliedern des damaligen Instituts fUr Informatik und der
spiiteren Fakultiit fUr Informatik der Universitiit Karlsruhe, insbe
sondere meinem Doktorvater, Herrn Professor Alfred Schmitt, dank en .
Manche Anregung zu dieser Arbeit ist der Diskussionsbereitschaft
vieler, auch studentischer Mitarbeiter des IMMD und am EGPA-Projekt
zu verdanken. Aus ihrem Kreis mochte ich nur Frau Barbara Albert
erwiihnen, mit der ich wiihrend mancher Stunde Probleme der Mikro
programmierung gewiilzt habe.
SchlieBlich mochte ich auch nicht versiiumen, Frau Petra Wagner fUr
die tadellose Erstellung des maschinengeschriebenen Manuskriptes
zu danken.
Erlangen, September 1983 Arndt Bode
Inhalt
Seite
1. Motivation und Dbersicht 7
2. Mikroprogrammierung, eine verbale und eine formale 12
Einfiihrung
2.1 Mikroprogrammierung, eine verbale Einfiihrung 12
2.1.1 Mikroprogrammierung: eine Realisierung des 12
Leitwerkes von Rechnern
2.1. 2 Mikroinstruktion, Mikrooperation und ihre 15
Ansteuerung
2.1.3 Kodierung der Steuerinformation: Parallelismus 18
auf der Ebene der Mikroinstruktion
2.1.4 Der Mikroinstruktionszyklus, Pipelining auf 23
Mikroinstruktionsebene
2.1. 5 Mikroprogrammierbarkeit 31
2.1.6 Mikroprogrammierung und vertikale Verlagerung 32
2.2 Formale Beschreibung der Mikroprogrammierung: 37
das Tupelmodell
2.2.1 Beispiel - Rechner - Bausteine 39
2.2.2 Das Tupelmodell 43
2.2.3 Relationen zwischen Mikrooperationen und 57
Mikrooperations-B iindeln
2.2.3.1 Datenabhiingigkeit 58
2.2.3.2 Ressourcen-Konflikte 72
3. Reduktion der Wortliinge von Mikroinstruktionen 75
3.1 Motivation und Problemstellung 75
3.2 Varianten der Kodierung der Steuerinformation 77
3.2.1 Mikroprogrammierte Rechner 78
3.2.1.1 Vollstiiridige Kodierung der Mikroinstruktion 78
3.2.1.2 Keine KOdierung der Mikroinstruktion 80
3.2.1.3 Minimale Kodierung der Mikroinstruktion 81
3.2.2 Mikroprogrammierbare und dynamisch mikropro 83
grammierbare Rechner
6
Seite
3.3 Bestimmung der minimalen Kodierung von 85
Mikroinstruktionen ("Optimale Verzonung")
3.3.1 Losungen im Rahmen der Schaltkreistheorie 92
3.3.2 LOsungen im Rahmen der linearen Programmierung 101
3.4 Pragmatische Ansatze zur Wortlangenreduktion 108
3.4.1 Grundlegende Verfahren zur Wortlangenreduktion 108
3.4.2 Verfahren zur Reduktion des Mikroprogramm 115
speicherplatzes fUr VLSI-Bausteine
3.4.3 Ein Verfahren zur Reduktion der Zustande 122
von Leitwerken
4. Reduktion der Anzahl von Mikroinstruktionen in Mikro- 125
programmen: 10k ale und globale Kompaktifizierung
4.1 Motivation und Problemstellung 125
4.2 Lokale Kompaktifizierung 132
4.2.1 Branch and bound-Algorithmus 133
4.2.2 Branch and bound-Algorithmus mit Heuristiken 144
4.2.3 Kritischer Pfad Algorithmus 148
4.2.4 First-come-first-served (FCFS-)Algorithmus 155
4.2.5 Wertung 159
4.3 Globale Kompaktifizierung 160
4.3.1 Blockorientierte glob ale Kompaktifizierung 162
4.3.2 pfadorientierte glob ale Kompaktifizierung 168
4.4 HOhere Mikroprogrammiersprachen, Problemstellung 186
4.4.1 Mikroprogrammiersprachen, Ubersicht 186
4.4.2 Offene Probleme hoherer Mikroprogrammiersprachen 195
4.4.2.1 Binden der Ressourcen von Mikroarchitekturen 195
4.4.2.2 Registerzuteilung, Speicherzugriffe 197
4.4.2.3 Umbenennen von Variablen 199
4.4.2.4 Phasenkopplung 200
5. Ausblick 203
6. Literatur 206
Stichwortverzeichnis 217
Ab kiirzungsverzeichnis 224
1. Motivation und Obersicht
Die Begriffe Mikroprogrammierung (WILKES, 1951) und Firmware
(OPLER, 1967) wurden bereits recht fruh in der Entwicklung der
Rechnerarchitektur gepriigt. WILKES fUhrte die Mikroprogrammierung
ein als eine systematische Methode des Entwurfes von Leitwerken von
Rechenanlagen anstelle von komplexen sequentiellen kombinatorischen
Netzen. Wichtige Weiterentwicklungen der Technik nach WILKES sind
das Kettenverfahren nach Billing-Hopmann (BILLING, HOPMANN, 1955),
spiiter das Raum-Matrix-Verfahren (GONTSCH, HANDLER, 1960) und
die EinfUhrung des Mikroprogrammspeichers in den Leitwerken der
Rechner des IBM System /360 Anfang der 60er Jahre. OPLER bezeich
nete mit Firmware eine effiziente programmierbare Implementierungs
stufe zwischen Hardware und Software von Rechnern.
Seit der ersten Verwendung dieser Begriffe ist das Interesse an
der Mikroprogrammierung im Bereich der Rechnerarchitektur bestiin
dig gestiegen. Fast jeder GroB- und Kleinrechner ist heute zu
mindest mikroprogrammiert, wenn nicht mikroprogrammierbar (Defi
nition der Begriffe in Kapitel 2). Mit dem Schritt der Halbleiter
technologie von 8- auf 16-Bit Mikroprozessoren wurden auch deren
Leitwerke so komplex, daB systematische Verfahren unabdingbar
sind: mit einer Ausnahme sind aIle 16-Bit Mikroprozessoren intern
mikroprogrammiert.
Mit der stiindig steigenden Anforderung an die Arbeitsgeschwindig
keit von Rechenanlagen entwickelte sich neb en dem Aspekt der
Systematik aber auch die Effizienz dieser Technik als ein wesent
licher Grund fUr den vermehrten Einsatz der Mikroprogrammierung.
Die Technik der vertikalen Verlagerung etwa versucht, besonders
zeitaufwendige Teile gr6Berer Softwaresysteme in der Firmware zu
implementieren, urn h6heren Gesamtdurchsatz zu erzielen (typischer
weise in komplexen Betriebssystemen, HELLER, 1980). Fur be
sonders zeitkritische Steuerungsaufgaben und Anwendungen wie
die digitale Signalverarbeitung wurde eine Klasse mikroprogrammier
barer Halbleiterbausteine, die Bitslice-Mikroprozessoren geschaffen,
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bei deren Anwendung haufig auch komplexere- Algorithmen voll
standig mikroprogrammiert werden. In diesem letzteren Fall
dient die Mikroprogrammierung dann nicht mehr der Realisierung
von Leitwerken fUr Allzweckrechner, sondern fur Spezialrechner.
Ein weiteres wesentliches Anwendungsgebiet der Mikroprogram
mierung im Bereich der Allzweckrechner ist die Anpassung einer
meist vergleichsweise wenig leistungsfiihigen Hardware an eine
miichtige Maschinenbefehls-Schnittstelle (CHROUST, 1981). Das
gilt insbesondere fur die Realisierung des Familienkonzeptes auf
den GroBrechnern des IBM System /360 und /370 (BODE, HANDLER,
1983), wobei ein nach heutigem Standard konventioneller Maschinen
befehlssatz voll kompatibel auf Rechnern mit hardwaremaBigen
Wortlangen zwischen 8 und 64 Bit mikroprogrammiert implementiert
wurde. Noch machtigere Maschinenbefehlssatze wie die durch die
objektorientierte Architektur des iAPX 432 Mikroprozessors (INTEL,
1981) angebotenen erfordern fUr die Implementierung der bei jeder
BefehlsausfUhrung notwendigen Tabellenzugriffe, AdreBumsetzungen,
Zugriffsrecht-Uberprufungen u.a., die nur sehr eingeschrankt mit
Hardwareunterstutzung realisiert werden, noch in h6herem MaBe
den Einsatz der Mikroprogrammierung.
Die Bedeutung der Mikroprogrammierung im Rahmen der Rechner
architektur ist somit klar umrissen, sie wird mit der weiteren Ent
wicklung der Halbleiter (VLSI-)Technologie wegen der h6heren
Komplexitiit der entstehenden Schaltkreise eher noch zunehmen.
Dieser Bedeutung steht ein auffalliger Mangel an leistungsfiihigen
Hilfsmitteln fur die Mikroprogrammierung gegenuber. Die Grunde
dafur sind sowohl im kommerziellen als auch wissenschaftlichen
Bereich zu suchen. So werden firmenspezifische Entwicklungs
Hilfsmittel der Allgemeinheit nicht zuganglich gemacht, in jungster
Zeit wird die Vertikale Verlagerung von Systemsoftware-Teilen
sagar als Mittel fUr den Schutz gegen die Nachbildung von ganzen
Rechnerfamilien benutzt. Andererseits wurde sehr fruh nachge-
9
wiesen, daB die wichtigsten Fragestellungen im Zusammenhang
der Mikroprogrammierung zumindest NP-vollshindig sind, die
Hoffnung auf das Auffinden effizienter Algorithmen zu ihrer
Losung also sehr gering ist.
Zwei wesentliche Problemstellungen sind bezuglich der "Hilfsmittel"
fUr die Mikroprogrammierung zu unterscheiden. Die erste betrifft
den Entwurf des Mikroinstruktionsformates und sucht nach Losungen,
den Mikroprogrammspeicherbedarf moglichst gering zu halten, ohne
die Effizienz der Mikroprogrammierung, d. h. die Parallelitat der
Mikroarchitektur durch zu starke Kodierung einzuschranken. Dabei
sind entweder die Mikroprogramme oder lediglich die ausfUhrende
Mikroarchitektur und die auf ihr ausfuhrbaren Mikrooperationen
als bekannt vorausgesetzt.
Durch die Entwicklung der Halbleitertechnologie sind die Preise
fUr Speicherelemente ertraglich geworden, so daB die Reduktion
des Speicherbedarfes als Fragestellung heute uberholt erscheinen
mag. Berucksichtigt man jedoch, daB fUr Mikroprogrammspeicher
sehr kurze Zugriffszeiten gefragt sind und ferner die Preise von
Teilen eines Rechners ja nicht absolut, sondern in Relation zu
den - eben falls drastisch reduzierten - Preisen der restlichen
Elemente (z.B. Rechenwerke, Prozessoren u.s.w.) beurteilt werden
mussen, so zeigt sich, daB das Thema an Aktualitat nicht verloren
hat. Gerade die Entwicklung der Halbleitertechnologie sorgt anderer
seits dafUr, daB die Reduktion des Speicherbedarfes in den Brenn
punkt des Interesses der Rechnerarchitektur ruckt: der Versuch,
immer machtigere Prozessoren bzw. Rechner als monolithische
Schaltkreise anzubieten, fUhrt die Halbleiterhersteller dazu, die
Integrationsfahigkeit der Bausteine moglichst optimal zu nut zen ,
d.h. insbesondere den Aufwand fUr das Leitwerk - und damit den
Mikroprogrammspeicher - weitestgehend zu reduzieren. In Kapitel 3
dieser Arbeit wird gezeigt, daB dabei bis heute weitgehend unsyste
matische Mittel zur Anwendung kommen, und es wird ein allgemeinerer
Ansatz angeboten.
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Die zweite Problemstellung bezieht sich auf die Erstellung von
Mikroprogrammen fUr eine vorgegebene Mikroarchitektur und ein
bekanntes Mikroinstruktionsformat. Fiir ein als Folge von Mikro
operationen der Maschine vorgegebenes Quell-Programm ist das
kiirzeste semantisch aquivalente Ziel-Mikroprogramm gesucht.
Diese "Kompaktifizierung" von Mikroprogrammen zielt auf h6chste
Leistung, d. h. die A usfUhrung von Mikroprogrammen in m6glichst
wenig Mikroinstruktionszyklen. Sie ist damit gleichzeitig die we sent
liche Voraussetzung fiir die Bereitstellung von h6heren Mikropro
grammiersprachen, die dem Benutzer einerseits die Vorteile der
Problemnahe bei der Formulierung des Quellprogramms, andererseits
die volle Effizienz der Ebene der Mikroprogrammierung beziiglich
des iibersetzten Zielkodes bieten sollen.
Ziel dieser Arbeit ist es nachzuweisen, daB fUr beide Problemstel
lungen L6sungen bestehen, die mit polynomialem Aufwand zu guten
Ergebnissen fUhren. Diese L6sungen sowie die NP-Vollstandigkeit
der Optimalprobleme werden getrennt in den Kapiteln 3 und 4 dar
gestellt.
Die Problemstellungen des Entwurfes des Mikroinstruktionsformates
und der Kompaktifizierung lassen sich - zumindest teilweise - als
Behandlung der Dimensionen des Mikroprogrammspeichers darstellen
(vgl. Abbildung 1.1). Kapitel 3 schildert MaBnahmen zur Reduktion
des Mikroprogrammspeicherbedarfes durch Reduktion der Wortlange
der Mikroinstruktion. Kapitel 4.2 fiihrt mit der lokalen Kompaktifi
zierung Algorithmen ein, die die Anzahl der Mikroinstruktionen von
Mikroprogrammen reduzieren und damit auch die ben6tigte Ausfiih
rungszeit. Die in Kapitel 4.3 behandelte globale Kompaktifizierung
verkiirzt zwar die AusfUhrungszeit der datenabhangig wahrschein
lichsten Pfade durch verzweigte Mikroprogramme, fiihrt dabei aber
im allgemeinen zu einem statisch langeren Mikroprogramm.
Relevant fiir die Praxis der Mikroprogrammierung werden solche
Leistungen jedoch erst, wenn die Algorithmen auf der Basis von
Modellen formuliert werden, die einen Bezug zur "Wirklichkeit"
