JP2003122563A - 命令処理制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スーパースカラプロセッサにおける命令処理
を制御する命令処理制御方法を提供すること。 【解決手段】 スーパースカラ・ユニット１０４は、レ
ジスタ・ファイル２０２、タグＦＩＦＯ２０４、制御ロ
ジック２０７を有している。命令ソース１０２よりバス
１０３を介して、命令ウインドウで各命令実行に必要な
情報がレジスタ・ファイル２０２に送られる。キューは
タグを収める複数のスロット２０６を有し、命令にタグ
が付けられる。タグは対応する命令のプログラムの順序
に基づいて指定される順序でキューに収められる。制御
ロジックは命令の実行が完了するのを監視し、命令の実
行が完了するとキュー内のタグをアドバンスさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スーパースカラプ
ロセッサにおける命令処理を制御する命令処理制御方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする問題点】従
来のコンピュータ・システムで用いられるプロセッサ
は、一般的に、プログラム命令を一度に一つづつ順次実
行する。一つの命令を実行するプロセスにはいくつかの
シーケンシャルなステップが含まれている。第１のステ
ップは、普通、メモリ素子から命令を取り出すことであ
る。第２のステップは、普通、命令をデコードしオペラ
ンドをアセンブルすることである。

【０００３】第３のステップは、普通、命令を実行しそ
の結果を格納することである。プロセッサによっては、
プロセッサの一回のクロック・サイクルで各ステップを
行うように設計されているものがある。あるいは、ステ
ップ当たりのプロセッサのクロック・サイクル数が命令
によって変わるようにプロセッサを設計することも可能
である。

【０００４】性能向上のため現代のコンピュータはパイ
プライン方式として知られる手法を用いる。パイプライ
ン方式では、命令実行過程のシーケンシャルなステップ
が重なり合うことになる。例えば、プロセッサは、一つ
の命令に対して実行ステップを行っている間に、同時
に、第２の命令に対してはデコードのステップを行い、
第３の命令に対しては取り出しを行うのである。このよ
うにして、パイプライン方式は命令の一つのシーケンス
にかかる実行時間を短縮することが出来る。

【０００５】先に説明したシーケンシャルな３つのステ
ップのサブステップと重なり合わせることによって性能
を向上させる別の部類のプロセッサは、スーパーパイプ
ライン式プロセッサと呼ばれる。

【０００６】性能向上のためのまた別の手法では、複数
の命令を同時に実行することになる。この手法を用いる
プロセッサは普通、スーパースカラ型プロセッサと呼ば
れる。２つ以上の命令を同時に実行するスーパースカラ
型プロセッサの能力は実行される命令によって異なる。
例えば、限られた同じプロセッサ資源（浮動小数点ユニ
ットなど）の使用を共に必要とする２つの命令を同時に
実行することは出来ない。この種の衝突は資源依存性と
して知られている。さらに、別の命令実行から得られた
結果を使用する命令は、他の命令と同時に実行すること
は出来ない。別の命令の結果に依存する命令は他の命令
に対してデータ依存性があるという。同様に、命令セッ
トによって特定のタイプの命令は相対的な所定の順序で
実行しなければならなことを指定することができる。こ
うした命令は手続き依存性があるという。

【０００７】性能向上のための３番目の手法ではプログ
ラムの順序に関係なく命令を実行することになる。この
手法を用いるプロセッサは普通、ｏｕｔ―ｏｆ―ｏｒｄ
ｅｒプロセッサと呼ばれる。通常、ｏｕｔ−ｏｆ−ｏｒ
ｄｅｒプロセサはスーパースカラ型プロセッサでもあ
る。データ依存性及び手続き依存性は、スーパースカラ
方式の実行を限定するのと同じようにｏｕｔ−ｏｆ―ｏ
ｒｄｅｒ実行を限定する。

【０００８】以降、本明細書において、複数の命令を同
時に実行できるか、命令をプログラムの順序に関係なく
実行できるか、またはその両方を実行できるプロセッサ
をさして「スーパースカラ型プロセッサ」という用語を
用いる。

【０００９】命令を同時にまたはプログラムの順序に関
係なく（ｏｕｔ ｏｆ ｏｒｄｅｒ）で実行するには、
スーパースカラ型プロセッサには実行ユニットと呼ばれ
るシステムが入っていなければならない。実行ユニット
は命令を実行するための複数の機能ユニット（例えば、
浮動小数点マルチプレクサ、加算器など）を含む。複数
の機能ユニットに命令を送るにはスケデュールの制御が
必要である。プログラムと同じ順序（ｉｎ ｏｒｄｅ
ｒ）で命令を発行する場合には、デコードされた命令が
資源衝突を起こすとか、まだ完了していない命令に対し
て真の依存性または出力依存性をもつといったことが起
きれば、その時点でプロセッサは命令のデコーディング
を停止する。その結果、一つまたは複数の後続命令が実
行可能な場合でも、プロセッサは資源衝突や依存性を有
する命令より先を見ることができなくなる。この制約を
克服するために、プロセッサは実行ステージからデコー
ダを切り離す。そうすることによって、即実行可能であ
るか否かにかかわらずデコーダは命令のデコーディング
を続ける。この切り離しは、命令ウインドウと呼ばれる
デコードと実行ステージの間のバッファによって実現さ
れる。

【００１０】ルックアヘッドを活用するために、プロセ
ッサは命令をデコードしウインドウに余裕がある限りウ
インドウの中に収め、と同時にウインドウ内の命令に実
行可能な命令（つまり、資源衝突や依存性のない命令）
があるかどうか調べる。命令ウンドウは、ウインドウの
大きさと命令ソースの機能によってのみ制約されるルッ
クアヘッド機能をプロセッサにもたらし、命令のプール
としての働きをする。従って、ｏｕｔ―ｏｆ一ｏｒｄｅ
ｒ（アウト・オブ・オーダー）命令発行にはデコーダと
機能ユニットとの間に命令ウインドウと呼ばれるバッフ
ァが必要で、命令ウインドウ（インストラクション・ウ
インドウ）はコンピュータが実行するプログラムの一部
分のスナップショットを提供する。

【００１１】命令の実行が終了した後、新たな命令と入
れ替わるように、命令をウインドウから除去なければな
らない。現在の設計では先入れ先出しのキュー（ＦＩＦ
Ｏ）を活用する命令ウインドウが用いられている。特定
の設計においては、新規命令がウインドウに入り、完了
した命令が固定サイズのグループになってウインドウか
ら出ていく。例えば、命令ウインドウに８つの命令（Ｉ
０−Ｉ７）が入っていると、４つの命令からなるグルー
プに変えることができる。この場合、命令Ｉ０，Ｉ１、
Ｉ２、及びＩ３が実行後にウインドウから除去されると
同時に４つの新規命令がそのウインドウの中に入って来
る。命令が固定サイズのグループで出入りする命令ウイ
ンドウは「固定アドバンス命令ウインドウ」と呼ばれ
る。

【００１２】別のタイプの設計では、新規命令がウイン
ドウに入り、完了した命令は様々なサイズのグループで
ウインドウを出ていく。例えば、命令ウインドウに８つ
の命令（Ｉ０−Ｉ７）が入っているとすれば、１つの命
令、２つの命令、または３つの命令からなるグループに
変えることができる。この場合、命令Ｉ０，Ｉ１、もし
くはＩ２のいずれかが実行された後、ウインドウから除
去されて新規命令がそのウインドウに入って来る。命令
が様々なサイズで出入りする命令ウインドウは「可変ア
ドバンス命令ウインドウ」と呼ばれる。

【００１３】可変アドバンス命令ウインドウ（ＶＡＩ
Ｗ）を用いるプロセッサは固定アドバンス命令ウインド
ウ（ＦＡＩＷ）のプロセッサより性能が高くなりがちで
ある。しかしながら、特定の命令がウインドウ内の決ま
った番号のロケーションにしか入れないので、固定アド
バンス命令ウインドウの方がプロセッサにとっては管理
しやすい。例えば、８つの命令（Ｉ１−Ｉ７）を収納し
４つの命令からなるグループで命令を入れたり取り出し
たりする命令ウインドウでは、命令はウインドウ内の２
つのロケーション（例えば、Ｉ０とＩ４）の一個所にし
か入れない。可変アドバンス命令ウインドウでは、その
命令はいろいろ異なる時点でウインドウ内のロケーショ
ンのどれにでも入ることができるので、可変アドバンス
命令ウインドウのプロセッサは、固定アドバンス命令ウ
インドウのプロセッサに比べて、各命令の存在位置を捜
し当てるのにより多くの資源がなければならない。

【００１４】現在の設計は命令ウインドウを実現するの
に大きなキューを用いている。キューを用いることは、
次のような理由から、不都合である。つまり、大きなチ
ップ面積資源を複数のキュー専用に割かなければならな
いが、可変アドバンス命令ウインドウを実現する場合に
は特にそうである。また、１個以上のキューを用いるシ
ステムの設計は柔軟性に限りがある。さらに、キューに
入っているデータを振り分ける制御ロジックが複雑で柔
軟性に欠ける。

【００１５】従って、必要なのは命令がウインドウを通
過するのに伴ってその命令を「追跡」または監視する手
法である。柔軟性に富みチップの面積が小さくてすむ装
置でなければならない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の命令に
タグを割り当てまた複数の命令を収める命令ウインドウ
を保持する装置を用いて複数の命令が並列で且つプログ
ラムの順序に関係なく実行されるのを監視する手法に関
する。この装置は、スーパースカラ・ユニットの１個の
構成要素で、命令ソースと、命令を実行する機能ユニッ
トとの間に接続される。スーパースカラ・ユニットの役
割は、命令ウインドウの保持、実行ユニットの様々な機
能ユニットに命令を振り分け、さらに命令が実行された
後ソースから新規命令を受け取ることである。

【００１７】本発明は、タグ・モニタ・システムを用い
るが、このシステムはスーパースカラ・ユニットの一部
である。タグ・モニタ・システムは、レジスタ・ファイ
ルと、先入れ先出しに基づいて動作するキューを備える
（キューはマルチ・アドバンス、多重出力でＦＩＦＯを
リサイクルする）。キューはレジスタ・ファイルに接続
される。レジスタ・ファイルは命令ソースに接続され、
命令の情報（つまり、各命令の資源要件）を格納するの
に用いられる。命令が命令ソースからレジスタ・ファイ
ルに送られると、現在どの命令にも割り当てられていな
いタグがその命令に割り当てられる。命令の情報はその
後命令のタグで示されたレジスタ・ファイル内のアドレ
ス位置に格納される。一旦命令の情報がレジスタ・ファ
イルに格納されれば、それを「命令ウインドウ内」に入
っているという。命令ウインドウ内の各命令のタグはキ
ューに格納される。タグは、その対応する命令がプログ
ラムで決められている順序と同じ順序でキューに入れら
れる。

【００１８】命令が終了すると、キューで前進し、命令
のタグがキューの下部から事実上押し出される。次にそ
のタグは命令ウインドウに入る新規命令に再度割り当て
られる。このように、タグはキューの最上部に送り返さ
れる（言い換えれば、リサイクルされる）ことになる。
複数の命令が同時に終了した場合、同時に複数のタグを
リサイクルすることも可能である。好適な実施例におい
ては、命令はプログラムの順序通りに終了することが必
要である。命令が間違って他の命令の結果を上書きする
ことがないようにするために、こうすることが必要なこ
とが多い。例えば、メモリの同じロケーションに書き込
む２つの命令がプログラムに入っているとしたら、プロ
グラムで先行する命令が２番目の命令より前にメモリに
書き込まれなければならない。従って、プログラムの順
序に関係なく実行される命令の結果はどれか一時記憶領
域に保持され、命令自体は全ての先行命令が実行され終
わるまで命令ウインドウにそのまま残っていなければな
らない。１個のグループの命令が完了すると、その結果
は全て一時記憶領域から本当のデスティネーションに移
される。その後命令はウインドウから除去され、それら
のタグはリサイクルされる。

【００１９】レジスタ・ファイルは新規命令の情報を命
令ソースから受け取る書き込みポートを有する。レジス
タ・ファイルは、一回にウインドウに入れられる新規命
令の数と同じ数の書き込みポートを有する。レジスタ・
ファイルはウインドウの命令毎に１個のエントリを有す
る。レジスタ・ファイルはまたウインドウの全ての命令
毎に１つの出カポートを有する。出カポート毎に対応す
るアドレス・ポートがある。アドレス・ポートを用い
て、どのレジスタ・ファイルのエントリの内容をその対
応する出カポートで出力するか選択する。

【００２０】キューはスロット（例えば、キュー内の特
定のバッファの位置）毎に１個の出カポートを有し、そ
のスロットに格納されたタグの値を示す。これらの出力
はレジスタ・ファイルの読み出しアドレス・ポートに接
続される。この接続によって、タグ・バルブが読み出し
アドレス・ポートヘのキューで表されていると、レジス
タ・ファイルがエントリの内容をその対応出カポートに
表示するようになる。レジスタ・ファイルの出力はスー
パースカラ・ユニット及び実行ユニットの様々なロケー
ションに送られ、そこでその命令情報は命令のスケデュ
ーリング、命令実行などのために使用される。

【００２１】命令ウインドウのロケーションによっては
所定の時点に空になることがある。この空のウインドウ
・ロケーションは「バブル」と呼ばれる。命令がウイン
ドウから出ていき命令ソースが直ちに別の命令を送って
置き換えることができない場合、時々バブルが発生す
る。ウインドウにバブルがあると、レジスタ・ファイル
のエントリによっては古い命令情報や虚偽の命令情報を
収納することになる。レジスタ・ファイル内のデータは
全て常時使用可能だから、レジスタ・ファイル内のデー
タを限定する何らかの方法が必要である。

【００２２】本発明では、命令ウインドウのエントリ毎
に「バリディティ・ビット」が対応付けられており、レ
ジスタ・ファイル内の対応する命令情報が有効かどうか
を示す。これらのバリディティ・ビットはタグの入って
いるタグＦＩＦＯに保持することができる。ＦＩＦＯ内
のタグには各々に１つのバリディテイ・ビットがある。
これらのビットはタグがリサイクルされる度に更新され
る。タグが更新された時にもし有効な命令が割り当てら
れていれば、そのビットはアサートされる。そうでなけ
れば、デアサートされる。

【００２３】バリデイテイ・ビットは、レジスタ・ファ
イルの出力と共にタグ・モニタ・システムからの出力で
ある。バリディティ・ビットはレジスタ・ファイルの出
力と同じロケーションに送られ、それによってスーパー
スカラ・ユニットや実行ユニットがその命令情報を使用
できるかどうかを知る。

【００２４】本発明の特徴は、大きなキューに命令情報
を格納しなくても命令ウインドウを保持できることであ
る。そのため、設計が簡素化されオペレーション上の柔
軟性が高まる。例えば、ｎ個の命令を収めるウインドウ
があるとすれば、タグ・モニタ・システムにはｎ個のエ
ントリの入ったキュー、及びｎ個のエントリとｎ個の出
力ポートを有するレジスタ・ファイルがある。キューの
各出力がレジスタ・ファイルの対応する読み出しアドレ
ス・ポートに接続されて（例えば、出力０は読み出しア
ドレス・ポート０に、出力１は読み出しアドレス・ポー
ト１にといったように夫々接続される）いれば、レジス
タ・ファイルの出力はプログラムと同じ順序（例えば、
出力ポート０は命令０の情報を表示し、出力ポート１は
命令１の情報を表示するといった具合）でウインドウ内
の各命令を「表示する」（つまり、出力ポートで使用可
能にする）。ウインドウがアドバンスすると、キューが
アドバンスし読み出しアドレス・ポートのアドレスが変
わる。これによってレジスタ・ファイルの出力が変わり
ウインドウ内の命令の新たな配列を反映したものにな
る。命令情報がプログラムの順序で（ｉｎ ｏｒｄｅ
ｒ）スーパースカラ・ユニットの他のところに送られる
ように、レジスタ・ファイル出力にプログラムの順序で
命令情報が表示されることが必要である。スーパースカ
ラ・ユニットが実行及びその完了をスケジュールできる
ように、スーパースカラ・ユニットはウインドウ内の命
令の順序を知る必要がある。本発明の様々な実施例の構
成とオペレーションの他、本発明の更なる特徴及び優れ
た点については添付の図面との関連において以下に詳細
に説明する。

【００２５】

【発明の実施の形態】１．０システム環境 図１はスーパースカラ環境１０１のブロック図である。
スーパースカラ環境１０１は、命令ソース１０２、スー
パースカラ・ユニット１０４、機能ユニット１０６を備
える。スーパースカラ・ユニット１０４は機能ユニット
１０６によって命令の実行を制御する。機能ユニット１
０６は、浮動小数点ユニット（未表示）、整数ユニット
（未表示）、ロード／ストア・ユニット（未表示）と、
所望するアプリケーションによってプロセサが通常用い
るようなその他のハードウエアを備えていてもよい。命
令ソース１０２及び機能ユニット１０６の具体的な実現
については当業者には明らかであろう。

【００２６】命令ソース１０２はバス１０３を介してス
ーパースカラ・ユニット１０４に命令情報を送る。スー
パースカラ・ユニット１０４は次に機能ユニット１０６
に対して命令を発行する。普通、スーパースカラ・ユニ
ット１０４は機能ユニット１０６の可用性を監視し、命
令相互間の依存性を調べる。一旦命令が完了すると、命
令ソース１０２はスーパースカラ・ユニット１０４にさ
らに命令情報を送る。

【００２７】図１に示すバスはデータ信号及び制御信号
を表している。バス及び命令のサイズはアプリケーショ
ンにより異なっていてよい。以下に、スーパースカラ・
ユニット１０４に対する命令を追跡するタグ・モニタ・
システムを中心に説明する。

【００２８】２．０タグ・モニタ・システムの構成とオ
ペレーション Ａ.構成 図２はスーパースカラ・ユニット１０４の一部に組み込
まれたタグ・モニタ・システム（図２の内側の破線で表
示した部分）のブロック図である。タグ・モニタ・シス
テム２２２には、レジスタ・ファイル２０２、タグＦＩ
ＦＯ２０４、制御ロジック２０７が含まれる。

【００２９】タグＦＩＦＯ２０４はマルチ・アドバン
ス、多重出力のリサイクル型ＦＩＦＯで、複数のスロッ
ト２０６にタグを格納する。「マルチ・アドバンス」と
は、ＦＩＦＯでデータを一度にスロット幾つでもアドバ
ンスさせることができることを意昧する。例えば、マル
チ・アドバンスのスロットは４個のＦＩＦＯを一度に０
から３スロットまでデータをアドバンスさせることがで
きる。「多重出力」とはＦＩＦＯの各スロットの内容が
使用可能であることを意昧する。タグは命令が命令ウイ
ンドウに入ると命令毎に割り当てられる固有のラベルで
ある。タグＦＩＦＯ２０４はウインドウ内の命令毎に１
つのスロットを有する。スロット２０６は各々が出力２
０３を有し、それによって対応するスロット２０６にあ
るタグの値を示す（つまり、出力する）。スロット２０
６はまた各々が、スロット２０６のタグを割り当てられ
た命令が有効であるかどうかを示すバリディティ・ビッ
トを有する。好適な実施例において、タグＦＩＦＯ２０
４にはスロット２０６が８個ある。これらのスロット２
０６の各々には０から７までの固有の２進数（タグ）が
収められている。例えば、タグが３ビット（例えば、０
００，００１，０１０、といったように）で、バリデイ
テイ・ビットがあれば、各スロットに４ビットを保持さ
せる。従って、出力２３２は各々４ビット幅である。チ
ップの電源投入時またはリセット時にタグＦＩＦＯ２０
４のスロット２０６の各々の固有のタグがロードされ
る。

【００３０】一旦タグが命令に割り当てられると、タグ
は命令がウインドウからなくなるまでずっとその命令に
ついたままである。一旦命令がウインドウから除去され
ると、そのタグはタグＦＩＦＯ２０４の最上部２１２に
送り返される。最上部２１２に送られたタグは新規命令
がウインドウに入るとそれに再び割り当てられる。この
ようにして、タグは「リサイクル」される。つまり、タ
グＦ１ＦＯ２０４の中で再び一周する。普通、タグは最
上部２１２から下部２１０に向かってタグＦＩＦＯ２０
４の中をアドバンスする。そのため、タグＦＩＦＯ２０
４をリサイクル型キューと呼ぶ。

【００３１】レジスタ・ファイル２０２はタグＦＩＦＯ
２０４と命令ソース１０２に接続されている。レジスタ
・ファイル２０２は命令ソース１０２から送られてくる
命令情報を格納する。命令ソース１０２からレジスタ・
ファイル２０２に送ることができる情報のタイプは次の
通りである。デコードされた命令情報、命令機能ユニッ
ト要件、命令によって実行されるオペレーションのタイ
プ、命令結果が格納される記憶場所を指定する情報、命
令オペランドが格納されている記憶場所を指定する惰
報、コントロール・フロー命令のターゲット・アドレス
を指定する情報、及び命令で指定したオペレーションで
使用されるイミディエト・データを指定する情報であ
る。

【００３２】レジスタ・ファイル２０２は、書き込みデ
ータポート２１４、書き込みアドレス・ポート２１６、
ライトイネーブル（書き込み可能）ポート２１８、読み
出しアドレス・ポート２２０、及び読み出しデータポー
ト２２４を備える。

【００３３】書き込みデータポート２１４はバス１０３
を介して命令ソース１０２から命令情報を受け取る。書
き込みアドレス・ポート２１６は、書き込みデータポー
ト２１４を経由して受け取った命令情報がレジスタ・フ
ァイル２０２のどのアドレス指定可能なロケーションに
格納されるかを指定する。書き込みアドレス・ポート２
１６はバス２２６を介して制御ロジック２０７に接続さ
れている。ライトイネーブル・ポート２１８は命令ソー
ス１０２からのデータがいつレジスタ・ファイル２０２
に書き込まれるかを示す。ライトイネーブル・ポートは
バス２２８を介して制御ロジック２０７に接続されてい
る。好適な実施例（第２図に表示）において、レジスタ
・ファイル２０２はＡからＤのラベルのついた４つの書
き込みデータポートを有する。書き込みデータポート２
１４はＡからＤのラベルのついた対応する書き込みアド
レス・ポート２１６と、ＡからＤのラベルのついた対応
するライトイネーブル・ポート２１８とを有する。

【００３４】読み出しアドレス・ポート２２０はバス２
３０を介してタグＦＩＦＯ２０４に接続されている。バ
ス２３０はタグＦＩＦＯ２０４のスロット２０６の各々
の出力２３２を伝送する。読み出しアドレス・ポート２
２０は読み出しデータポート２２４を経由してアクセス
される命令情報を選択する。読み出しアドレス・ポート
２２０は各々対応する読み出しデータポート２２４を有
する。好適な実施例（第２図に表示）において、命令ウ
インドウには８つのエントリ（つまり、タグＦＩＦＯ２
０４の深さ）があり、レジスタ・ファイル２０２はウイ
ンドウ内の各命令に対して読み出しアドレス・ポート２
２０を１個、読み出しデータポート２２４を１個有す
る。読み出しアドレス・ポート２２０には０から７まで
のラベルが付けられ、それに対応する読み出しデータポ
ート２２４にも０から７までのラベルが付いている。

【００３５】典型的には、レジスタ・ファイル２０２は
スーパースカラ環境１０１内にある他の要素（例えば、
表示されてはいないが、イシュア）に接続されている。

【００３６】制御ロジック２０７は論理回路を備える。
制御ロジック２０７はバス２３４と２３０を介してタグ
ＦＩＦＯ２０４から機能ユニット１０６を監視する。制
御ロジック２０７はバス２３８を介して命令ソース１０
２に信号を送り、命令がウインドウから出ると新規命令
情報をレジスタ・ファイル２０２に送る。制御ロジック
２０７は命令ソース１０２が新規命令をいくつ送るべき
かを知らせる。好適な実施例（第２図に表示）におい
て、一回に送れる命令数は最大で４個であるが、これは
レジスタ・ファイル２０２の書き込みデータポート２１
４の総数に相当する。制御ロジック２０７は、命令がウ
インドウから出ていくとバス２３６を介してタグＦＩＦ
Ｏ２０４と同期をとり処理をアドバンスさせる。このよ
うに、制御ロジック２０７のコマンドに基づいて、タグ
ＦＩＦＯ２０４は一回にウインドウから出ていく命令数
と同じステップだけアドバンスする。制御ロジック２０
７はバス２３６を介してタグＦＩＦＯ２０４に格納され
たバリディティ・ビットの保持も実行する。制御ロジッ
ク２０７の回路のインプリメンテーションについては当
業者には明らかであろう。例えば、現在よく知られ既に
市販されている論理合成やレイアウトのシステムを用い
て動作記述（例えば、Ｖｅｒｉ１ｏｇやＶ．Ｈ．Ｄ．
Ｌ.）をシリコンやチップの設計に変換することができ
る。

【００３７】本明細書に記載の様々なバスのビット幅は
パラレルまたはシリアルのアドレスやデータ転送をサポ
ートする。インプリメンテーションに固有であるその選
択は当業者には明らかであろう。

【００３８】タグ・モニタ・システムに１個以上のレジ
スタ・ファイルを備えることも可能である。好適な実施
例では、命令情報は複数のレジスタ・ファイル間に配ら
れる。例えば、１個のレジスタ・ファイルには命令毎の
デスティネーション・レジスタ・アドレスが入ってい
る。別のレジスタ・ファイルには各命令の機能ユニット
要件などが入っている。複数のレジスタ・ファイルを使
用する利点の一つは、設計者が小さめのレジスタ・ファ
イルを用い、それらを使用する内容に接近した配置にす
ることができることである。そのためプロセッサの物理
的設計が容易になる。レジスタ・ファイルの読み出し及
び書き込みの各アドレスは一つに接続され、出所は同じ
である。レジスタ・ファイルの書き込みアドレスも命令
ソースからくるが、全てのレジスタ・ファイルが各命令
に関する全ての情報を保持しなければならないというわ
けではない。各レジスタ・ファイルの出力は、レジスタ
・ファイルに保持されているデータを必要とするところ
だけに送られる。

【００３９】図４は２個のレジスタ・ファイルを有する
タグ・モニタ・システム２２２を示す。好適な実施例に
おいては、各命令の情報の一部分だけがレジスタ・ファ
イル２０２ａと２０２ｂの各々に格納される。従って、
命令ソース１０２からバス１０３上を送られるデータは
分割される。１個の部分１０３ａはレジスタ・ファイル
２０２ａに送られ、もう１個の部分１０３ｂはレジスタ
・ファイル２０２ｂに送られる。２０２ａと２０２ｂの
両レジスタ・ファイルはバス２２６と２２８に接続され
ており、バス２２６と２２８は制御ロジック２０７から
の制御信号とバス２３０への制御信号を届け、バス２３
０はタグＦＩＦ０２０４からの出力を届ける。レジスタ
・ファイル２０２ａと２０２ｂの出力はスーパースカラ
・ユニット１０４中の別々の場所にまた別のバス２４０
ａと２４０ｂを通って供給される。

【００４０】タグＦＩＦＯ２０４について実施例との関
連において説明する。

【００４１】図５はＦＩＦＯ５００を示す。ＦｌＦＯ５
００は４個のスロット５０４，５０８，５１２，５１６
に４つのデータを保持する。その４個のスロットはバス
５０６，５１０，５１４を介して接続されている。ＦＩ
ＦＯ５００には入力５０２と出力５１８とがあり、そこ
を通ってデータがＦＩＦＯ５００に出入りする。

【００４２】ＦＩＦＯ５００はポジションが４個あるキ
ューのように動作する。ＦＩＦＯ５００でデータをアド
バンスすると、スロット５１６にあるデータは出力５１
８を通ってＦＩＦＯ５００から出ていく。スロット５１
２にあるデータはバス５１４を通ってスロット５１６に
移動する。スロット５０８にあるデータはバス５１０を
通ってスロット５１２に移動する。スロット５１４にあ
るデータはバス５０６を通ってスロット５０８に移動
し、入力５０２にあるデータが移動してスロット５０４
に入る。これらのデータ転送は各々ＦＩＦＯ５００がア
ドバンスする度に起きる。

【００４３】図６は複数の出力を有するＦＩＦＯ６００
を示す。ＦＩＦＯ６００は図５のＦＩＦＯ５００とほと
んど同じ構成である。データは入力６０２からＦＩＦＯ
６００に入り、６０４，６１０，６１６，６１８の４個
のスロットを通って移動し出力６２６から出ていく。Ｆ
ＩＦＯ５００とＦＩＦＯ６００の相違点は、６０４、６
１０、６１６、６２２の各スロットに格納されたデータ
は各スロットに入った時点からＦＩＦＯ６００が次にア
ドバンスするまで対応するバス６０６、６１２、６１
８、又は６２４上で見ることができる（つまり、その４
個のバスを読むことができる）ことである。出力６０
６、６１２、６１８、又は６２４によって所定の時点で
ＦＩＦＯ６００にどんなデータが格納されているかをユ
ーザは知ることができる。

【００４４】好適な実施例においては、スロット６０
４、６１０、６１６、及び６２２に格納されたデータは
各スロットの出カバス上（つまり、バス６０８、６１
４、６２０、及び６２６）で常時見ることができる。こ
の場合、バス６０６、６１２、６１８、又は６２４は不
要である。この種の実施例を図７に示す。バス７０６、
７１０、及び７１４を用いてスロット１と４（７０４、
７０８、７１２、及び７１６のそれぞれ）の間でデータ
を搬送し、スロット１，２、及び３、つまり７０４、７
０８、７１２の内容も示す。出カバス７１８においては
常にスロット７１６の内容を読むことができる。

【００４５】図８はリサイクル型ＦＩＦＯ８００を示
す。リサイクル型ＦＩＦＯ８００は第５図に示したＦＩ
ＦＯ５００とほとんど同じように機能する。リサイクル
型ＦＩＦＯ８００は４個のスロット８０４，８０８，８
１２，８１６を備える。主たる相違点は、ＦＩＦＯ８０
０がアドバンスするとスロット８１６のデータがスロッ
ト８０４に移動する。ＦＩＦＯ８００は新規のデータを
スロット８０４に入力する手段を有していないから、電
源を入れたりリセットしたりする時には８０４、８０
８、８１２、８１６の各スロットが何らかの値で初期化
されるように設計する必要がある。これらの初期値は、
周知のように再初期化されるまでＦＩＦＯ８００中を巡
回する。

【００４６】一回で複数のステップでＦＩＦＯをアドバ
ンスすることが必要な場合がある。ＦＩＦＯは１ステッ
プ分アドバンスする度にデータの一部分を入力するか
ら、ＦＩＦＯには少なくともＦＩＦＯがアドバンスでき
る上限のステップ数と同じだけの入力がなければならな
い。ＦＩＦＯは、各スロットからのデータや正しいデス
ティネーションヘの入力を搬送するバス以外にもいくつ
かバスを有していなければならない。

【００４７】図９はマルチ・アドバンスのＦＩＦＯ９０
０を示す。ＦＩＦＯ９００は一回で１、２、３、又は４
のステップ（つまり、スロット）でアドバンスすること
ができる。ＦＩＦＯ９００は、４個の入力９０２、９０
４、９０６、９０８と、４個のスロット９０４、９２
２、９３０、９３８を有する。ＦＩＦＯ９００が４ステ
ップでアドバンスする時には、入力９０２にあるデータ
はスロット９３８に行き、入力９０４がスロット９３０
に、入力９０６がスロット９２２に、そして入カ９０８
がスロット９１４にそれぞれ移動する。ＦＩＦＯ９００
が３ステップでアドバンスする時には、スロット９１４
のデータがスロット９３８に、入カ９０２がスロット９
３０に、入力９０４がスロット９２２に、そして入力９
０６がスロット９１４にそれぞれ移動する。この場合、
入力９０８にあるデータはＦＩＦＯ９００には入らな
い。ＦＩＦＯ９００が２ステップでアドバンスする場
合、スロット９２２のデータがスロット９３８に、スロ
ット９１４のデータがスロット９３０に、入力９０２が
スロット９２２に、そして入力９０４がスロット９１４
にそれぞれ移動する。最後に、単純なＦＩＦＯの場合で
あるが、１ステップでＦＩＦＯがアドバンスする時には
スロット９３０のデータがスロット９３８に、スロット
９２２のデータがスロット９３０に、スロット９１４の
データがスロット９２２に、そして入力９０２にあるデ
ータがスロット９１４にそれぞれ移動する。

【００４８】一回に複数のステップでアドバンスするに
は、各スロットと幾つかのスロットの出力がそれ以外の
複数のスロットに通じるように切り換え可能な方法で接
続されていなければならない。従って、ＦＩＦＯ９００
には４個のマルチプレクサがある。つまり、９１０、９
１８、９２６、９３４にそれぞれ表示されたＭＵＸ１、
ＭＵＸ２、ＭＵＸ３、ＭＵＸ４である。これらのマルチ
プレクサを用いてＦＩＦＯ９００がアドバンスする時に
各スロットに移動するデータを選択する。各マルチプレ
クサヘの入力はそれに対応するスロットに移動する必要
があるかもしれないデータである。例えば、ＦＩＦＯ９
００がアドバンスするステップ数いかんで、スロット９
１４、スロット９２２、スロット９３０、もしくはスロ
ット９３０からデータがスロット９３８に移動すること
になる。従って、９３４への入力は、スロット９１６、
スロット９２４、スロット９３２、及び入力９０２から
の出力である。マルチプレクサ９１０，９１８，９２
６，９３４を制御するのに必要な論理回路の構成及びオ
ペレーションについては当業者には明らかであろう。

【００４９】内容をリサイクルするマルチ・アドバンス
のＦＩＦＯを設計することも可能である。第８及び第９
図に示すＦＩＦＯの組み合わせがこのＦＩＦＯである。
リサイクル型マルチ・アドバンスのＦＩＦＯ１０００を
第１０図に示す。ＦＩＦＯ１０００は一回に１ステッ
プ、２ステップ、または３ステップのいずれでもアドバ
ンスすることができる。ＦＩＦＯ１０００には４ステー
ジ（１００６、１０１４、１０２２、１０３０のラベル
のついたスロット１〜４）あるから、４ステップでのア
ドバンスは論理的には全くアドバンスしないのと同じこ
とである。従って、４ステップでのアドバンスは全く必
要ないから、リサイクル型マルチ・アドバンスのＦＩＦ
Ｏ１０００に用いるマルチプレクサの構成はマルチ・ア
ドバンスのＦＩＦＯ９００で示した構成とは異なる。Ｆ
ＩＦＯ１０００は図７に示したＦＩＦ０７００のような
多重出力のＦＩＦＯでもある。さらに、図８のリサイク
ル型のＦＩＦＯ８００のように、ＦＩＦＯ１０００は初
期化のため何らかの手段を有してもいなければならな
い。

【００５０】図５、図６、図７、図８、図９、及び図１
０は例として４ステージで表示している。４個以外のス
ロット数にするために設計を変更することは勿論可能で
ある。そうした変更については当業者には明らかであろ
う。

【００５１】Ｂ.オペレーション 図３はタグ・モニタ・システム２２２のオペレーション
を図解するフローチャートである。オペレーションのス
テップ３１０〜３について図１と図２のハードウェア要
素との関連において説明する。

【００５２】ステップ３０１でオペレーションを開始す
る。ステップ３０２で、制御ロジック２０７は命令ソー
スに命令情報を送るよう要求するリクエスト・データ信
号２３８を送る。制御ロジック２０７は命令ウインドウ
内の空きスペースの数と同じ数の命令の情報を要求す
る。好適な実施例において、命令ウインドウに新規の命
令をいくつ入れるか決定した後に、キューの最上部の空
のスロットを埋めるため命令ソース１０２に対して十分
な命令情報を要求するのは、事実上、制御ロジックであ
る。情報を送れる命令数には上限があるが、それはウイ
ンドウ内のスペース数以下である。

【００５３】ステップ３０４で、書き込み可能及び書き
込みアドレスを起動させ、タグを割り当て、バリディテ
イ・ビットを更新する。制御ロジック２０７は、イネー
ブル信号をバス２２６で、アドレス信号をバス２２８
で、ライトイネーブル・ポート２１８と書き込みアドレ
ス・ポート２１６にそれぞれ送る。各ポート２１６のア
ドレスによって、対応するデータポート２１４の命令情
報をステップ３０６でレジスタ・ファイル２０２のどこ
に格納すべきか指定する。命令情報はバス１０３を介し
て命令ソース１０２からレジスタ・ファイル２０２に送
られる。典型的には、バス２２６のイネーブル・ビット
の総数は情報を一回に送れる命令の上限数に等しく、好
適な実施例においては４である。

【００５４】レジスタ・ファイル２０２内で各命令の情
報が格納されているアドレスをその命令のタグで指定す
る。書き込みデータポート２１４のデータは必ずしもレ
ジスタ・ファイル２０２に格納する必要はないから、制
御ロジック２０７はバス２２８のイネーブル信号を用い
て書き込まれるべきデータだけを選択する。例えば、命
令ウインドウの最上部に１個だけ空きスペースがあると
すれば、制御ロジック２０７はバス２２８のキューの最
上部のスロット２１２に収められているタグを書き込み
アドレス・ポート２１６Ａに送り、バス２２６を介して
ライトイネーブル・ポート２１８Ａをアサートする。こ
のオペレーションで書き込みデータポート２１４Ａの命
令情報がレジスタ・ファイル２０２内のタグＦＩＦＯ２
０４の最上部のスロット２１２のタグで指定された場所
に格納される。命令ウインドウに２個の空きスペースが
あれば、制御ロジック２０７は２つのイネーブル信号を
ポート２１８Ａと２１８Ｂに送り、ウインドウの最上部
の２つのタグを書き込みアドレス・ポート２１６Ａと２
１６Ｂ（２１６Ｂに移動する最上部のスロット２１２の
タグ）に送り、そうすることによってポート２１４Ａと
２１４Ｂの命令情報がレジスタ・ファイル２０２に格納
されるようになる。命令情報はタグで指定されたレジス
タ・ファイル２０２内の場所に格納されると、その命令
はそのタグが「割り当てられた」という。制御ロジック
２０７はステップ３０４でタグＦＩＦＯ２０４のバリデ
イティ・ビットの更新もする。命令ソース１０２がステ
ップ３０２でなされた全ての要求に対して命令を供給で
きなければ、制御ロジック２０７はステップ３０４で有
効命令に割り当てられたタグのバリディティ・ビットだ
けしかアサートしない。割り当てられなかったタグにつ
いては、そのバリディティ・ビットは有効命令に割り当
てられるまでアサートされないままにしておかれる。

【００５５】ステップ３０８で、レジスタ・ファイル２
０２の内容は全て読み出しデータ・ポート２２４から読
み出される。使用されるのはレジスタ・ファイル２０２
の全内容以下であるとの想定になっている。レジスタ・
ファイル２０２から読み出されるべきデータは読み出し
アドレス・ポート２２０を通ってレジスタ・ファイル２
０２に入るアドレスで指定される。そしてデータはウイ
ンドウ内の一部か全ての命令の実行に使用される。好適
な実施例においては、読み出しアドレス２２０は常時ア
サートされている。言い換えれば、各スロット２０６に
は常にタグが入っているということである。

【００５６】判断のステップ３１０で、制御ロジツク２
０７はステツプ３０８で実行された命令でどれかリタイ
アするか判断する。リタイアする命令がなければ、判断
のステップ３１０の「ＮＯ」のパス３１１で示すよう
に、継続してデータがレジスタ・ファイル２０２から読
み出され、ウインドウ内の命令が実行され続ける。命令
がリタイアする場合、制御ロジック２０７はステップ３
１２に示すようにバス２３４を介してリタイアする命令
数を知らせる情報を受け取る。バス２３４を通して受け
取る情報はリタイアメント・ユニット（未表示）から送
られてくる。リタイアメント・ユニットの詳細は本発明
の実行に関係することではない。（但し、１９９２年５
月１５日出願の同時係属中の米国出願番号０７／８７
７，４５１に命令リタイアメント・ユニットの一例を記
載している。）制御ロジック２０７はその後、バス２３
６を介して、タグＦＩＦＯ２０４が何段アドバンスすべ
きかを知らせる。

【００５７】第２図において、命令が１個リタイアする
とすれば、タグＦＩＦＯ２０４は１ステップだけアドバ
ンス（進捗）する。タグ１が下部の２１０から最上部２
１２に移動して現在タグ０がある場所に入り、それに伴
って他のタグ全てがアドバンスする。タグ１が下部の２
１０から最上部の２１２に移動すると、そのバリディテ
ィ・ビットはデアサートされる。タグ１は次に新しく命
令ウインドウに入る命令に再び割り当てられる。タグ２
は、ステップ３１２終了後、タグＦＩＦＯ２０４の下部
２１０の位置にあるはずである。タグ・モニタ・システ
ム２２２のオペレーションはブランチ３１４を介して先
に説明したオペレーションのステップ３０２に戻ること
によつて継続される。

【００５８】本発明の様々な実施例について説明してき
たが、あくまで例題として提示したのであってそれによ
り限定されるものではないことが理解されるだろう。従
って、本発明の広さと範囲は上述の典型的な実施例のい
ずれによっても限定されるものではなく、特許出願の請
求範囲及びそれに均等のものによってのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のスーパースカラ環境の代表的なブロ
ツク図を示す。

【図２】 本発明のタグ・モニタ・システムの代表的な
ブロツク図を示す。

【図３】 図２のタグ・モニタ・システムによるタグ・
モニタに関する代表的なオペレーション・フローチャー
トを示す。

【図４】 ２個のレジスタ・ファイルを有するタグ・モ
ニタ・システムを示す。

【図５】 単純なＦＩＦＯの図を示す。

【図６】 多重出力の単純なＦＩＦＯの図を示す。

【図７】 複数の出力端子を有するＦＩＦＯの図を示
す。

【図８】 リサイクル型ＦＩＦＯの図を示す。

【図９】 マルチ・アドバンスのＦＩＦＯの図を示す。

【図１０】 リサイクル型マルチ・アドバンスのＦＩＦ
Ｏの図を示す。

【符号の説明】 １０１・・・スーパースカラ環境、１０２・・・命令ソ
ース、１０３・・・バス、１０４・・・スーパースカラ
ユニット、１０６・・・機能ユニット、２０２・・・レ
ジスタ・ファイル、２０４・・・タグＦＩＦＯ、２０６
・・・スロット、２０７・・・制御ロジック、２１４・
・・書き込みデータ・ポート、２１６・・・書き込みア
ドレス・ポート、２１８・・・ライトイネーブル・ポー
ト、２２０・・・読み出しアドレス・ポート、２２２・
・・タグ・モニタ・システム、２２４・・・読み出しデ
ータ・ポート

フロントページの続き (72)発明者 ガーグ サンシブ アメリカ合衆国 94539 カリフォルニア 州 フリーモント センチェル ドライブ 46820 Ｆターム(参考） 5B013 AA01 AA12

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 命令が所定のプログラム順序となってい
   るスーパースカラプロセッサ内における命令処理を制御
   するための命令処理制御方法であって、 （ａ）命令ソースからの各命令をレジスタファイルの入
   力データポートに供給する段階と、 （ｂ）前記命令ソースから供給された第1命令を、前記
   レジスタファイル内のバッファロケーションを指定する
   タグと関連付ける段階と、 （ｃ）前記第1命令と関連付けられた前記タグによって
   指定された前記バッファロケーションに前記第1命令の
   少なくとも1部を記憶する段階と、 （ｄ）前記レジスタファイルの第1出力ポートで前記第1
   命令の前記少なくとも1部を出力する段階と、 （ｅ）前記第1命令をリタイアしたあと、前記命令ソー
   スから供給される第2命令を前記タグと関連付ける段階
   と、 （ｆ）前記タグによって指定される前記バッファロケー
   ションに前記第2命令の少なくとも1部を記憶する段階
   と、 （ｇ）前記レジスタファイルの第2出力ポートから前記
   第2命令の前記少なくとも1部を出力する段階と、 （ｈ）前記第1出力ポートから、所定のプログラム順序
   では前記第2命令より前にあり、また所定のプログラム
   順序では前記第1命令の後にある第3命令の少なくとも1
   部を出力する段階と、で構成されることを特徴とする、
   命令処理制御方法。
2. 【請求項２】 前記段階がさらに、 （ｉ）キューのスロット内に前記タグを記憶する段階を
   含むことを特徴とする、請求項１に記載の命令処理制御
   方法。
3. 【請求項３】 前記段階がさらに、 （ｊ）前記第1命令をリタイアしたあと、前記タグを前
   記キューの第1スロットから前記キューの第2スロットへ
   と移動させる段階を含むことを特徴とする、請求項２に
   記載の命令処理制御方法。
4. 【請求項４】 前記段階がさらに、 （ｋ）前記第1出力ポートが、前記スロット内に記憶さ
   れたタグによって指定される前記レジスタファイル内の
   バッファロケーションに記憶されたアイテムを出力する
   ように、前記第1出力ポートを前記キューの前記スロッ
   トと関連付ける段階を含むことを特徴とする、請求項２
   に記載の命令処理制御方法。
5. 【請求項５】 スーパースカラプロセッサにおける命令
   処理を制御するための命令処理制御方法であって、 （ａ）スーパースカラプロセッサによって実行されるべ
   き命令を供給する段階と、 （ｂ）複数のスロットを含むキューに、前記複数のスロ
   ットの１つにそれぞれ記憶される複数のタグを記憶する
   段階と、 （ｄ）前記命令がリタイアされるまで前記命令のそれぞ
   れを、複数のバッファロケーションからなるレジスタフ
   ァイル内の固有なバッファロケーションを指定する前記
   複数のタグの１つと関連付ける段階と、 （ｅ）前記命令に関連付けられたタグによって指定され
   るバッファロケーションに、前記命令のそれぞれの少な
   くとも一部を記憶する段階とで構成されることを特徴と
   する、命令処理制御方法。
6. 【請求項６】 前記レジスタファイルが複数の出力ポー
   トを含み、前記出力ポートのいずれか１つの出力が、前
   記出力ポートの前記いずれか１つに関連付けられたスロ
   ットに記憶されるタグによって指定されるバッファロケ
   ーションに記憶されるアイテムとなるように、前記複数
   の出力ポートのそれぞれを前記キューの前記スロットの
   固有の１つと関連付ける段階を含むことを特徴とする、
   請求項５に記載の命令処理制御方法。
7. 【請求項７】 前記段階（ｂ）が、４つのスロットから
   なるキューに複数のタグを記憶する段階で構成されるこ
   とを特徴とする、請求項５に記載の命令処理制御方法。
8. 【請求項８】 前記レジスタファイルが４つの出力ポー
   トを含み、前記４つの出力ポートのそれぞれを前記キュ
   ーの前記スロットの固有な１つに関連付ける段階で構成
   されることを特徴とする、請求項７に記載の命令処理制
   御方法。
9. 【請求項９】 前記レジスタファイルの出力ポートの数
   が、前記キューのスロットの数と等しいことを特徴とす
   る、請求項６に記載の命令処理制御方法。
10. 【請求項１０】 前記段階がさらに、 （ｆ）前記命令がリタイアされるとき、前記キューの上
    部スロットのタグを除いて、前記キューの前記タグのそ
    れぞれを１つのスロットだけ上へと移動させ、また前記
    キューの前記上部スロット内の前記タグを前記キューの
    下部スロットへと移動させる段階を含むことを特徴とす
    る、請求項５に記載の命令処理制御方法。
11. 【請求項１１】 前記段階がさらに、 （ｇ）前記命令がリタイアされるとき、前記キューの下
    部スロットのタグを除いて、前記キューの前記タグのそ
    れぞれを１つのスロットだけ下へと移動させ、前記キュ
    ーの前記下部スロットの前記タグを前記キューの上部ス
    ロットへと移動させる段階を含むことを特徴とする、請
    求項５に記載の命令処理制御方法。