在那個年代所采用的一種主要方法就是實現(xiàn)針對HLL的處理器，就是把一個中間ISA裁剪為一種HLL，然后，采用或開發(fā)類似的處理器硬件以通過微編程來仿效經(jīng)定義的ISA。在上世紀(jì)50年代，微碼首次被劍橋大學(xué)在EDSAC項目中由Maurice Wilkes實現(xiàn)，人們最初開發(fā)它是為計算機控制邏輯而開發(fā)一種更為簡單的方法1。微碼由實現(xiàn)中間ISA的基本處理器指 令序列組成。它或者由一些簡化的中間語言進(jìn)行編譯，或者以匯編形式進(jìn)行手工編寫。微匯編程序然后把匯編代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼，這些可執(zhí)行代碼然后被存儲在 片上本地存儲器或快速訪問、低延遲存儲器上。在上世紀(jì)70年代和80年代，設(shè)計工程師把微碼存儲在由分立存儲器芯片或存儲器模塊實現(xiàn)的外部存儲器上。在當(dāng) 今的IC集成水平上，處理器微碼幾乎總是存儲在片上RAM或ROM之上。

微碼盡管曾經(jīng)獲得了普及應(yīng)用，但是，本質(zhì)上已經(jīng)從現(xiàn)代的處理器設(shè)計消失了，因為片上可用硬件快速增加、硬件成本的關(guān)聯(lián)下降以及廣泛的采用邏輯綜合來進(jìn)行芯片設(shè)計。所有這些發(fā)展使得ISA的直接硬件實現(xiàn)更加容易并且更加在經(jīng)濟上有吸引力。

贊成采用微碼的案例

微碼提供的若干優(yōu)點：

·目標(biāo)碼在一個家族之內(nèi)與其它處理器兼容或與以前一代的處理器兼容;

—以各種價格-性能特性能夠創(chuàng)建一個家族的待構(gòu)建的處理器。在該家族中的高端處理器實現(xiàn)中間ISA更為直接或者甚至通過多功能單元而加速它，以開發(fā)指令級并行化(ILP)。在該家族中的低端處理器把中間ISA映射至更為有限的硬件上，從而使得程序的執(zhí)行更慢但是也成本更低

—在一個處理器家族中，能夠在多個處理器上 把經(jīng)編寫的編譯器用于中間ISA。從中間ISA至較低端機器的實際指令組的映射—具體包括在微碼中—可以獨立的層編寫，并可能避免采用編譯器，或者至少需 要非常簡單的編譯器。進(jìn)一步說，這樣的映射可能很少采用，因為中間ISA不會暴露給用戶，并且不必按照HLL可能演化的那種方式演化。一些語言編譯器目前 采用中間語言形式(例如Pascal的P代碼或Java的虛擬機)以及一個兩步—或通過解釋或兩步編譯—的過程以產(chǎn)生最終的可執(zhí)行代碼;這個過程可以簡化 對接并也能夠支持針對同一ISA的多個語言—即使不涉及微碼。

·通過采用多個ISA和多個微碼組，由微碼編寫的處理器能夠在運行時間上動態(tài)地適應(yīng)不同的HLL，從而能夠針對以不同的語言編寫的程序?qū)崿F(xiàn)更好的執(zhí)行性能。

·對于依賴于解釋器的各種語言，對適當(dāng)?shù)闹虚gISA的形式開發(fā)以及把那個中間ISA的微碼映射至目標(biāo)ISA，能夠通過把它們的開發(fā)分為更加簡單 的兩級(對于工程設(shè)計來說是一流的劃分和征服方法)而加快語言的可用性。如上所述，這可能對于在RISC上實現(xiàn)多語言支持也是一個策略，或者，對于把一個 語言對接至多個處理器也是一個策略。

·正如上面所討論的，通過把實現(xiàn)一個語言編譯器的過程分為兩級，就有可能為一種新的目標(biāo)機提供語言支持，較之于編寫特殊的目標(biāo)編譯器更加快。

·利用一個中間ISA指令而不是兩個或兩個以上的目標(biāo)ISA指令，代碼長度可以被減少。此外，通過從主存儲器減少指令抓取的數(shù)量可能改善性能。在這種情形下，中間ISA可能較之于固有的機器RISC ISA而創(chuàng)建一種CISC。

·對ISA僅僅部分支持而不是全部支持，可能簡化一種語言不常用部分的編譯器的編寫。對于支持ISA的新型處理器的硬件設(shè)計也可能在復(fù)雜性、設(shè)計努力以及項目風(fēng)險上被減少，因此，采用經(jīng)過很好測試的微碼實現(xiàn)的執(zhí)行來實現(xiàn)某些功能，可能較之于直接硬件實現(xiàn)來說是更好的替代方法。

·這一技術(shù)如果利用更多的現(xiàn)代處理技術(shù)的優(yōu)點可能會更好且時鐘速率更快，以提供對較老機器以及在更新的處理器上的指令集—對較老的ISA的一種虛擬化—的后向兼容性。下一步就是在軟件上完全執(zhí)行這個轉(zhuǎn)換，而完全不涉及任何微碼，這就需要各種技術(shù)改善以提供所需要的性能。這樣的改善可能包括較高頻率、邏輯、可能的多核以及更多的嵌入式存儲器。

反對采用微碼的案例

微碼還具有若干缺點：

·與具有較為簡單的ISA的機器相比，低端中間ISA機器的性能常常非常差，因為中間ISA機器的分層常常證明并不是最優(yōu)化地使用計算資源。

·與針對真實的目標(biāo)機器能夠?qū)崿F(xiàn)的根本簡單的ISA的編譯器相比，在中間ISA上生成代碼的編譯器無法做到同一程度的最優(yōu)化。對編譯的最優(yōu)化只能在兩個獨立的層面上完成。瞄準(zhǔn)一個家族中直接實現(xiàn)中間ISA的高端處理器的HLL編譯器無法為該家族中的低端處理器進(jìn)行最優(yōu)化，除非為它們做特別的修改，這樣會打消它們的一些優(yōu)點。

·為了滿足若干不同的語言的要求，一種針對若干不同ISA的機器可能結(jié)合不穩(wěn)定的設(shè)計折中，從而為所有的目標(biāo)語言提供差的性能。

·微碼編譯器、翻譯器或生成器(把固定的中間ISA翻譯為根本的目標(biāo)、簡單的ISA)可能極度簡單或者難以適應(yīng)，因為它并不打算頻繁地運行。此外，微碼可能難以改變，特別是如果被存儲在ROM之中的話(當(dāng)然一些機器在片上RAM存儲的部分微碼允許改變)。

中間ISA概念的一些領(lǐng)先的支持者把它們具體表達(dá)在Burroughs處理器中 (如上所述)，但是，在文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)許多其它的努力，由多年來構(gòu)建的許多不同的微可編程計算機的可用性來支持。Carlson2討論的一種微編程 Fortran計算機代表了Fortran語言的接近直接實現(xiàn)，并且僅僅需要一個簡單的翻譯器，此外，他還討論了一種微編程的EULER處理器(EULER是Algol 60的變種)。Hassitt、Lageschulte和Lyon3討論的APL機器就采用了微編程。

在上世紀(jì)80年代，F(xiàn)lynn4調(diào)查了許多架構(gòu)方法，其中，包括微碼概念，并試圖定義直接執(zhí)行HLL的理想的語言機器。Moulton5研究了 支持HLL編譯和執(zhí)行的微編程及其的一般設(shè)計。在用微編程支持的許多其它HLL當(dāng)中(見前一節(jié)更多的討論)有LISP6和Prolog7?？赡苷f明這一概 念的最早代表就是Burroughs機器的B1700/1800系列，它支持面向Cobol、Fortran和RPG8的中間ISA。最近，我們已經(jīng)看到 這一方法的元素被用于解釋方法之中，如具有P代碼的Pascal和具有其虛擬機的Java;盡管具有足夠的動機來改善性能并且經(jīng)過足夠的時間，但是，這些 語言的固有編譯器仍然會出現(xiàn)。在任何情況下，這些方法可能不必要采用在現(xiàn)代處理器上的微碼。

過去殘留下來的概念

你可能會推想，上世紀(jì)80年代VLSI的出現(xiàn)已經(jīng)縮減了微編程。的確，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微處理器ISA的出現(xiàn)，那些ISA的多個世代的實現(xiàn)，以及利用現(xiàn)代IC制造工藝可用純晶體管數(shù)的增加，似乎已經(jīng)減少了微碼方法的應(yīng)用。然而，這一技術(shù)的幾個發(fā)育不全的殘跡已經(jīng)在最近幾年浮出表面。例如，在上世紀(jì)80年代末，Unisys推出了所謂的單芯片A系列主機處理器(SCAMP)9，其中結(jié)合的相對低端的RISC處理器類似于該公司在小型、低端的A3和A4主機上采用的處理器，它里面采用的幾百K微碼就是沿用從上世紀(jì)50年代以來在最初的B5000出現(xiàn)時所采用的Burroughs "E-model"指令集。SCAMP被用于"Micro-A"計算機，在此，SCAMP芯片利用許多微碼ROM芯片被匯編至2英寸×2英寸的多芯片模塊之中。

這一方法的另一個有趣的遺跡以及這一問題的一個反例就是在從AMD K610開始的、現(xiàn)在的奔騰級處理器之中發(fā)現(xiàn)的問題。在這些處理器中，以前x86處理器世代的CISC指令利用RISC指令集實現(xiàn)。處理器的指令解碼單元把CISC指令分解為RISC操作，然后，匯編并把這些更為簡單的操作按組流出至處理器的并行執(zhí)行單元。它并不是嚴(yán)格的微碼，但是，它在一定程度上明顯從微碼而來。

這種設(shè)計方法還減輕了為更新的處理器創(chuàng)建新的CISC指令。它創(chuàng)建了一種混合CISC/RISC架構(gòu)。顯然，微架構(gòu)/微碼機器仍然具有一定的作用和位置，它隨著半導(dǎo)體技術(shù)和處理器架構(gòu)的不斷演化而興衰。或許，這一蜥蜴類家族樹的遺跡將在當(dāng)今更為敏捷的哺乳類機器上延續(xù)下去。

盡管依然存在一些中間ISA的殘留應(yīng)用，如上所述，微碼已經(jīng)證明在進(jìn)化上走入了死胡同，因為它不如直接用硬件高效地執(zhí)行一個ISA。一旦硬件電路豐富，微碼的硬件效率就會由它的執(zhí)行低效而超越。在當(dāng)今的處理器設(shè)計中，讓大量比較簡單的機器通過微碼仿效更為復(fù)雜的機器顯然應(yīng)用不廣泛，盡管存在偶然的例外。新的編程語言常常最初通過比較簡單的中間表示法進(jìn)行解釋，但是，如果該語言普及并且如果性能成問題，那么，不可避免地會出現(xiàn)針對“裸金屬”處理器的有效的編譯器，因此，仍然需要采用微編程。