JP2002189591A - プロセッサ - Google Patents
プロセッサInfo
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- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
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- Advance Control (AREA)
- Executing Machine-Instructions (AREA)
- Microcomputers (AREA)
- Memory System (AREA)
Abstract
ロセッサを提供する。 【解決手段】 本発明のプロセッサは、ロード/ストア
命令と、このロード/ストア命令によりロード/ストア
されたデータにアクセスする後続命令との間のクロック
数を計測するロード/ストア遅延量計測部21と、ロー
ド/ストア遅延量計測部21で計測されたクロック数に
基づいて、内蔵メモリ11に供給する電源電圧やしきい
値電圧の電圧レベルを可変制御するアクセス速度可変制
御部22とを有する。ロード命令等のメモリアクセス命
令のアクセス先に後続命令がアクセスする場合に、両命
令間のクロック数に応じて、内蔵メモリ11に供給する
電源電圧やしきい値電圧を制御するため、命令列の実行
に支障がない範囲でメモリアクセス命令の実行時間を制
御でき、プロセッサの処理速度を落とさずに消費電力の
低減を図ることができる。
Description
費電力化に関し、特に、プロセッサが記憶装置にアクセ
スする際の消費電力を低減する技術に関する。
高くなる傾向にあり、また、バッテリで駆動する携帯電
子機器が急速な勢いで普及していることから、LSIの
低消費電力化が重要視されつつある。
とメモリとを混載したLSIの開発が盛んに行われてい
るが、メモリ混載型のLSIはメモリなしのLSIより
も消費電力が大きくなる傾向にある。
V*V*n*f+Psと表すことができる。ここで、aはLSIの
稼働率、CはLSIの容量、Vは電圧、nは素子数、f
は動作周波数、Psは待機時の消費電力である。
(a)デバイスやプロセスに依存する方法、(b)メモ
リ内の基本部品に依存する方法(例えば、センスアンプ
の構成やセルアレイの構成を工夫するなど)、(c)メ
モリの外側からの制御による方法などが考えられる。
ようなものである。 (c-1)単体のメモリとして使用するときのみ電力を消費
するようにする。(c-2)機能的には一つでも、複数のメ
モリに分割し、使用するメモリのみで電力を消費するよ
うにする。(c-3)消費電力の使用量の異なる複数のメモ
リを使用して使い分ける。(c-4)プロセッサから見える
メモリのアドレスをグレイコード化するなどして、アド
レス線から信号が伝搬する素子の充放電を小さくする。
(c-5)メモリに与えるデータが、ある値の付近で小さく
振れる場合には、そのデータからの変化分をグレイコー
ドとして扱い、データ線から信号が伝搬する素子の充放
電を小さくする。(c-6)DRAMの場合には、リフレッシュ
に関する制御をコントロールする。
リの実効稼働率aに関する低消費電力化手法である。
(c)と同様の上位アーキテクチャレベルの低消費電力
化手法として、以下のようなものがある。
な周波数で動作させる。ただし、原則として、その周波
数は各部で固定する。
を全体的に低減する低消費電力動作モードなどを設け、
低消費電力動作モードの定義に従って、LSI内部の一
部あるいは全部の動作周波数を下げたり、クロックを停
止したりする。
力動作モードなどを設けて、電源電圧やしきい値電圧を
下げる。
ップにはクロックを供給しない。
るパイプライン制御の手法として、ノンブロッキング制
御と呼ばれる手法がある。
ジ(Fstage)、デコード/レジスタ読み出しステージ
(Dstage)、メモリアクセス/演算ステージ(Estag
e)、レジスタ書き込みステージ(Wstage)という四段
にパイプライン構成されたプロセッサについて考える。
と、命令メモリ2と、命令レジスタ3と、デコーダ4
と、レジスタ5と、セレクタ6と、パイプラインレジス
タ7と、演算器8と、ロード/ストア制御装置9と、内
蔵メモリ11とを有する。
命令メモリ2から読み出した命令レジスタ3内の命令
を、Dstageでデコーダ4でデコードし、Estageでロード
/ストア制御装置9を介して、内蔵メモリ11や外部メ
モリ14にアクセスしてデータを読み出し、Wstageでデ
ータをレジスタ番号Rsで示される読み出しレジスタ5に
書き込む。
stageで命令を読み出し、DstageでレジスタRtからアド
レスを、Rsからデータを読み出し、Estageで内蔵メモリ
11のアドレスにアクセスしてデータを書き込み、Wsta
geでは何もしない。
で命令を読み出し、DstageでレジスタRs,Rtの値を読み
出し、EstageでRs,Rtから読み出したデータを演算器8
で加算し、Wstageで読み出しレジスタ5に加算結果を書
き込む。また、他の減算命令(sub Rs,Rt)、OR命令
(or Rs,Rt)、AND命令(and Rs,Rt)も、加算命令と
同様に動作する。
の値を取るものとする。また、これらの動作は、デコー
ダ4によりデコードされた制御信号により制御されてい
る。
列の一例を示す図であり、ロード命令がデータをロード
したレジスタR1を、後続のadd命令が参照する例を示
している。図10(a)の例では、ロード命令とadd
命令との間に3命令が存在する。
データを、Estageでロードできた場合は、そのデータを
ロード命令の直後の命令で使用できるように、データの
バイパス回路が組み込まれているものとする。図10
(a)の例では、ロード命令でロードしたデータをsu
b命令で使用可能である。
メモリ11内になくてキャッシュミスを起こした場合
や、ロード対象が外部メモリ14の場合は、図10
(b)のようにロード命令のEstageおよびそれ以降の命
令をストールさせて、有効なデータがロードされるまで
待機する方法と、図10(c)に示すようにロードした
データを必要とする命令がDstageに達してから初めてス
トールさせる方法がある。
geに達する以前は、ロード/ストア制御装置9による制
御機構とプロセッサのパイプライン機構は別個に動作し
ている。その結果、図10(d)に示すようにストール
せずに済む場合もある。なお、図10(b)〜図10
(d)は、ロードに要するクロック数が6クロックの例
を示している。
させる制御手法をロードのノンブロッキング制御とい
う。本発明では、ロード命令とそのロードデータを使用
する命令との間のクロック数、すなわちノンブロッキン
グ動作可能な命令数をロード遅延数と呼ぶ。例えば、図
10(d)のロード遅延数は5である。
Estageのロード命令でロードされる先のレジスタ番号
と、Dstageの後続命令で参照されるレジスタの番号が一
致し、かつEstageでまだ有効なデータがロードされてい
ない場合に、このDstageをストールさせるようにすれば
よい。
を備えた従来のプロセッサのブロック構成を示してい
る。図9のプロセッサは、ノンブロッキング制御を行う
ノンブロッキング制御部12をロード/ストア制御装置
9内に設けている。
するロード命令でロードされるべきデータが後続命令の
Estageでまだロードされていない場合のみ、パイプライ
ン処理をストールさせるため、ストールの頻度が少なく
なってプロセッサの性能向上が図れる。
プロセッサは、高速のクロックで動作するため、1サイ
クルの時間が短く、ノンブロッキング制御を行っても、
ストールの頻度を減らせないおそれがある。また、プロ
セッサの動作周波数が高くなるほど、消費電力が増える
という問題もある。
ものであり、その目的は、性能を低下させることなく、
消費電力を低減できるプロセッサを提供することにあ
る。
ために、本発明は、記憶装置にアクセスしてデータの読
み出しあるいは書き込みを行うメモリアクセス命令と、
該メモリアクセス命令の後に発行され該メモリアクセス
命令により読み出しまたは書き込まれたデータにアクセ
スする命令と、の間のクロック数を検出するクロック数
検出手段と、前記クロック数検出手段で検出されたクロ
ック数に基づいて、該メモリアクセス命令で前記記憶装
置をアクセスするのに要する時間を調整するアクセス時
間調整手段と、を備える。
メモリアクセス命令の後に発行されこのメモリアクセス
命令により読み出しまたは書き込まれたデータにアクセ
スする命令と、の間のクロック数に基づいて、このメモ
リアクセス命令で記憶装置をアクセスするのに要する時
間を調整するようにしたため、必要以上に高速に記憶装
置にアクセスしなくなり、消費電力を低減できる。
やストア命令などが含まれる。
ロック数を計測するには、例えば、メモリアクセス命令
のオペランドを参照する手法や、命令列を一時的に格納
する命令バッファを用いてクロック数を計測する手法が
ある。
ついて、図面を参照しながら具体的に説明する。
ロセッサの内部構成を示す第1の実施形態のブロック図
である。図1のプロセッサは、図9に示す従来のプロセ
ッサと同様に、実行すべき命令をフェッチする命令フェ
ッチ装置1と、フェッチした命令を格納する命令メモリ
2と、命令メモリ2から読み出した命令を一時的に格納
する命令レジスタ3と、命令レジスタ3から取り出した
命令をデコードするデコーダ4と、命令の実行に用いら
れるオペランドの情報を格納するレジスタ5と、命令の
バイパス制御を行うセレクタ6と、システムクロックに
同期化させるパイプラインレジスタ7と、演算命令を実
行する演算器8と、ロード/ストア命令の実行を制御す
るロード/ストア制御装置9と、高速でアクセス可能な
内蔵メモリ11とを有する。
ノンブロッキング制御を行うノンブロッキング制御部1
2が内蔵されている。
レクタ6とパイプラインレジスタ7を介して演算器8ま
たはロード/ストア制御装置9に入力される。演算器8
での演算結果、あるいはロード/ストア制御装置9での
ロード/ストア処理結果は、セレクタ6とパイプライン
レジスタ7を介してレジスタ5に書き戻される。
して外部メモリ14とアクセス可能であり、外部メモリ
14から読み出したデータは内蔵メモリ11に格納され
る。これにより、以後、同一アドレスにアクセスする際
に外部メモリ14にアクセスしなくて済むため、メモリ
アクセスの高速化が可能になる。
クセス速度を可変制御できるようにした点に特徴があ
る。具体的には、ロード/ストア遅延量計測部(クロッ
ク数計測手段)21と、アクセス速度可変制御部(アク
セス時間調整手段)22とを有する点に特徴がある。
ド/ストア命令と、このロード/ストア命令によりロー
ド/ストアされたデータにアクセスする後続命令との間
のクロック数を計測する。
ストア遅延量計測部21で計測されたクロック数に基づ
いて、内蔵メモリ11に供給する電源電圧やしきい値電
圧の電圧レベルを可変制御する。
例に基づいて本実施形態の動作を説明する。図2の命令
列の場合、命令列の並びだけから、ロード命令とこのロ
ード命令でロードするデータを使用する後続命令との間
の命令数、すなわちロード遅延数を判定できる。図2の
例の場合、ロード遅延数は3である。なお、図2のロー
ド命令のオペランドである(R2)には、直前で即値が代入
されているなどして、命令列だけから、アドレスが内蔵
メモリ11へのアクセスであると分かっているものとす
る。
R1を使用する後続命令は、4命令後のadd命令であ
る。このadd命令が実際にレジスタ番号R1を参照す
るのは、Dstageである。すなわち、ロード命令がレジス
タR1にデータをロードしてから4クロック後にadd
命令はレジスタR1を参照する。したがって、ロード命
令は、4クロックかけてレジスタR1にデータをロード
しても、後続命令の実行に支障は起きない。
に、内蔵メモリ11へのアクセス速度を遅くして、ロー
ド命令が4クロックかけてデータをロードするようにし
ている。図中の”e”は、”E”に比べて内蔵メモリ1
1がゆっくり動作することを模式的に示している。
しても、後続のadd命令がレジスタR1を参照する時
点ではレジスタR1には所望のデータがロードされてい
るため、実質的な影響はない。
的な手法として、本実施形態は、アクセス速度可変制御
部22により、内蔵メモリ11に供給する電源電圧やし
きい値電圧の電圧レベルを低くする。これにより、内蔵
メモリ11を構成するトランジスタの動作が遅くなり、
内蔵メモリ11へのアクセス速度も低下する。
ロード命令をゆっくり実行させてもよく、例えば、内蔵
メモリ11に供給するクロックの周波数を遅くしてもよ
い。
ングを示すタイミング図であり、図4(a)は通常の電
源電圧を内蔵メモリ11に供給した場合、図4(b)は
内蔵メモリ11に供給する電源電圧を下げた場合を示し
ている。
と、内蔵メモリ11からデータが読み出されるまでにか
なりの時間がかかる。したがって、内蔵メモリ11から
データが読み出されるタイミングに合わせて、内蔵メモ
リ11に制御クロックを供給することで、通常の電源電
圧供給時と同様に、内蔵メモリ11の読み書きを正常に
行うことができる。
作成者がプロセッサに与えるプログラムコードを生成す
る際、ロード命令がデータをロードしたレジスタと同じ
レジスタに後続命令がアクセスする場合には、両命令間
のクロック数を予め計測しておき、そのクロック数に
「1」を加えた値を、ロード命令のオペランドに記述し
ておく。このオペランドを以下では遅延数オペランドと
呼ぶ。
列に変更されてプロセッサに供給される。図2と図5の
違いは、1行目のロード命令であり、図5のロード命令
は遅延数オペランドをもつ。以下では、遅延数オペラン
ドをもつロード命令を拡張ロード命令と呼ぶ。
の図1のプロセッサの動作を説明する。デコーダ4内の
ロード/ストア遅延量計測部21は、命令列の中に含ま
れる拡張ロード命令の遅延数オペランドに基づいて、遅
延クロック数を計測する。この遅延クロック数は、パイ
プラインレジスタ7を介してロード/ストア制御装置9
に送られる。
キング制御部12は、拡張ロード命令の遅延クロック数
をアクセス速度可変制御部22に送る。アクセス速度可
変制御部22は、遅延クロック数に応じた電源電圧を内
蔵メモリ11に供給する。
て、拡張ロード命令が示すアドレスを内蔵メモリ11に
供給するとともに、拡張ロード命令以降の命令をノンブ
ロッキング制御部12に実行させ、その実行制御と並行
して拡張ロード命令の処理を制御する。そして、4クロ
ックかけてデータをレジスタR1にロードした後、後続
のadd命令のDstageでバイパス装置を経由してバイパ
スするとともに、レジスタR8に書き込んで動作を終了
する。
命令等のメモリアクセス命令のアクセス先に後続命令が
アクセスする場合に、両命令間のクロック数に応じて、
内蔵メモリ11に供給する電源電圧やしきい値電圧を制
御するため、命令列の実行に支障がない範囲でメモリア
クセス命令の実行時間を制御でき、プロセッサの処理速
度を落とさずに消費電力の低減を図ることができる。
ード命令がデータをロードしたレジスタと同じレジスタ
に後続命令がアクセスする場合に、両命令間のクロック
数を動的に検出するものである。
を示す第2の実施形態のブロック図である。図6のプロ
セッサは、命令メモリ2から読み出した命令列を一時的
に格納するFIFO(First In First Out)構造の命令バッフ
ァ23を有する。
古いものから順にデコーダ4に送られる。デコーダ4内
部のロード/ストア遅延量計測部21は、ロード命令が
データをロードしたレジスタと同じレジスタに後続命令
がアクセスする場合に、両命令間のクロック数を検出す
る。検出されたクロック数は、パイプラインレジスタ7
を介してロード/ストア制御装置9に送られる。
キング制御部12は、ロード/ストア遅延量計測部21
が計測したクロック数に基づいて、内蔵メモリ11に供
給する電源電圧やしきい値電圧の電圧レベルを調整す
る。
ッファ23にて、同一のレジスタにアクセスするロード
命令とその後続命令との間のクロック数を判別するた
め、プログラマやコンパイラは従来と同様の手法でプロ
グラムコードを生成できる。すなわち、従来と同様のプ
ログラミング手法を用いつつ、消費電力の低減が図れ
る。
施形態では、同一のレジスタにアクセスするロード命令
とその後続命令について説明したが、他のメモリアクセ
ス命令についても、本発明は同様に適用可能である。
と同一アドレスに、後続命令がアクセスする例を示す図
である。図7の場合、ストア命令と、このストア命令が
ストアしたデータにアクセスするロード命令との間の命
令数、すなわちアクセス遅延クロック数が「3」の場合
の例を示している。なお、図7において、ロード/スト
ア命令のアクセスアドレスには、直前で即値が代入され
るなどして、命令列だけからアドレスが内蔵メモリ11
へのアクセスであると分かっているものとする。
Dstageでストアデータを参照するまでに、先行するスト
ア命令のストア処理が完了していればよい。このため、
本実施形態では、図8に示すようにストア命令のEstage
を(アクセス遅延クロック数+1=4)クロックかけて
行う。図8の”e”は、”E”と記載した場合よりも内
蔵メモリ11がゆっくりと動作していることを模式的に
示している。
レスと同一アドレスに、後続命令がアクセスする場合
も、プロセッサの動作速度を低下させずに、消費電力の
低減を図ることができる。
命令は、ロード命令やストア命令以外の命令でもよい。
例えば、add命令等の演算命令がメモリに直接アクセ
スする場合にも本発明は適用可能である。
れば、メモリアクセス命令の実行結果を利用する命令の
実行の妨げにならない範囲内で、メモリアクセス命令の
実行に要する時間を調整できるようにしたため、記憶装
置に対するアクセス速度を動的に変化させることによ
り、消費電力の低減を図ることができる。
の実施形態のブロック図。
命令列を示す図。
ミング図。
を示す図。
の実施形態のブロック図。
スに、後続命令がアクセスする例を示す図。
命令列を示す図。
図。
図。
Claims (8)
- 【請求項1】記憶装置にアクセスしてデータの読み出し
あるいは書き込みを行うメモリアクセス命令と、該メモ
リアクセス命令の後に発行され該メモリアクセス命令に
より読み出しまたは書き込まれたデータにアクセスする
命令と、の間のクロック数を検出するクロック数検出手
段と、 前記クロック数検出手段で検出されたクロック数に基づ
いて、該メモリアクセス命令で前記記憶装置をアクセス
するのに要する時間を調整するアクセス時間調整手段
と、を備えることを特徴とするプロセッサ。 - 【請求項2】前記アクセス時間調整手段は、該メモリア
クセス命令で前記記憶装置をアクセスする際、前記クロ
ック数検出手段で検出されたクロック数以下の時間がか
かるように、前記記憶装置に対するアクセス速度を変化
させることを特徴とする請求項1に記載のプロセッサ。 - 【請求項3】前記メモリアクセス命令のオペランドに
は、該メモリアクセス命令と、該メモリアクセス命令の
後に発行され該メモリアクセス命令により読み出しまた
は書き込まれたデータにアクセスする命令との間のクロ
ック数情報が含まれており、 前記クロック数検出手段は、前記クロック数情報に基づ
いて、メモリアクセス命令と、該メモリアクセス命令の
後に発行され該メモリアクセス命令により読み出しまた
は書き込まれたデータにアクセスする命令との間のクロ
ック数を検出することを特徴とする請求項1または2に
記載のプロセッサ。 - 【請求項4】前記メモリアクセス命令は、前記記憶装置
からレジスタにデータをロードするロード命令であり、 前記クロック数検出手段は、前記ロード命令と、該ロー
ド命令がデータをロードするレジスタにアクセスする該
ロード命令の後続命令との間のクロック数を検出するこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプロセ
ッサ。 - 【請求項5】前記メモリアクセス命令は、前記記憶装置
の所定領域にデータをストアするストア命令であり、 前記クロック数検出手段は、前記ストア命令と、該スト
ア命令がストアする前記記憶装置内の所定領域にアクセ
スする該ストア命令の後続命令との間のクロック数を判
定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載
のプロセッサ。 - 【請求項6】命令の実行処理を開始する前に、一時的に
命令を格納する命令バッファを備え、 前記クロック数検出手段は、ロード命令と、該ロード命
令がデータをロードするレジスタにアクセスする該ロー
ド命令の後続命令とが前記命令バッファ内に格納されて
いる場合に、両命令間のクロック数を検出することを特
徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプロセッサ。 - 【請求項7】命令の実行処理を開始する前に、一時的に
命令を格納する命令バッファを備え、 前記クロック数検出手段は、ストア命令と、該ストア命
令がストアする前記記憶装置内の所定領域にアクセスす
る該ストア命令の後続命令との間のクロック数を検出す
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプ
ロセッサ。 - 【請求項8】前記アクセス時間調整手段は、前記記憶装
置に供給する電源電圧または前記記憶装置のしきい値電
圧を調整することにより、前記記憶装置に対するアクセ
ス速度を調整することを特徴とする請求項1〜7のいず
れかに記載のプロセッサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3697393B2 (ja) |
Cited By (4)
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-
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- 2000-12-21 JP JP2000388832A patent/JP3697393B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3697393B2 (ja) | 2005-09-21 |
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