JP2007179326A - 演算処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の演算処理機構を搭載した演算処理装置の場合、必ずしも全ての演算処理資源が有効に使われず、無駄になることを防止する。
【解決手段】演算処理資源を、演算処理実行機構１０１〜１０３間で共有し、負荷の重い処理を実行している演算処理実行機構に優先的に演算処理資源を割り当て、一方、負荷の軽い処理を実行している演算処理実行機構には、必要以上の演算処理実行資源を割り当てない。また、演算処理資源を共有することにより、利用頻度の少ない演算処理資源を各演算処理実行機構に実装する必要が無い。これらの解決手段により、同じ演算処理資源数で、より高い演算能力を得ることができ、より効率的な演算処理資源の利用が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の演算処理を行う演算処理装置であり、例えば、複数のＣＰＵ(Central Processing Unit)もしくはＤＳＰ(Digital Signal Processor)を含むシステムＬＳＩに適用して有効な演算処理装置に関する。

近年、画像や音声のデータ圧縮技術が、向上し、同時にその処理が要求する演算量は増大する一方である。また同様に、使いやすく見栄えのするユーザインターフェースは複雑な処理と演算量の増大を招いた。そこで、複数のＣＰＵなどの演算処理機構を搭載し、マルチプロセッサシステムを構成することにより、演算能力の増強を図ったシステムＬＳＩがある。マルチプロセッサシステムでは、それぞれの演算処理機構の負荷が、均等に割り当てられなければ、仕事の割り当ての無いプロセッサが無駄となり能力を発揮できない。

特許文献１では、負荷状況を監視することによりそれぞれのＣＰＵの負荷が均等になるようなマルチプロセッサシステムを構築している。
特開平５−２８２２６１号公報

しかしながら、上記従来技術では、それぞれのプロセッサにプログラムを割り振るために、実行されるプログラムはそれぞれ独立性が高いことが条件となる。あるプログラムの独立性が低く、大量の演算処理が必要であった場合、一つの演算処理機構に負荷が集中することになり、なおかつ、他のプロセッサに割り当てられるプログラムが無かった場合、他のプロセッサは無駄となる。

また、近年のプロセッサは、複雑な演算を実行するために、浮動小数点演算処理ユニットなどの演算処理資源をさらに備えていることが多い。複数のプロセッサを搭載したとしても、浮動小数点演算処理ユニットを多用するシステムではなかった場合、ほとんど使われることの無い浮動小数点演算処理ユニットのために、よけいなコストをかけていることとなり無駄である。

したがって、本発明の目的は、複数の演算処理機構を搭載した演算処理装置の場合、必ずしも全ての演算処理資源が有効に使われず、無駄になることを防止する演算処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の演算処理装置においては、演算処理資源を共有する。大量の演算を実行する演算処理実行機構に多くの演算処理資源を与え、さほどの演算を実行しない演算処理実行機構には少ない演算処理資源しか分け与えない。また、それぞれの演算処理実行機構の負荷が変わるにつれて分け与えられる演算処理資源の数だけでなく、種類も変わる。すなわち、例えばある演算処理実行機構において浮動小数点演算を実行する場合には、浮動小数点演算処理ユニットが割り当てられ、他の浮動小数点演算を実行しない演算処理実行機構には割り当てられない。また、共有されるのは、浮動小数点演算処理ユニットにとどまらず、算術論理演算ユニットなどほかの演算処理資源も含まれる。

すなわち本発明の請求項１記載の演算処理装置は、演算処理を実行する演算処理実行機構をそれぞれ有する複数の演算処理系統と、演算処理系統により演算処理を実行する際に利用される演算処理資源を有する演算処理資源群と、演算処理系統の実行する演算処理に応じて、演算処理資源を演算処理実行機構に割り当てる演算処理資源管理機構とを備えた。

請求項２記載の演算処理装置は、請求項１記載の演算処理装置において、演算処理実行機構が、命令に応じてプログラムを実行するプロセッサである。

請求項３記載の演算処理装置は、請求項２記載の演算処理装置において、プロセッサが、命令に応じて事前に用意された設定により演算処理内容が決定される機構を備える。

請求項４記載の演算処理装置は、請求項１記載の演算処理装置において、演算処理実行機構が、与えられるデータの形式に応じて演算処理内容が決定されるハードウェア演算器である。

請求項５記載の演算処理装置は、請求項1，２，３または４記載の演算処理装置において、演算処理資源が、算術論理演算を実行する算術論理演算処理装置である。

請求項６記載の演算処理装置は、請求項1，２，３または４記載の演算処理装置において、演算処理資源が、ユーザが定義した特定の演算を実行する特定演算処理装置である。

請求項７記載の演算処理装置は、請求項1，２，３または４記載の演算処理装置において、演算処理資源が、浮動小数点演算を実行する浮動小数点演算処理装置である。

請求項８記載の演算処理装置は、請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置において、演算処理資源管理機構は、演算処理系統の演算処理実行機構が実行した演算処理を監視し、事前に決定されている優先度に基づいて、それぞれの演算処理系統に必要な演算処理資源を割り当てる。

請求項９記載の演算処理装置は、請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置において、演算処理資源管理機構は、演算処理実行機構により利用する演算処理資源が通知され、その通知された内容にしたがってそれぞれの演算処理系統に演算処理資源を割り当てる。

請求項１０記載の演算処理装置は、請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置において、演算処理資源管理機構は、ある演算処理系統で実行されるプログラムが、他の演算処理系統にどの演算処理資源を割り当てるかを決定し、その結果が通知されることにより演算処理資源を割り当てる。

本発明の請求項１記載の演算処理装置によれば、演算処理系統により演算処理を実行する際に利用される演算処理資源を有する演算処理資源群と、演算処理系統の実行する演算処理に応じて、演算処理資源を演算処理実行機構に割り当てる演算処理資源管理機構とを備えているので、大量の演算を実行する演算処理実行機構に多くの演算処理資源を与え、さほどの演算を実行しない演算処理実行機構には少ない演算処理資源しか分け与えないようにすることができる。

このように、大量の演算を実行する演算処理実行機構に、優先的に演算処理資源を割り当てることにより、演算処理資源の利用効率が上がり、システムとしての演算処理能力が向上する。また、あまり利用されない演算処理資源を複数の演算処理実行機構で共有することにより、実行効率が上がりまたコストも削減できる。

請求項２では、演算処理実行機構が、命令に応じてプログラムを実行するプロセッサであり、ＣＰＵの役割を果たすことができる。

請求項３では、プロセッサが、命令に応じて事前に用意された設定により演算処理内容が決定される機構を備え、ＤＳＰの役割を果たすもので、複数の命令に応じて事前に設定を行うことにより、レジスタや演算処理資源を共有して無駄を省くことができる。

請求項４では、演算処理実行機構が、与えられるデータの形式に応じて演算処理内容が決定されるハードウェア演算器であるので、与えられたデータの形式により、暗号符号や誤り訂正符号の符号化、複合化などの定型処理を実行することができる。

請求項５では、演算処理資源が、算術論理演算を実行する算術論理演算処理装置であるので、演算処理実行機構において算術論理演算を実行する場合に割り当てられる。

請求項６では、演算処理資源が、ユーザが定義した特定の演算を実行する特定演算処理装置であるので、演算処理実行機構においてユーザが定義した特定の演算を実行する場合に割り当てられる。

請求項７では、演算処理資源が、浮動小数点演算を実行する浮動小数点演算処理装置であるので、演算処理実行機構において浮動小数点演算を実行する場合に割り当てられる。

請求項８では、演算処理資源管理機構は、演算処理系統の演算処理実行機構が実行した演算処理を監視し、事前に決定されている優先度に基づいて、それぞれの演算処理系統に必要な演算処理資源を割り当てるので、演算処理資源管理機構は、演算処理実行機構の実行している処理を判断し、その処理に必要な演算処理資源および優先度を決めることで、プログラムを作成する際に、特に演算処理資源の割当について意識する必要がない。

請求項９では、演算処理資源管理機構は、演算処理実行機構により利用する演算処理資源が通知され、その通知された内容にしたがってそれぞれの演算処理系統に演算処理資源を割り当てるので、各演算処理資源の割当は、各演算処理実行機構からの要求に応じて決定される。このため、各演算処理実行機構を監視するための回路が必要がないため、回路規模を削減できる。

請求項１０では、演算処理資源管理機構は、ある演算処理系統で実行されるプログラムが、他の演算処理系統にどの演算処理資源を割り当てるかを決定し、その結果が通知されることにより演算処理資源を割り当てるので、プログラムにより演算処理資源の割当を行うために、割当アルゴリズムを複数持たせ、過去の実績を基に切り替えるなど、より最適に演算処理資源の割当を決定できる。また、演算処理資源の管理が一つのプログラムで決定されるため、システムを考えるのが容易になる。

本発明の第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を適用した演算処理装置の一例であるディジタルカメラ向けシステムＬＳＩを示すブロック図である。なお、本発明は必ずしも、ディジタルカメラ向けシステムＬＳＩにのみ適用できるものではなく、別の用途に適用することができる。

図1に示すように、演算処理を実行する演算処理実行機構１０１〜１０３をそれぞれ有する複数の演算処理系統と、演算処理系統により演算処理を実行する際に利用される演算処理資源を有する演算処理資源群２０２と、演算処理系統の実行する演算処理に応じて、演算処理資源を演算処理実行機構１０１〜１０３に割り当てる演算処理資源管理機構として演算処理監視装置２０１とを備えている。

この場合、演算処理資源群２０２に演算処理実行機構Ａ１０１、演算処理実行機構Ｂ１０２、演算処理実行機構Ｃ１０３が接続されており、それぞれの演算処理実行機構１０１〜１０３はバス１０４に接続されている。バス１０４には、画像音声出力インタフェース３０１、ＣＣＤセンサインタフェース３０２、無線通信インタフェース３０３、有線通信インタフェース３０４、メモリ３０５、メモリカードインタフェース３０６が接続されている。

演算処理実行機構Ａ１０１は、ＣＰＵの役割を果たすものである。演算処理実行機構Ａ１０１の中には、命令フェッチ回路や、命令デコーダ、レジスタ、プログラムカウンタといった、演算処理資源を除くＣＰＵを構成するために必要な回路が入っている。

演算処理実行機構Ｂ１０２はＤＳＰの役割を果たすものである。演算処理実行機構Ｂ１０２には、演算処理実行機構Ａ１０１の備える回路に加えて、拡張演算命令実行回路を備える。拡張演算命令は、複数の演算を同時に実行する命令である。ユーザが演算処理実行機構Ｂ１０２で、拡張演算命令を実行する際には、事前に実行する拡張演算命令の設定を行う必要がある。また、演算処理実行機構Ｂには、拡張演算命令は複数存在し、それぞれの拡張演算命令に応じて事前に設定を行うことにより、レジスタや演算処理資源を共有して、無駄を省いている。

演算処理実行機構Ｃ１０３は、カスタム演算処理装置である。カスタム演算処理とは、暗号符号や誤り訂正符合の符号化、複合化など、定型処理を実行する演算処理である。与えられたデータの形式によりそれぞれの定型処理が選択されて実行される。選択する手段は、データの形式にどの処理を実行するかを示す情報を含めたり、定型処理ごとにバス上のアドレスを変更するといった方法が考えられる。演算処理実行機構Ｃ１０３では、割り当てられた演算処理資源を管理する演算処理資源管理回路や、共有しない各カスタム演算処理固有の回路が存在する。

なお、本発明においては、各演算処理実行機構の構成は必ずしもここで示したように構成する必要は無く、必要に応じて他の構成としても良い。

また、各演算処理実行機構１０１〜１０３は、実行される処理を判断するための情報を通知するため、演算処理監視装置２０１へ接続されている。通知される情報には、現在実行している命令のアドレスを示すプログラムカウンタや、プロセッサにおける特殊な状態であるスーパバイザ状態であるかどうかを示したり、割り込みが入っている状態かを示す状態レジスタ情報など、現在の演算処理実行機構１０１〜１０３の状態を示す情報が送信される。さらに、現在演算処理監視装置２０１がどの演算処理資源を割り当てているかを示す演算処理資源割当情報が各演算処理実行機構１０１〜１０３に通知されている。また、演算処理監視装置２０１は、これらの情報より各演算処理実行機構１０１〜１０３の実行している処理を判断し、その処理に必要な演算処理資源およびプライオリティを決めるテーブルをもつ。このテーブルの情報に応じて、演算処理監視装置２０１は、演算処理資源を割り当てる。

図２は本実施形態における演算処理資源群の一例である。

図２では、演算処理資源であるＡＬＵ(算術論理演算ユニット)４０１が6個、ＦＰＵ（浮動小数点演算ユニット）４０２が1個、並列乗除算実行ユニット４０３が2個、選択回路４０４に接続されている。並列乗除算実行ユニット４０３は、ユーザが本ディジタルカメラ向けシステムＬＳＩにおいて有用であると判断して搭載された回路であり、複数の乗除算を並列に実行するといった特定の演算処理しか実行できない。

また、本システムＬＳＩでは、ＣＣＤセンサインタフェース３０２に接続されたＣＣＤセンサの画像を処理し、メモリカードインタフェース３０６に接続されたメモリカードに保存するディジタルカメラ機能と、有線通信インタフェース３０４より、テレビ等の動画番組を受信し、そのデータを圧縮して同様にメモリカードインタフェース３０６に接続されたメモリカードに保存する番組録画機能と、その録画した番組データを、解凍して画像音声出力インタフェース３０１に接続された画像出力インタフェースに出力して番組を再生する番組再生機能と、無線通信インタフェース３０３を利用したインターネット接続機能とを備える。さらに、それぞれの機能を制御し、またユーザインターフェースを提供するオペレーティングシステムを実行する機能を備える。

それぞれの機能は同時に使うことができ、例えば無線通信インタフェース３０３を利用してインターネットから音楽をダウンロードしながら、同時に番組を録画することができる。

本実施形態におけるシステムＬＳＩでは、この現在実行している機能によって、それぞれの演算処理実行機構１０１〜１０３に割り当てられる演算処理資源が決定される。

例えば、番組録画機能と、オペレーティングシステムが実行されている場合、オペレーティングシステムの実行には、ＡＬＵ４０１が１つあれば十分であるために、演算処理実行機構Ａ１０１には演算処理資源としてＡＬＵ４０１が１つだけ割り当てられる。この場合は、演算処理実行機構Ａ１０１は、通常のＣＰＵとして動作する。

一方、番組録画機能は、動画圧縮処理が大量の演算を必要とするために、演算処理実行機構Ｂ１０２には、残りの全ての演算処理資源が必要な演算処理資源として割り当てられる。

この場合、演算処理実行機構Ｂ１０２では、動画圧縮処理には並列に演算する拡張演算命令が有効であるために、演算処理実行機構Ｂ１０２を制御するために1つだけＡＬＵ４０１を残して、割り当てられた演算処理資源を拡張演算命令用に利用する。

演算処理実行機構Ｃ１０３には、この場合実行する演算処理が無いために、一切演算処理資源が割り当てられない。

また、ディジタルカメラ機能と無線通信とオペレーティングシステムが実行されている場合、演算処理実行機構Ａ１０１にはオペレーティングシステムと無線通信を実行するために必要となる演算処理資源として、ＡＬＵ４０１が2個割り当てられる。

この場合、演算処理実行機構Ａ１０１はＡＬＵ４０１を2個必要とする命令を実行できるため能力が増強される。

演算処理実行機構Ｂ１０２はディジタルカメラ機能を実行するために必要な演算処理資源としてＡＬＵ４０１が3個割り当てられる。

また、無線通信による処理を高速に実行するために演算処理実行機構Ｃ１０３で暗号化や誤り訂正などの処理を実行するために必要となる演算処理資源として、ＡＬＵ４０１が1個、並列乗除算実行ユニット４０３が2個、ＦＰＵ４０２が1個割り当てられる。

図3は本実施形態における演算処理実行機構Ｃの内部を示したものである。

図3では、バスインターフェース５０１に暗号前処理回路５０２、誤り訂正前処理回路５０４、暗号後処理回路５０３、誤り訂正後処理回路５０５が接続され、演算処理受付回路５０６に暗号前処理回路５０２、誤り訂正前処理回路５０４、暗号後処理回路５０３、誤り訂正後処理回路５０５が接続されている。

暗号処理に固有の回路は、暗号前処理回路５０２および暗号後処理回路５０３に納められており、共有されている演算処理資源を利用する処理は、演算処理受付回路５０６を通じて演算処理資源群に存在する演算処理資源を利用して実行される。

演算処理受付回路５０６は、割り当てられている演算処理資源の数に応じて同時に実行する演算処理を制御し、その結果を暗号後処理回路へ転送する。

よって、割り当てられている演算処理資源が多ければ、演算処理能力が高まりより高速に処理が可能となる。また、誤り訂正も同様に、演算処理受付回路５０６を通じて演算処理を実行する。

このように、実行している機能に応じて、各演算処理実行機構１０１〜１０３にそれぞれ演算処理資源が割り当てられることにより、演算処理資源が有効に活用され、全体としてより少ない演算処理資源ですみコストが削減できる。また、プログラムを作成する際に、特に演算処理資源の割当について意識する必要がない。

本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。

本実施形態は第１の実施形態とほぼ同じであるが、演算処理資源管理機構として演算処理監視装置ではなく演算処理割当装置が接続されている点が異なる。

すなわち、本実施形態においては各演算処理資源の割当は、各演算処理実行機構１０１〜１０３からの要求に応じて決定する点が先の実施形態と異なり、それぞれの演算処理実行機構１０１〜１０３は、演算処理資源割当要求を実施する手段をもつ。一例として、それぞれの演算処理実行機構１０１〜１０３の命令セットに演算処理資源要求命令があれば、プログラムを実行する際に必要な演算処理資源を指定してそれぞれの演算処理実行機構１０１〜１０３に最適な演算処理資源が割り当てられる。

演算処理資源割当装置２０３は、その演算処理実行機構１０１〜１０３の要求に応じてそれぞれ演算処理資源を割り当てる。また、要求された演算処理資源が現在他の演算処理実行機構により、利用されていた場合に演算処理資源割当装置２０３は、自身の持つ優先度決定アルゴリズムにより、どちらに演算処理資源を優先的に割り当てるかを決定する。この優先度決定アルゴリズムには、例えば、それぞれの演算処理資源を利用する期限を設定しておき、期限を越えて利用している演算処理実行機構から演算処理資源を取り上げるといったことが考えられる。

以上のように構成することにより以下のことが言える。

各演算処理実行機構１０１〜１０３を監視するための回路が必要ないため、回路規模を削減できる。

本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。

本実施形態においては、第２の実施形態と比較して演算処理実行機構Ａに専用のＡＬＵが接続されている点が異なる。

また、他の演算処理実行機構の状態は、演算処理実行機構Ａ１０１がバス１０４を通して観察し、また、演算処理資源群の割当を演算処理実行機構Ａ１０１が決定し、演算処理割当装置２０４に割当を指示する。

この演算処理資源群の割当は、演算処理実行機構Ａ１０１が専有するＡＬＵ４０１を利用して実行される演算処理資源割当プログラムが決定する。この演算処理資源割当プログラムは、各演算処理実行機構１０１〜１０３に必要な演算処理資源をプログラマが実装したアルゴリズムで決定する。このアルゴリズムは、先に述べた優先度決定アルゴリズムでもよいし、さらに複雑なアルゴリズムを考案して実装してもよい。

以上のように構成することにより以下のことがいえる。

プログラムにより演算処理資源の割当を行うために、割当アルゴリズムを複数持たせ、過去の実績をもとに切り替えるなど、より最適に演算処理資源の割当を決定できる。また、演算処理資源の管理が一つのプログラムで決定されるため、システムを考えるのが容易になる。

本発明にかかる演算処理装置は、演算処理資源最適化機構を有し、複数の演算を実行する必要のあるメディアプロセッサとして有効である。また、ネットワーク向けプロセッサ等の用途にも応用できる。

本発明の第1の実施形態におけるシステムＬＳＩの構成図である。 本実施形態における演算処理資源群の構成図である。 本実施形態における演算処理実行機構Ｃの構成図である。 本発明の第２の実施形態におけるシステムＬＳＩの構成図である。 本発明の第3の実施形態におけるシステムＬＳＩの構成図である。

符号の説明

１０１ 演算処理実行機構Ａ
１０２ 演算処理実行機構Ｂ
１０３ 演算処理実行機構Ｃ
１０４ バス
２０１ 演算処理監視装置
２０１ 演算処理資源群
２０２ 演算処理割当装置
２０３ 演算処理割当装置
３０１ 画像音声出力インタフェース
３０２ ＣＣＤセンサインタフェース
３０３ 無線通信インタフェース
３０４ 有線通信インタフェース
３０５ メモリ
３０６ メモリカードインタフェース
４０１ ＡＬＵ
４０２ ＦＰＵ
４０３ 並列乗除算実行ユニット
４０４ 選択回路
５０１ バスインターフェース
５０２ 暗号前処理回路
５０３ 暗号後処理回路
５０４ 誤り訂正前処理回路
５０５ 誤り訂正後処理回路
５０５ 演算処理受付回路

Claims (10)

1. 演算処理を実行する演算処理実行機構をそれぞれ有する複数の演算処理系統と、
   前記演算処理系統により演算処理を実行する際に利用される演算処理資源を有する演算処理資源群と、
   前記演算処理系統の実行する演算処理に応じて、前記演算処理資源を前記演算処理実行機構に割り当てる演算処理資源管理機構とを備えた演算処理装置。
2. 前記演算処理実行機構が、命令に応じてプログラムを実行するプロセッサである請求項１記載の演算処理装置。
3. 前記プロセッサが、前記命令に応じて事前に用意された設定により演算処理内容が決定される機構を備える請求項２記載の演算処理装置。
4. 前記演算処理実行機構が、与えられるデータの形式に応じて演算処理内容が決定されるハードウェア演算器である請求項1記載の演算処理装置。
5. 前記演算処理資源が、算術論理演算を実行する算術論理演算処理装置である請求項1，２，３または４記載の演算処理装置。
6. 前記演算処理資源が、ユーザが定義した特定の演算を実行する特定演算処理装置である請求項1，２，３または４記載の演算処理装置。
7. 前記演算処理資源が、浮動小数点演算を実行する浮動小数点演算処理装置である請求項1，２，３または４記載の演算処理装置。
8. 前記演算処理資源管理機構は、前記演算処理系統の演算処理実行機構が実行した演算処理を監視し、事前に決定されている優先度に基づいて、それぞれの前記演算処理系統に必要な演算処理資源を割り当てる請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置。
9. 前記演算処理資源管理機構は、前記演算処理実行機構により利用する演算処理資源が通知され、その通知された内容にしたがってそれぞれの前記演算処理系統に前記演算処理資源を割り当てる請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置。
10. 前記演算処理資源管理機構は、ある演算処理系統で実行されるプログラムが、他の演算処理系統にどの演算処理資源を割り当てるかを決定し、その結果が通知されることにより演算処理資源を割り当てる請求項１，２，３，４，５，６または７記載の演算処理装置。

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