الشفرة المصغرة

على مستوى المكونات المادية، تحتوي المعالجات على عدد من الدوائر الإلكترونية المنفصلة، ​​أو "الوحدات"، التي تؤدي مهامًا مختلفة. تشمل الوحدات الشائعة وحدة الحساب والمنطق (ALU) التي تنفذ تعليمات مثل الجمع أو مقارنة عددين، ودوائر لقراءة البيانات وكتابتها إلى الذاكرة الخارجية، ومساحات صغيرة من الذاكرة الداخلية لتخزين هذه القيم أثناء معالجتها. في معظم التصاميم، تُستخدم ذاكرة إضافية عالية الأداء، وهي ملف السجلات ، لتخزين القيم المؤقتة، وليس فقط تلك التي تحتاجها التعليمات الحالية. ^{[ 3 ]}

لتنفيذ أي تعليمة بشكل صحيح، يجب تفعيل الدوائر المختلفة بالتسلسل. على سبيل المثال، لا يمكن جمع عددين إذا لم يتم تحميلهما من الذاكرة. في تصميمات RISC ، يعتمد ترتيب هذه التعليمات بشكل كبير على المبرمج، أو على الأقل على مُصرّف لغة البرمجة المستخدمة . لذا، لجمع عددين في الذاكرة وتخزين النتيجة فيها، على سبيل المثال، قد يُخرج المُصرّف تعليمات لتحميل أحد العددين في سجل، والآخر في سجل آخر، ثم تنفيذ عملية الجمع في وحدة الحساب والمنطق (ALU)، ووضع النتيجة في سجل، ثم تخزين هذا السجل في الذاكرة. ^{[ 3 ]}

بما أن تسلسل التعليمات اللازمة لإتمام هذا المفهوم عالي المستوى، "جمع هذين العددين في الذاكرة"، قد يتطلب عدة تعليمات، فقد يُمثل ذلك عنق زجاجة في الأداء إذا تم تخزين هذه التعليمات في الذاكرة الرئيسية . فقراءة هذه التعليمات واحدة تلو الأخرى تستغرق وقتًا كان من الممكن استغلاله لقراءة البيانات الفعلية وكتابتها. لهذا السبب، من الشائع في تصميمات المعالجات غير القائمة على معمارية RISC أن تحتوي على العديد من التعليمات المختلفة التي تختلف اختلافًا كبيرًا في مكان تخزين البيانات. على سبيل المثال، يحتوي معالج MOS 6502 على ثمانية أنواع مختلفة من تعليمة الجمع، ADCوالتي تختلف فقط في مكان البحث عن المعاملين. ^{[ 4 ]}

يمكن تقليل عدد التعليمات إلى تعليمة واحدة باستخدام صيغة مختلفة من التعليمات، أو ما يُعرف بـ " رمز العملية "، والتي تُطابق العملية النهائية بشكلٍ أدق، مما يوفر مساحة الذاكرة التي يستخدمها البرنامج ويُحسّن الأداء من خلال إبقاء ناقل البيانات مفتوحًا لعمليات أخرى. مع ذلك، داخليًا، لا تُمثل هذه التعليمات عمليات منفصلة، ​​بل هي تسلسلات للعمليات التي تُنفذها الوحدات فعليًا. وتتولى وحدة التحكم ، وهي وحدة أخرى داخل المعالج، مهمة تحويل تعليمة واحدة تُقرأ من الذاكرة إلى تسلسل من الإجراءات الداخلية . ^{[ 5 ]}

تعتمد الفكرة الأساسية وراء البرمجة المصغرة على استبدال منطق الأجهزة المخصص المسؤول عن تنفيذ تسلسل التعليمات بسلسلة من التعليمات البسيطة التي تُنفذ في "محرك البرمجة المصغرة" داخل المعالج. فبينما قد يحتوي نظام المنطق المخصص على سلسلة من الثنائيات والبوابات التي تُخرج سلسلة من الفولتيات على خطوط تحكم مختلفة، يتصل محرك البرمجة المصغرة بهذه الخطوط مباشرةً، ويتم تشغيلها وإيقافها أثناء قراءة المحرك لتعليمات البرمجة المصغرة بالتسلسل. غالبًا ما تُشفّر تعليمات البرمجة المصغرة على هذه الخطوط باستخدام ترميز البتات، فعلى سبيل المثال، إذا كانت البتة 8 صحيحة، فقد يعني ذلك أنه يجب إيقاف وحدة الحساب والمنطق مؤقتًا في انتظار البيانات. وبهذا المعنى، تُشبه البرمجة المصغرة إلى حد ما لفائف الورق في البيانو الآلي ، حيث تُمثل الثقوب المفتاح الذي يجب الضغط عليه.

قد يبدو الفرق بين المنطق المخصص والبرمجة الدقيقة بسيطًا؛ فالأول يستخدم نمطًا من الثنائيات والبوابات لفك تشفير التعليمات وإنتاج سلسلة من الإشارات، بينما يقوم الثاني بتشفير الإشارات كتعليمات دقيقة تُقرأ بالتسلسل لإنتاج النتائج نفسها. يكمن الاختلاف الجوهري في أن تغييرات الخطوات الفردية في تصميم المنطق المخصص تتطلب إعادة تصميم المكونات المادية. أما باستخدام البرمجة الدقيقة، فكل ما يتغير هو الكود المخزن في الذاكرة التي تحتوي على البرمجة الدقيقة أو جهاز التخزين الذي تُحمّل منه البرمجة الدقيقة إلى وحدة التحكم. هذا يُسهّل كثيرًا إصلاح المشكلات في نظام البرمجة الدقيقة. كما يعني أيضًا أنه لا يوجد حد فعلي لتعقيد التعليمات، فهو محدود فقط بكمية الذاكرة المُتاحة للاستخدام.

تُعدّ تعليمات لغة الآلة الخام للمعالج الطبقةَ الأدنى في بنية برمجيات الحاسوب . في المعالجات المُبرمجة بالبرامج الدقيقة، قد يتم جلب هذه التعليمات وفك تشفيرها وتنفيذها بواسطة هذه البرامج. ولتجنب الالتباس، يُفرّق بين كل عنصر متعلق بالبرامج الدقيقة باستخدام البادئة "micro" : التعليمات الدقيقة، والمُجمّع الدقيق، والمبرمج الدقيق، إلخ. ^{[ 6 ]}

قد تستخدم المعالجات الرقمية المعقدة أكثر من وحدة تحكم واحدة (ربما تعتمد على الشفرة الدقيقة) لتفويض المهام الفرعية التي يجب تنفيذها بشكل غير متزامن بالتوازي. على سبيل المثال، يحتوي جهاز VAX 9000 على وحدة IBox مدمجة لجلب التعليمات وفك تشفيرها، والتي تُسلّمها إلى وحدة EBox مُبرمجة بدقة لتنفيذها، ^{[ 7 ]} بينما يحتوي جهاز VAX 8800 على كلٍ من وحدتي IBox وEBox مُبرمجتين بدقة. ^{[ 8 ]}

لا يقوم المبرمجون ذوو المستوى العالي، أو حتى مبرمجو لغة التجميع ، عادةً برؤية أو تعديل الشفرة الدقيقة. على عكس شفرة الآلة، التي غالباً ما تحتفظ ببعض التوافق مع الإصدارات السابقة بين المعالجات المختلفة ضمن نفس العائلة، فإن الشفرة الدقيقة تعمل فقط على الدوائر الإلكترونية المصممة خصيصاً لها، لأنها تشكل جزءاً لا يتجزأ من تصميم المعالج نفسه.

يكتب المهندسون عادةً الشفرة الدقيقة خلال مرحلة تصميم المعالج، ويخزنونها في ذاكرة للقراءة فقط (ROM) أو مصفوفة منطقية قابلة للبرمجة (PLA) ^{[ 9 ]} ، أو في مزيج منهما. ^{[ 10 ]} مع ذلك، توجد أيضًا أجهزة تُخزن فيها بعض أو كل الشفرة الدقيقة في ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) أو ذاكرة الفلاش . يُشار إلى هذا تقليديًا باسم مخزن التحكم القابل للكتابة في سياق الحواسيب، والذي يمكن أن يكون إما ذاكرة للقراءة فقط أو ذاكرة للقراءة والكتابة . في الحالة الأخيرة، تقوم عملية تهيئة وحدة المعالجة المركزية بتحميل الشفرة الدقيقة إلى مخزن التحكم من وسيط تخزين آخر، مع إمكانية تعديل الشفرة الدقيقة لتصحيح الأخطاء في مجموعة التعليمات، أو لتنفيذ تعليمات جديدة للجهاز.

تتألف البرامج المصغرة من سلسلة من التعليمات المصغرة، التي تتحكم في وحدة المعالجة المركزية على مستوى أساسي للغاية من دوائر الأجهزة. على سبيل المثال، قد تحدد تعليمة مصغرة أفقية نموذجية واحدة العمليات التالية في وقت واحد:

• قم بتوصيل المسجل 1 بالجانب A من وحدة الحساب والمنطق (ALU).
• قم بتوصيل المسجل 7 بالجانب B من وحدة الحساب والمنطق (ALU).
• اضبط وحدة الحساب والمنطق (ALU) لإجراء عملية جمع باستخدام نظام المتمم الثنائي
• اضبط مدخل الحمل لوحدة الحساب والمنطق على الصفر
• قم بتوصيل مخرج وحدة الحساب والمنطق (ALU) بالمسجل رقم 8
• قم بتحديث رموز الحالة من علامات حالة وحدة الحساب والمنطق ( سالبة ، صفر ، تجاوز السعة ، وحمل )
• انتقل إلى عنوان محدد في وحدة التحكم الدقيقة (μPC) لتنفيذ التعليمات الدقيقة التالية

للتحكم في جميع وظائف المعالج في دورة واحدة، غالبًا ما يتجاوز عرض التعليمات الدقيقة 50 بتًا؛ على سبيل المثال، 128 بتًا في جهاز 360/85 المزود بخاصية المحاكاة. تُصمم البرامج الدقيقة بعناية وتُحسّن لتحقيق أسرع تنفيذ ممكن، إذ أن بطء البرنامج الدقيق يؤدي إلى بطء تنفيذ تعليمات الجهاز وتراجع أداء برامج التطبيقات المرتبطة التي تستخدم هذه التعليمات.

تعمل البرامج المصغرة للمعالج على بنية أكثر بدائية، ومختلفة تمامًا، وأكثر ارتباطًا بالأجهزة من تعليمات التجميع التي يراها المبرمجون العاديون. وبالتنسيق مع الأجهزة، تُنفذ الشفرة المصغرة البنية التي يراها المبرمج. ولا يشترط أن تكون هناك علاقة ثابتة بين الأجهزة الأساسية والبنية المرئية. وهذا يُسهّل تنفيذ بنية مجموعة تعليمات معينة على نطاق واسع من البنى المصغرة للأجهزة الأساسية.

يتميز نظام IBM System/360 ببنية 32 بت مع 16 مسجلاً للأغراض العامة، إلا أن معظم تطبيقات System/360 تستخدم مكونات مادية تُنفذ بنية دقيقة أساسية أبسط بكثير؛ فعلى سبيل المثال، يحتوي طراز System/360 30 على مسارات بيانات 8 بت إلى وحدة الحساب والمنطق (ALU) والذاكرة الرئيسية، ويُنفذ المسجلات للأغراض العامة في وحدة خاصة من ذاكرة أساسية عالية السرعة . أما طراز System/360 40، فيحتوي على مسارات بيانات 8 بت إلى وحدة الحساب والمنطق ومسارات بيانات 16 بت إلى الذاكرة الرئيسية، ويُنفذ المسجلات للأغراض العامة أيضًا في وحدة خاصة من ذاكرة أساسية عالية السرعة. بينما يحتوي الطراز 50 على مسارات بيانات كاملة 32 بت، ويُنفذ المسجلات للأغراض العامة في وحدة خاصة من ذاكرة أساسية عالية السرعة. ^{[ 12 ]} أما الطرازات من 65 إلى 195، فتتميز بمسارات بيانات أكبر، وتُنفذ المسجلات للأغراض العامة في دوائر ترانزستور أسرع. وبهذه الطريقة، مكّنت البرمجة الدقيقة شركة IBM من تصميم العديد من نماذج System/360 ذات مكونات مادية مختلفة بشكل كبير، وتغطي نطاقًا واسعًا من التكلفة والأداء، مع ضمان توافقها جميعًا من الناحية المعمارية. وهذا يقلل بشكل كبير من عدد برامج النظام الفريدة التي يجب كتابتها لكل نموذج.

يُعدّ جهاز PDP-11 من شركة Digital Equipment Corporation جهازًا ذا بنية 16 بت، مزودًا بثمانية سجلات للأغراض العامة. طُرح في عام 1970، وظلّت بنيته الأساسية دون تغيير طوال التسعينيات. الجهاز الأصلي فقط من هذه السلسلة لم يكن مُبرمجًا ببرنامج دقيق. بين عامي 1972 و1976، تراوح عرض البرنامج الدقيق الأساسي لجهاز PDP-11 بين 22 و64 بتًا. وتراوح طول البرنامج الدقيق بين 256 و1024 كلمة، حيث يرتبط طول البرنامج الدقيق الأكبر عمومًا بعرض أضيق. ^{[ 13 ]} يشير هذا التنوع في عروض البرامج الدقيقة إلى وجود سبعة تطبيقات مختلفة على الأقل لجهاز PDP-11 في غضون أربع سنوات فقط.

استخدمت شركة ديجيتال إكويبمنت نهجًا مشابهًا في عائلة حواسيب VAX. ونتيجةً لذلك، تستخدم معالجات VAX المختلفة بنى دقيقة مختلفة، إلا أن البنية الظاهرة للمبرمج لا تتغير.

كما أن البرمجة الدقيقة تقلل من تكلفة التغييرات الميدانية لتصحيح العيوب ( الأخطاء ) في المعالج؛ ويمكن في كثير من الأحيان إصلاح الخطأ عن طريق استبدال جزء من البرنامج الدقيق بدلاً من إجراء تغييرات على منطق الأجهزة والأسلاك.

استخدم حاسوب ACE، الذي صممه آلان تورينج عام 1946، البرمجة الدقيقة. ^{[ 14 ]}

في عام 1947، قدّم تصميم حاسوب MIT Whirlwind مفهوم مخزن التحكم كوسيلة لتبسيط تصميم الحواسيب وتجاوز الأساليب المخصصة . مخزن التحكم عبارة عن مصفوفة ثنائية : شبكة ثنائية الأبعاد، حيث يستقبل أحد أبعادها "نبضات التحكم الزمنية" من الساعة الداخلية لوحدة المعالجة المركزية، بينما يتصل البعد الآخر بإشارات التحكم على البوابات والدوائر الأخرى. يقوم "موزع النبضات" بأخذ النبضات المولدة من ساعة وحدة المعالجة المركزية وتقسيمها إلى ثماني نبضات زمنية منفصلة، ​​تُفعّل كل منها صفًا مختلفًا من الشبكة. عند تفعيل الصف، يتم تفعيل إشارات التحكم المتصلة به. ^{[ 15 ]}

في عام ١٩٥١، طوّر موريس ويلكس ^{[ ١٦ ]} هذا المفهوم بإضافة التنفيذ المشروط ، وهو مفهوم مشابه للشرط في برمجيات الحاسوب. تكوّن تطبيقه الأولي من مصفوفتين: الأولى تُولّد إشارات على غرار مخزن التحكم Whirlwind، بينما تُحدّد الثانية صف الإشارات (كلمة تعليمات البرنامج المصغر، إن صح التعبير) الذي سيتم استدعاؤه في الدورة التالية. تم تطبيق الشروط من خلال توفير آلية تُمكّن سطرًا واحدًا في مخزن التحكم من الاختيار من بين البدائل في المصفوفة الثانية. هذا جعل إشارات التحكم مشروطة بالإشارة الداخلية المُكتشفة. وقد صاغ ويلكس مصطلح البرمجة المصغرة لوصف هذه الخاصية وتمييزها عن مخزن التحكم البسيط.

ظلّت البرمجة الدقيقة نادرة نسبيًا في تصميم الحواسيب، إذ لم تكن تكلفة ذاكرة القراءة فقط (ROM) اللازمة لتخزين الشفرة تختلف اختلافًا كبيرًا عن تكلفة منطق التحكم المخصص. تغيّر هذا الوضع في أوائل الستينيات مع طرح ذاكرة النواة (core memory) ووحدة النواة (core rope) المنتجة بكميات كبيرة، والتي كانت أقل تكلفة بكثير من المنطق المخصص القائم على مصفوفات الثنائيات أو حلول مماثلة. وكانت شركة IBM أول من استفاد من ذلك فعليًا في سلسلة System/360 عام 1964. وقد مكّن هذا الأجهزة من امتلاك مجموعة تعليمات معقدة للغاية، بما في ذلك عمليات تُطابق بنيات لغات البرمجة عالية المستوى، مثل تنسيق القيم الثنائية كسلاسل عشرية، وتشفير سلسلة الخطوات الداخلية المعقدة اللازمة لهذه المهمة في ذاكرة منخفضة التكلفة. ^{[ 17 ]}

لكن القيمة الحقيقية لسلسلة 360 تكمن في إمكانية بناء سلسلة من الأجهزة ذات مكونات داخلية مختلفة تمامًا، ومع ذلك تعمل بنفس بنية مجموعة التعليمات (ISA). ففي جهاز منخفض المواصفات، قد يُستخدم مُعالج حساب ومنطق (ALU) ذو 8 بتات يتطلب دورات متعددة لإتمام عملية جمع واحدة لعدد 32 بت، بينما قد يحتوي جهاز عالي المواصفات على مُعالج حساب ومنطق كامل ذو 32 بت يُجري عملية الجمع نفسها في دورة واحدة. يمكن تطبيق هذه الاختلافات في منطق التحكم، لكن تكلفة تنفيذ مُفكِّك شفرة مختلف تمامًا لكل جهاز ستكون باهظة. استخدام الشفرة الدقيقة يعني أن التغيير الوحيد هو في الشفرة الموجودة في ذاكرة القراءة فقط (ROM). على سبيل المثال، قد يحتوي جهاز ما على وحدة حساب الفاصلة العائمة ، وبالتالي قد تكون شفرته الدقيقة لضرب عددين بضعة أسطر فقط، بينما في نفس الجهاز بدون وحدة حساب الفاصلة العائمة، سيكون هذا برنامجًا يُجري العملية نفسها باستخدام عمليات جمع متعددة، والتغيير الوحيد هو في ذاكرة القراءة فقط. ^{[ 17 ]}

كانت نتيجة هذا التصميم تمكين العملاء من استخدام نموذج منخفض التكلفة من هذه العائلة لتطوير برامجهم، مع العلم أنه في حال الحاجة إلى أداء أفضل، يمكنهم الترقية إلى إصدار أسرع دون أي تغييرات أخرى. وقد ساهم ذلك في خفض تكلفة الدخول إلى السوق، وحقق جهاز 360 نجاحًا باهرًا. وبحلول نهاية العقد، أصبح استخدام الشفرة المصغرة أمرًا لا غنى عنه في صناعة الحواسيب المركزية.

كانت الحواسيب الصغيرة المبكرة بسيطة للغاية لدرجة أنها لم تتطلب استخدام الشفرة الدقيقة، وكانت أقرب إلى الحواسيب المركزية القديمة من حيث مجموعات التعليمات وطريقة فك تشفيرها. ولكن سرعان ما بدأ مصمموها باستخدام دوائر متكاملة أكثر قوة سمحت بإنشاء مجموعات تعليمات أكثر تعقيدًا. وبحلول منتصف سبعينيات القرن العشرين، كانت معظم الحواسيب الصغيرة والحواسيب فائقة الصغر الجديدة تستخدم الشفرة الدقيقة أيضًا، مثل معظم طرازات PDP-11 ، والأهم من ذلك، معظم طرازات VAX ، التي تضمنت تعليمات عالية المستوى لا تختلف كثيرًا عن تلك الموجودة في جهاز 360. ^{[ 18 ]}

شهدت المعالجات الدقيقة تطورًا أساسيًا مماثلًا . كانت التصاميم المبكرة بسيطة للغاية، حتى أن التصاميم الأقوى ذات 8 بت في منتصف سبعينيات القرن الماضي، مثل Zilog Z80، احتوت على مجموعات تعليمات بسيطة بما يكفي لتنفيذها في منطق مخصص. في ذلك الوقت، أصبح من الممكن دمج منطق التحكم في نفس شريحة المعالج، مما قلل من أهمية فرق التكلفة بين ذاكرة القراءة فقط (ROM) والمنطق. مع ذلك، لم يمضِ وقت طويل حتى واجهت هذه الشركات مشكلة تقديم تصاميم ذات أداء أعلى مع الحفاظ على التوافق مع الإصدارات السابقة . من بين الأمثلة المبكرة على استخدام الشفرة المصغرة في المعالجات الدقيقة معالج Intel 8086. ^{[ 5 ]}

يُعدّ معالج موتورولا 68000 من أبرز تطبيقات البرمجة الدقيقة في المعالجات الدقيقة . فقد وفّر مجموعة تعليمات متعامدة للغاية مع مجموعة واسعة من أنماط العنونة ، وكلها مُنفّذة باستخدام البرمجة الدقيقة. لكن هذا لم يأتِ دون ثمن، فبحسب مقالات سابقة، يُشكّل نظام البرمجة الدقيقة حوالي 20% من مساحة سطح الشريحة (وبالتالي تكلفتها) ^{[ 19 ]} ، وتشير تقديرات لاحقة إلى أن حوالي 23000 من ترانزستورات المعالج البالغ عددها 68000 كانت جزءًا من نظام البرمجة الدقيقة.

بينما استمرت الشركات في التنافس على تعقيد مجموعات التعليمات الخاصة بها، ولم يكن استخدام الشفرة المصغرة لتنفيذها موضع شك، في منتصف سبعينيات القرن الماضي، أثار مشروع داخلي في شركة IBM تساؤلات جدية حول المفهوم برمته. ففي إطار مشروع لتطوير مقسم هاتف رقمي عالي الأداء ، بدأ فريق بقيادة جون كوك بدراسة كميات هائلة من بيانات الأداء من برامج عميلهم 360 (و System/370 ). قادهم هذا إلى ملاحظة نمط غريب: عندما تُقدم مجموعة تعليمات المعالج (ISA) إصدارات متعددة من تعليمة ما، كان المُترجم يستخدم دائمًا الإصدار الأبسط، بدلًا من الإصدار الذي يُمثل الشفرة بشكل مباشر. اكتشفوا أن السبب في ذلك هو أن هذه التعليمات تُنفذ دائمًا في الأجهزة، وبالتالي تعمل بأسرع ما يمكن. قد يُوفر استخدام التعليمة الأخرى أداءً أفضل على بعض الأجهزة، ولكن لم تكن هناك طريقة لمعرفة الجهاز الذي تُنفذ عليه. هذا يُفقد استخدام الشفرة المصغرة جدواه الأساسية، وهي إخفاء هذه الفروقات. ^{[ 20 ]}

توصل الفريق إلى استنتاج جذري: "إن فرض التعليمات البرمجية الدقيقة بين الكمبيوتر ومستخدميه يفرض تكلفة إضافية باهظة في تنفيذ التعليمات الأكثر تكرارًا." ^{[ 20 ]}

أسفر هذا الاكتشاف عن ما يُعرف اليوم بمفهوم RISC . يتم تقليص حجم محرك التعليمات البرمجية الدقيقة المعقد وذاكرة القراءة فقط (ROM) المرتبطة به، أو حتى إلغاؤه تمامًا، وتُخصص هذه الدوائر بدلاً من ذلك لوظائف مثل سجلات إضافية أو وحدة حساب ومنطق (ALU) أوسع، مما يُحسّن أداء كل برنامج. عند الحاجة إلى تسلسلات معقدة من التعليمات، يُترك ذلك للمُترجم، وهو الغرض الأساسي من استخدام المُترجم. سرعان ما تبنى باحثون جامعيون في كاليفورنيا هذا المفهوم الأساسي، حيث أشارت المحاكاة إلى أن هذه التصاميم ستتفوق بسهولة حتى على أسرع التصاميم التقليدية. وكان أحد هذه المشاريع، في جامعة كاليفورنيا، بيركلي ، هو الذي قدم مصطلح RISC.

استقبلت الصناعة مفهوم RISC بالحيرة والعداء، بما في ذلك مقالٌ شهيرٌ استهزأ به فريق VAX في شركة Digital. ^{[ 21 ]} تمحورت إحدى نقاط الخلاف الرئيسية حول أن تنفيذ التعليمات خارج المعالج يعني قضاء وقتٍ أطول بكثير في قراءة تلك التعليمات من الذاكرة، مما يُبطئ الأداء العام بغض النظر عن سرعة وحدة المعالجة المركزية نفسها. ^{[ 21 ]} وأشار المؤيدون إلى أن عمليات المحاكاة أظهرت بوضوح أن عدد التعليمات لم يكن أكبر بكثير، خاصةً عند النظر إلى الكود المُترجم. ^{[ 20 ]}

استمر الجدل محتدمًا حتى ظهور أولى تصميمات RISC التجارية في النصف الثاني من ثمانينيات القرن العشرين، والتي تفوقت بسهولة على أكثر التصميمات تعقيدًا من الشركات الأخرى. وبحلول أواخر الثمانينيات، انتهى الجدل؛ حتى شركة DEC تخلت عن استخدام الشفرة الدقيقة في تصميمات DEC Alpha ، وتحولت معالجات CISC إلى استخدام الدوائر الإلكترونية الثابتة، بدلًا من الشفرة الدقيقة، لأداء العديد من الوظائف. على سبيل المثال، يستخدم معالج Intel 80486 الدوائر الإلكترونية الثابتة لجلب التعليمات وفك تشفيرها، ويستخدم الشفرة الدقيقة فقط لتنفيذ التعليمات؛ إذ تتطلب تعليمات نقل البيانات بين المسجلات والعمليات الحسابية تعليمة دقيقة واحدة فقط، مما يسمح بإكمالها في دورة ساعة واحدة. ^{[ 22 ]} أما في معالج Pentium Pro ، فتقوم وحدة جلب التعليمات وفك تشفيرها بجلب التعليمات وفك تشفيرها إلى سلسلة من العمليات الدقيقة التي تُمرر إلى وحدة التنفيذ، التي بدورها تُجدول هذه العمليات وتنفذها، وقد تفعل ذلك بترتيب غير متسلسل . تُنفذ التعليمات المعقدة بواسطة شفرة دقيقة تتكون من تسلسلات محددة مسبقًا من العمليات الدقيقة. ^{[ 23 ]}

تستخدم بعض تصميمات المعالجات لغة الآلة التي تعمل في وضع خاص، مع تعليمات خاصة متاحة فقط في هذا الوضع، والتي تتمتع بإمكانية الوصول إلى مكونات مادية خاصة بالمعالج، وذلك لتنفيذ بعض الميزات الأساسية لمجموعة التعليمات. استخدم معالج DEC Alpha، وهو تصميم RISC خالص، لغة PALcode لتنفيذ ميزات مثل معالجة أخطاء مخزن الترجمة المؤقت (TLB) ومعالجة المقاطعات، ^{[ 24 ]} بالإضافة إلى توفير تعليمات لأنظمة Alpha التي تعمل بنظام OpenVMS ، تتطلب الوصول إلى الذاكرة المتشابكة، وهي تعليمات مشابهة لتلك التي توفرها بنية VAX . ^{[ 24 ]} تستخدم وحدات المعالجة المركزية CMOS IBM System/390 ، بدءًا من معالج G4، ووحدات المعالجة المركزية z/Architecture لغة millicode لتنفيذ بعض التعليمات. ^{[ 25 ]}

تتضمن الشفرة الدقيقة الأفقية عدة عمليات دقيقة منفصلة تُدمج في تعليمة دقيقة واحدة للتنفيذ المتزامن. ^{[ 1 ]} عادةً ما تُخزَّن الشفرة الدقيقة الأفقية في ذاكرة تحكم واسعة نسبيًا؛ فليس من النادر أن يصل طول كل كلمة إلى 108 بت أو أكثر. مع كل نبضة من ساعة التسلسل، تُقرأ كلمة من الشفرة الدقيقة، وتُفك شفرتها، وتُستخدم للتحكم في العناصر الوظيفية التي تُشكِّل وحدة المعالجة المركزية.

في تطبيق نموذجي، تتألف كلمة البرنامج المصغر الأفقي من مجموعات محددة بدقة من البتات. على سبيل المثال، قد يكون أحد الترتيبات البسيطة كما يلي:

لكي تُنفّذ هذه الآلة الدقيقة تعليمة القفز (JUMP) مع العنوان الذي يلي رمز العملية (opcode)، قد يتطلب الكود البرمجي الدقيق نبضتين من نبضات الساعة. سيكتب المهندس المصمم لها كودًا برمجيًا باستخدام لغة التجميع الدقيقة (microassembler) على النحو التالي:

# أي سطر يبدأ بعلامة رقم هو تعليق. # هذه مجرد تسمية، وهي الطريقة المعتادة التي تمثل بها المجمعات عنوان الذاكرة بشكل رمزي. # InstructionJUMP : # للاستعداد للتعليمات التالية، قام برنامج فك تشفير التعليمات المصغر بنقل عداد البرنامج إلى سجل عنوان الذاكرة. # تجلب هذه التعليمات عنوان الهدف لتعليمات القفز من كلمة الذاكرة التي تلي رمز عملية القفز، عن طريق النسخ من سجل بيانات الذاكرة إلى سجل عنوان الذاكرة. # هذا يعطي نظام الذاكرة نبضتين ساعة لجلب التعليمات التالية إلى سجل بيانات الذاكرة لاستخدامها في فك تشفير التعليمات. # تعني تعليمة التسلسل "next" إضافة 1 إلى عنوان كلمة التحكم. MDR ، NONE ، MAR ، COPY ، NEXT ، NONE # يضع هذا عنوان التعليمات التالية في عداد البرنامج. # هذا يعطي نظام الذاكرة نبضة ساعة لإنهاء عملية الجلب التي بدأت في # التعليمات المصغرة السابقة. # تعليمة التسلسل هي القفز إلى بداية فك تشفير التعليمات. MAR ، 1 ، PC ، ADD ، JMP ، InstructionDecode # لم يتم عرض فك تشفير التعليمات، لأنه عادةً ما يكون معقدًا للغاية، ويعتمد بشكل كبير # على المعالج المحدد الذي تتم محاكاته. حتى هذا المثال مبسط. # لدى العديد من وحدات المعالجة المركزية عدة طرق لحساب العنوان، بدلاً من مجرد جلبه # من الكلمة التي تلي رمز العملية. لذلك، بدلاً من مجرد # تعليمة قفز واحدة، تحتوي وحدات المعالجة المركزية هذه على مجموعة من تعليمات القفز ذات الصلة.

في كل دورة معالجة، من الشائع ملاحظة استخدام أجزاء محددة فقط من وحدة المعالجة المركزية، بينما تبقى مجموعات البتات المتبقية في التعليمات الدقيقة غير مُفعّلة. مع التصميم الدقيق للأجهزة والبرامج الدقيقة، يمكن استغلال هذه الخاصية لتنفيذ عمليات موازية تستخدم مناطق مختلفة من وحدة المعالجة المركزية؛ على سبيل المثال، في الحالة المذكورة أعلاه، لا تُطلب وحدة الحساب والمنطق خلال دورة المعالجة الأولى، لذا يُمكن استخدامها لإكمال تعليمات حسابية سابقة.

في البرمجة الدقيقة العمودية، تُشفّر كل تعليمة دقيقة بشكل كبير، أي أن حقول البتات تمر عادةً عبر منطق توافقي وسيط، والذي بدوره يُولّد إشارات التحكم والتسلسل لعناصر وحدة المعالجة المركزية الداخلية (وحدة الحساب والمنطق، المسجلات، إلخ). وهذا يختلف عن البرمجة الدقيقة الأفقية، حيث تُنتج حقول البتات إشارات التحكم والتسلسل مباشرةً أو تُشفّر بشكل طفيف فقط. ونتيجةً لذلك، تتطلب البرمجة الدقيقة العمودية تعليمات أقصر ومساحة تخزين أقل، ولكنها تتطلب وقتًا أطول لفك التشفير، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة ساعة وحدة المعالجة المركزية. ^{[ 45 ]}

بعض الشفرات الدقيقة العمودية هي مجرد لغة تجميع لحاسوب تقليدي بسيط يحاكي حاسوبًا أكثر تعقيدًا. تستخدم بعض المعالجات، مثل معالجات DEC Alpha ومعالجات CMOS الدقيقة في أجهزة IBM الرئيسية اللاحقة System/390 و z/Architecture ، شفرة الآلة، التي تعمل في وضع خاص يتيح لها الوصول إلى تعليمات وسجلات خاصة وموارد أجهزة أخرى غير متاحة لشفرة الآلة العادية، لتنفيذ بعض التعليمات والوظائف الأخرى، ^{[ 46 ] [ 47 ]} مثل عمليات البحث في جداول الصفحات على معالجات Alpha. ^{[ 48 ]} يُطلق على هذا اسم PALcode على معالجات Alpha و millicode على معالجات IBM الرئيسية.

يوجد شكل آخر من أشكال الشفرة المصغرة العمودية يحتوي على حقلين:

يُحدد حقل الاختيار أي جزء من وحدة المعالجة المركزية سيتم التحكم فيه بواسطة هذه الكلمة من مخزن التحكم. ويتحكم حقل القيمة في ذلك الجزء من وحدة المعالجة المركزية. مع هذا النوع من التعليمات البرمجية الدقيقة، يختار المصمم صراحةً تصميم وحدة معالجة مركزية أبطأ لتوفير التكاليف عن طريق تقليل البتات غير المستخدمة في مخزن التحكم؛ ومع ذلك، قد يؤدي انخفاض التعقيد إلى زيادة تردد ساعة وحدة المعالجة المركزية، مما يقلل من تأثير زيادة عدد الدورات لكل تعليمة.

مع انخفاض تكلفة الترانزستورات، أصبحت الشفرة الدقيقة الأفقية هي المهيمنة على تصميم وحدات المعالجة المركزية باستخدام الشفرة الدقيقة، بينما أصبح استخدام الشفرة الدقيقة الرأسية أقل شيوعًا.

عند استخدام كل من الشفرة الدقيقة الرأسية والأفقية، يمكن الإشارة إلى الشفرة الدقيقة الأفقية باسم الشفرة النانوية أو الشفرة البيكو . ^{[ 49 ]}

يُعدّ PDP -8 عائلة من الحواسيب الصغيرة ذات 12 بت، أطلقتها شركة Digital Equipment Corporation عام 1965. كانت تعليمات OPR (معدل التشغيل) تُوصف بأنها "مُشفّرة بدقة". لم يكن هذا المصطلح يحمل المعنى الشائع اليوم، بل كان يعني أن كل بت من كلمة التعليمات يُحدد إجراءً مُعينًا، وأن المُبرمج يستطيع تنفيذ عدة إجراءات في دورة تعليمات واحدة عن طريق ضبط بتات مُتعددة. من أمثلة هذه الإجراءات: مسح المُراكم، وتكميل المُراكم، والتدوير إلى اليمين، والتدوير إلى اليمين مرتين، وتبديل البايتات.

يستخدم بعض موردي الأجهزة، ولا سيما IBM و Lenovo ، مصطلح "البرنامج المصغر" (microcode) كمرادف لمصطلح " البرنامج الثابت المدمج" (embedded firmware ). في هذا السياق، يُطلق مصطلح "البرنامج المصغر" على جميع التعليمات البرمجية داخل الجهاز، سواء كانت تعليمات برمجية مصغرة أو تعليمات برمجية آلية. على سبيل المثال، قد تشمل تحديثات البرنامج المصغر لمحرك الأقراص الصلبة تحديثات لكل من البرنامج المصغر والبرنامج الثابت. ^{[ 67 ]} وقد شاع استخدام البرامج الثابتة المدمجة في المعالجات الخاصة بتطبيقات محددة، مثل معالجات الشبكات ، ومعالجات الإشارات الرقمية ، ووحدات التحكم في القنوات ، ووحدات التحكم في الأقراص ، ووحدات التحكم في واجهات الشبكة ، ووحدات التحكم في ذاكرة الفلاش ، ووحدات معالجة الرسومات ، وفي أجهزة أخرى.