MIC-1

MIC‑1 je mikroarhitektura koju je Andrew S. Tanenbaum osmislio i predstavio u svojoj knjizi Structured Computer Organization (prvo izdanje 1976., kasnije brojna proširena izdanja).

Povijest i razvoj

Razvoj mikroarhitekture MIC‑1 usko je povezan s nastankom udžbenika Structured Computer Organization američkog računalnog znanstvenika Andrewa S. Tanenbauma. Tijekom 1970‑ih i ranih 1980‑ih Tanenbaum je uočio da se studenti računalnih znanosti često susreću s velikim jazom između apstraktnih programskih koncepata i stvarnog funkcioniranja procesora na razini mikroinstrukcija. Kako bi premostio taj jaz, osmislio je jednostavan, ali potpuno funkcionalan model mikroprogramiranog procesora — MIC‑1.

Prvo izdanje

Prvo izdanje knjige, objavljeno 1976., predstavilo je MIC‑1 kao temeljni obrazovni alat za razumijevanje mikroprogramiranja. U kasnijim izdanjima Tanenbaum je model dodatno usavršavao, ali je zadržao njegovu izvorno zamišljenu jednostavnost: jedinstvena sabirnica, mali skup registara, osnovni ALU i mikroprogramska upravljačka jedinica. Time je MIC‑1 postao idealan za demonstraciju kako se instrukcije višeg nivoa razlažu u mikrooperacije.

MIC-2

Kako je nastava arhitekture računala evoluirala, MIC‑1 je dobio i svoje proširenje — MIC‑2, model s dvostrukom sabirnicom koji omogućuje paralelniji tok podataka. Paralelno s time Tanenbaum je razvio i IJVM, pojednostavljeni instrukcijski skup inspiriran Java Virtual Machineom, kako bi studenti mogli vidjeti kako se virtualne instrukcije prevode u mikroinstrukcije MIC‑1 procesora.

Tijekom 1990‑ih i 2000‑ih MIC‑1 je postao standardni dio sveučilišnih kolegija diljem svijeta. Brojni simulacijski alati, vizualizatori mikroinstrukcija i studentski projekti dodatno su učvrstili njegov status kao jednog od najuspješnijih didaktičkih modela u povijesti računalne arhitekture. Unatoč jednostavnosti, MIC‑1 i danas služi kao referentni primjer mikroprogramiranog procesora, posebno u kontekstu usporedbe s modernim RISC arhitekturama koje se oslanjaju na hardverski upravljane kontrolne jedinice.

Opis

MIC‑1 je jednostavan, mikroprogramirani procesor čija je glavna svrha didaktička: omogućiti studentima da prate kako se instrukcije višeg nivoa razlažu u mikrooperacije i kako se one izvršavaju nad internim registrima i sabirnicama.

Arhitektura

MIC‑1 se sastoji od nekoliko ključnih komponenti:

• Sabirnica] (bus) — jedinstvena interna sabirnica preko koje se prenose podaci između registara i ALU‑a.
• Registri — ukupno 16 x 16 bitnih registara uključuju PC, MAR, MDR, IR, H, 5 x registara s fiksnim vrijednostima te skup od 6 općih registara (A,B,C,D,E,F).
• ALU — jednostka za aritmetičko‑logičke operacije, s podrškom za osnovne operacije poput zbrajanja, oduzimanja i logičkih funkcija.
• Upravljačka jedinica — mikroprogramirana; mikroinstrukcije se čuvaju u kontrolnoj memoriji i određuju tok podataka i aktivaciju kontrolnih signala.
• Memorija — modelirana kao jednostavna RAM jedinica dostupna preko MAR/MDR sklopova.

Mikroinstrukcije

Svaka mikroinstrukcija MIC‑1 procesora sastoji se od:

• polja za odabir izvora podataka na sabirnici
• polja za odabir odredišnog registra
• ALU kontrolnih bitova
• kontrolnih signala za memoriju
• adrese sljedeće mikroinstrukcije (sekvenciranje)

Ovaj format omogućuje studentima da jasno vide kako se složene instrukcije strojnog jezika razlažu na niz mikrooperacija. Za mikroinstrukcije Tanenbaum je razvio posebni assemblerski jezik MAL, s kojim se mogao uređivati mikroprogram za MIC-1. U sebi je sadržavao sve osnovne narebe s kojim se moglo upravljati s mikrosekvencerom.

Instrukcijski skup

Instrukcijski skup MIC‑1 (kategorizirano i obojano)

Mnemonic	Encoding	Instruction	Semantics	Kategorija
LODD ‹Arg›	0000xxxxxxxxxxxx	Load Direct	AC := Mem[X]	Memorija
STOD ‹Arg›	0001xxxxxxxxxxxx	Store Direct	Mem[X] := AC	Memorija
ADDD ‹Arg›	0010xxxxxxxxxxxx	Add Direct	AC := AC + Mem[X]	Aritmetika
SUBD ‹Arg›	0011xxxxxxxxxxxx	Subtract Direct	AC := AC - Mem[X]	Aritmetika
JPOS ‹Arg›	0100xxxxxxxxxxxx	Jump on non-negative	If AC ≥ 0, PC := X	Skok
JZER ‹Arg›	0101xxxxxxxxxxxx	Jump on zero	If AC = 0, PC := X	Skok
JUMP ‹Arg›	0110xxxxxxxxxxxx	Jump	PC := X	Skok
LOCO ‹Arg›	0111xxxxxxxxxxxx	Load Constant	AC := X	Aritmetika
LODL ‹Arg›	1000xxxxxxxxxxxx	Load Local	AC := Mem[SP + X]	Memorija
STOL ‹Arg›	1001xxxxxxxxxxxx	Store Local	Mem[SP + X] := AC	Memorija
ADDL ‹Arg›	1010xxxxxxxxxxxx	Add Local	AC := AC + Mem[SP + X]	Aritmetika
SUBL ‹Arg›	1011xxxxxxxxxxxx	Subtract Local	AC := AC - Mem[SP + X]	Aritmetika
JNEG ‹Arg›	1100xxxxxxxxxxxx	Jump on negative	If AC < 0, PC := X	Skok
JNZE ‹Arg›	1101xxxxxxxxxxxx	Jump unless zero	If AC ≠ 0, PC := X	Skok
CALL ‹Arg›	1110xxxxxxxxxxxx	Call	SP := SP - 1; Mem[SP] := PC; PC := X	Kontrola
PSHI	1111000000000000	Push Indirect	SP := SP - 1; Mem[SP] := Mem[AC]	Stog
POPI	1111001000000000	Pop Indirect	Mem[AC] := Mem[SP]; SP := SP + 1	Stog
PUSH	1111010000000000	Push	SP := SP - 1; Mem[SP] := AC	Stog
POP	1111011000000000	Pop	AC := Mem[SP]; SP := SP + 1	Stog
RETN	1111100000000000	Return	PC := Mem[SP]; SP := SP + 1	Kontrola
SWAP	1111101000000000	Swap AC & SP	AC :=: SP	Aritmetika
INSP ‹Arg›	11111100yyyyyyyy	Increment SP	SP := SP + Y	Stog
DESP ‹Arg›	11111110yyyyyyyy	Decrement SP	SP := SP - Y	Stog
HALT	1111111100000000	Halt	Halt processor	Kontrola

MIC‑1 se često koristi zajedno s jednostavnim modelom strojnog jezika nazvanim IJVM (Integer Java Virtual Machine). IJVM je podskup JVM‑a, prilagođen za obrazovne svrhe, a MIC‑1 služi kao njegova hardverska implementacija.

Instrukcije poput IADD, ILOAD, ISTORE, GOTO i INVOKEVIRTUAL demonstriraju kako se visokonivojske operacije prevode u mikroinstrukcije.

Vanjske poveznice

• Simulator za MIC-1
• Simulator MIC-1 napisano u jeziku Java]