JP2510691B2 - 演算処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 データ処理装置の命令実行部に浮動小数点演算用の専
用演算器を有する場合の演算処理方法に関し、 浮動小数点演算の実行に際しては、オペランドデータ
によっては特殊処理を行う必要が生ずる場合があり、こ
の為従来方法ではオペランドデータのチェックサイクル
を設ける必要があり、結果的に特殊処理が不要であった
場合の演算速度の低下を招いていた問題点の解決を目的
とし、 命令実行部にオペランドデータが供給された場合に、
まず特殊処理が必要でないものとして浮動小数点演算器
を起動するとともに、特殊処理の要、不要を検出する専
用回路を設け、特殊処理が必要と判断された場合には、
マイクロプログラムに対して割込みを発生することによ
り処理を高速に切り換えて構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はデータ処理装置の命令実行部における演算処
理方式に関し、特に該命令実行部中に浮動小数点演算用
の専用演算器を有する場合の演算処理方法に関する。

〔従来の技術〕

データ処理装置の演算実行部は数多くの命令を高速に
実行できる能力を備えているが、その中でも四則演算は
特に高速性が要求される。さらに大型計算機では、科学
技術計算の高速処理に対する要求が強く、従って浮動小
数点演算命令の高速実行能力が重要な課題である。

このため大型計算機では、浮動小数点演算専用の演算
器を設けるとともに、高度なパイプライン処理方式を採
用することにより処理の高速化を実現している。

浮動小数点演算命令の中には、オペランドデータに依
存して、特殊な処理を必要とする場合がある。例えば、
浮動小数点演算命令のオペランドデータは、多くの場合
があらかじめ正規化された正規化オペランドであるた
め、浮動小数点演算器は正規化オペランドに対して最高
速に動作できるように設計される。しかし、オペランド
データが正規化されていない非正規化オペランドの場合
は、演算前正規化処理を必要とする場合がある。

また、金運年、無限大や非数（数値でないデータ）の
ような特殊なオペランドも扱う浮動小数点数の表現形式
が提唱され、そのような浮動小数点数の表現形式をサポ
ートするデータ処理装置が増えつつある。このような浮
動小数点数の表現形式を採用するデータ処理装置におい
ては、浮動小数点演算命令のオペランドデータが無限大
や非数などの特殊なオペランドであった場合には、特殊
な処理が必要となる。

このようにオペランドデータに依存して、特殊な処理
を必要とするか否かが決定されるものは、オペランドデ
ータが供給されてからしか判断できない。

以下、従来の浮動小数点演算の具体的な処理の例を説
明する。

第５図は従来例のデータ処理装置の構成ブロック図を
示している。同図において、命令実行部53は、実行すべ
き命令の指令コードを命令制御部51から、またオペラン
ドデータを命令制御部51あるいは記憶制御部52から供給
されると演算を実行し、演算結果を命令制御部51あるい
は記憶制御部52へと返すとともに演算終了信号を命令制
御部51へ送出することにより、演算終了を通知する。命
令制御部51は命令実行部53の演算終了を認識すると次の
命令処理を命令実行部53へ投入する。また、命令実行部
53から演算終了が通知されるまで命令制御部51は次の命
令処理を命令実行部に投入することができず、命令実行
パイプラインは停止している。高度なパイプライン処理
方式では、効率よくパイプライン制御をおこなうため
に、命令実行部53での処理終了の予告信号を演算終了信
号として使用する。従って、命令実行部53は演算処理の
最終サイクルに処理終了の予告信号を演算終了信号とし
て命令制御部51に送出しなければならない。

命令実行部での処理サイクル数は、命令によって１サ
イクルから数十サイクルを要する場合がある。命令実行
に１サイクルしか要しない場合は、命令実行部53に命令
が投入されるとともに演算終了信号が命令制御部51に送
出されることになる。

また、マシンサイクルが短縮されるに従い命令実行部
53からの演算終了信号でパイプライン制御を行なうこと
がディレイ器に厳しくなるため命令実行に２サイクル以
上を要する命令の場合は、演算処理の最終サイクルの１
つ前のサイクルで演算終了信号を送出する制御を併用す
ることによりディレイの制限を緩和する方法も行われて
いる。この場合は命令実行に２サイクルしか要しない場
合も、命令実行部51に命令が投入されるとともに演算終
了信号が命令制御部51に送出されることになる。

命令実行部53では、汎用演算器54を使用して主にマイ
クロプログラムの制御によって命令を実行する処理と、
浮動小数点演算器55などの専用演算器を使用して主にハ
ードウェア制御によって高速に命令を実行する処理とを
命令やオペランドデータの内容によって最適に使い分け
る方式が一般的である。

従って、浮動小数点演算器55のような専用演算器は、
通常のデータに対して最高速に動作できるように設計さ
れ、特殊な処理が必要な場合はマイクロプログラム処理
などによって処理されるのが一般的である。

［発明が解決しようとする課題］ 実行すべき浮動小数点演算命令のオペランドデータの
内容によって特殊な処理を必要とする可能性がある場
合、従来は演算の実行に先立ってオペランドを検査する
サイクルを設け、その結果によって専用演算器で高速に
処理するかマイクロプログラム処理が必要かを決定して
いた。しかし、この方式では一律にオペランドデータの
検査サイクルが必要なため、その分がオーバヘッドとな
り、高速化の障害となっていた。

また、従来は浮動小数点演算器で処理する場合でも演
算処理に数サイクル要していたため、演算終了信号を送
出するまでに時間的な余裕があったので、オペランドデ
ータが供給されると浮動小数点演算器を起動するととも
に、並行してオペランドの検査を汎用演算器などを使用
して行い、その結果によって特殊な処理が不要な場合は
そのまま浮動小数点演算器の処理を続行させて所定のサ
イクルで演算終了信号を送出し、特殊な処理が必要な場
合にはマイクロプログラムを条件ブランチさせ、マイク
ロプログラム処理にきりかえて浮動小数点演算器の処理
を中断させ特殊処理を行ってから演算終了信号を送出す
ることは行なわれた。

しかし、浮動小数点演算器などの専用演算器が高速化
され、１サイクルあるいは２サイクルで処理が終了する
ようになると浮動小数点演算器を起動するとともに演算
終了信号を送出しなければならなくなり、従来方法では
対処できなくなってきた。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、浮
動小数点演算器の高速性能を最大限に発揮させ得る演算
処理方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、上記の目的は、前記特許請求の範囲
に記載した手段により達成される。すなわち、本発明
は、 命令制御部、命令実行部及び記憶制御部の協同動作に
より演算処理を進め、かつ命令実行部には、演算の実行
を制御する演算制御部と、汎用演算器と、特定命令用の
専用演算器と、各部のデータ及び制御信号を伝送するた
めのポートとを設けたデータ処理装置において、上記命
令実行部中に、オペランドデータが専用演算器の処理対
象外のオペランドデータであるか否かを検出する専用検
出回路を設け、 命令実行部が命令制御部より前記特定命令の指令を受
け、かつ、オペランドデータを命令制御部あるいは記憶
制御部より供給された場合に、 命令実行部では、オペランドデータが専用演算器で処
理可能なオペランドデータであると仮定し、ただちに上
記専用演算器を起動し演算を実行し、かつ演算終了信号
を命令制御部に送出する第１の手順、演算の実行と並行
して、処理中のオペランドデータが専用演算器の処理対
象外のオペランドデータであるか否かを上記専用検出回
路にて判断し、該オペランドデータが処理対象外のもの
である場合には前記演算終了信号を抑止するとともに、
演算制御部に対して割り込みを発生する第２の手順、演
算制御部は前記検出回路からの割り込み発生により、専
用演算器の処理対象外のオペランドデータに対する割り
込み処理にきりかえ、汎用演算器および必要な場合な再
度専用演算器を使用して演算を実行し、演算終了信号を
命令制御部に送出する第３の手順、以上の手順で命令の
演算処理を実行する演算処理方法である。

〔作 用〕

本発明では、下記の手順により浮動小数点命令を実行
するものである。

（１） 実行する浮動小数点命令のオペランドデータが
供給されたら、浮動小数点演算器で処理可能なオペラン
ドデータであるものと仮定して、ただちに浮動小数点演
算器を起動して演算を実行することにより、所定のサイ
クルで演算終了信号の送出を開始する。

（２） 演算の実行と並行して、浮動小数点演算器の処
理対象外のオペランドデータであるか否かを検出する専
用回路を設け、該検出回路において処理対象のオペラン
ドデータであると判断された場合は、前記の演算終了信
号を命令制御部に送出させ、処理対象外のオペランドデ
ータであると判断された場合は、前記の演算終了信号を
抑止するとともに、演算制御部に対して割込みを発生す
るように構成する。

（３） 浮動小数点演算器の処理対象外のオペランドデ
ータに対する処理を例えばマイクロプログラムで行なう
割込みルーチンを用意する。

（４） 演算制御部は前記検出回路からの割込み発生に
より、浮動小数点演算器の処理対象外のオペランド・デ
ータに対する処理をおこなう割込みルーチンを起動す
る。

割り込みルーチンでは、オペランドデータの内容を分
析し、必要な処理をおこなって演算終了信号を命令制御
部へ送出して演算処理を終了する。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例なるデータ処理装置の構成ブ
ロック図を示しており、１は命令制御部、２は記憶制御
部、３は命令実行部、４は演算制御部、５はステイタス
ポート、６はデータポート、７は汎用演算器、８は浮動
小数点演算器、９はオペランドチェック回路を表してい
る。

また図上の各信号線の内容は以下の通りである。

1a……命令実行部への指令コードおよび指令コードの有
効信号 1b……命令実行部へのステイタス情報バスで、主にプロ
グラム割込みマスクなどの命令の実行に必要なオペラン
ドデータ以外の情報が送出される。

1c……レジスタオペランドデータバス１ 1d……レジスタオペランドデータバス２ 2a……主記憶オペランドデータバス 3a……命令制御部へのステイタス情報バスで、演算終了
信号、プログラム割込み信号、コンディションコードな
ど演算結果データ以外の情報が送出される。

3b……命令制御部への演算結果データバス 3c……記憶制御部への演算結果データバス 4a〜4e……演算制御部がオペランドチェック回路、各種
演算器、ステイタスポート、データポートを制御するた
めの制御信号 5a……演算制御部が制御の分岐条件等に用いるステイタ
ス情報 6a〜6b……汎用演算器への第１オペランド及び第２オペ
ランドデータ 6c〜6d……浮動小数点演算器への第１オペランドおよび
第２オペランドデータ 7a……汎用演算器の演算結果データ 7b……汎用演算器の演算結果ステイタス情報 8a……浮動小数点演算器の演算結果データ 8b……浮動小数点演算器の演算結果ステイタス情報 9a……オペランドチェック回路の検出信号 本図に示された実施例の構成ブロック図では、第５図
の従来例の構成ブロック図と比較して、新たにオペラン
ドチェック回路９が設けられている。

該オペランドチェック回路９は浮動小数点命令のオペ
ランドデータが浮動小数点演算器８の処理対象のオペラ
ンドデータか否かを判定する専用装置である。また、命
令実行部３は、命令制御部１からの命令コードを受け取
る演算制御部３、ステイタス情報を送受するステイタス
ポート５、命令制御部１内のレジスタ及び記憶制御部２
に対しオペランドデータ及び演算結果を送受するデータ
ポート６を有し、さらに、汎用演算器７と浮動小数点演
算器８を有し、浮動小数点演算命令は該浮動小数点演算
器８で通常処理される。

本発明は、この命令実行部３の演算処理動作に関係す
るものであり、命令制御部１と、記憶制御部２と命令実
行部３のそれぞれの間でのデータ及び信号の送受は第７
図の従来例と同様であり、また周知のものであり、本発
明と直接に関係しない部分の説明はしない。

以下、本発明の演算処理方法の動作を、従来例の演算
処理方法と比較して説明する。

第２図は本発明の演算処理方法によるパイプライン処
理の流れを示す図であり、 第３図は、従来方法のパイプライン処理の流れを示す
図であり、浮動小数点演算器が正規化数に対して３サイ
クルで処理可能な場合の例であり、同図（ａ）は従来方
法その１の場合、同図（ｂ）は改良された従来方法その
２の場合を表している。

第４図は、従来方式のパイプライン処理の流れを示す
図であり、浮動小数点演算器が正規化数に対して１サイ
クルで処理可能な場合であり、同図（ａ）は従来方法そ
の１の場合、同図（ｂ）は改良された従来方法その２の
場合を表している。

また第２図から第４図において、図中の期間区分記号
Ｄ、Ａ、Ｔ、Ｂ、Ｅ、Ｗは命令処理パイプラインの各処
理ステージを表しており、ＤステージからＷステージ迄
で１つの命令を実行することができる。

各ステージの大まかな動作は次の通りである。

Ｄ……デコード・ステージ 実行すべき命令を解読する。

Ａ……オペランドアドレス計算ステージ オペランドとして主記憶オペランドが必要な場合、そ
のオペランドアドレスを計算する。

Ｔ……アドレス変換ステージ Ａステージで計算されたオペランドアドレスを論理ア
ドレスから実アドレスへと変換する。

Ｂ……オペランドデータ読み出しステージ 主記憶オペランドが必要な場合はＴステージで算出さ
れる実アドレスを使用して主記憶オペランドを読み出
し、記憶制御部から命令実行部へ供給する。また、命令
制御部ではレジスタオペランドが読み出され命令実行部
へと供給される。

Ｅ……演算実行ステージ（必要な処理サイクル数だけ繰
り返される場合がある） 命令実行部において演算が実行される。

Ｗ……演算結果格納ステージ 演算結果データ、演算結果ステイタス情報が格納され
る。また、各種割込みの発生が検査される。

ここで取り上げた例では、オペランドデータが非正規
化数であった場合には演算前正規化処理を行なってから
演算するような場合である。ただし、オペランドデータ
が正規化数であるか否かはオペランドデータの仮数部の
最上位桁がゼロであるか否かで判別可能であるとし、仮
数部の最上位桁がゼロでなければ正規化数、ゼロであれ
ば非正規化数であるものとする。ここで仮数部がすべて
ゼロである場合（絶対値としてゼロの値を持つ場合）は
非正規化数の特別な場合として処理が可能であるから、
以下の例においては説明の簡単化のために、正規化数で
ないデータはすべて非正規化数であるものとし、オペラ
ンドデータが正規化数の場合を通常ケース、非正規化数
である場合を特殊ケースとする。

まず、浮動小数点演算器が正規化数に対して３サイク
ルで処理が可能なものとすると、 第３図（ａ）の従来方法その１の場合、オペランドデ
ータが命令実行部に供給されるとE1サイクルはオペラン
ドデータの検査サイクルであり、オペランドデータが正
規化数であるか否かにより、E2サイクルにおいて制御の
条件分岐が行なわれる。

オペランドデータが正規化数であった場合は、E3サイ
クルで浮動小数点演算器が起動され、E5サイクルで演算
終了が命令制御部へと送出される。

一方、オペランドデータが正規化数でなかった場合に
は、E3サイクルで浮動小数点演算器は起動されず、オペ
ランドデータの演算前正規化処理が行なわれ、仮に演算
前正規化処理が１サイクルで完了するとすれば、E4サイ
クルて浮動小数点演算器が起動され、E6サイクルで演算
終了信号が命令制御部へと送出されることになる。

第３図（ｂ）は改良された従来方法その２の例で、E1
の検査サイクルにおいて同時に浮動小数点演算器を起動
する方法である。第３図（ａ）の従来方法その１と同様
にE2サイクルにおいて制御の条件分岐が行なわれ、オペ
ランドデータが正規化数であった場合はE1で起動された
浮動小数点演算器の処理が続行され、E3サイクルで演算
終了信号が命令制御部に送出される。オペランドデータ
が非正規化数であった場合は浮動小数点演算器の処理は
中断され、E3サイクルでオペランドデータの演算前正規
化処理が行なわれ、仮に演算前正規化処理が１サイクル
で完了するとすればE4サイクルで浮動小数点演算器が起
動されてE6サイクルで演算終了信号が命令制御部へと送
出されることになる。

次に、浮動小数点演算器の高速化が実現され、仮に１
サイクルで処理が可能となっな場合を考える。

第４図（ａ）および第４図（ｂ）は、第３図（ａ）お
よび第３図（ｂ）の例を浮動小数点演算器が１サイクル
で処理が可能な場合として書きかえたものである。

第４図（ａ）の従来方法その１の場合、オペランドデ
ータが命令実行部に供給されると、E1サイクルにおいて
オペランドデータの検査が行なわれオペランドデータが
正規化数か否かによってE2サイクルにおいて制御の条件
分岐が行なわれ、正規化数であればE3サイクルで浮動小
数点演算器が起動されて演算終了信号か命令制御部へと
送出される。一方、オペランドデータが非正規化数であ
ればE3サイクルで演算前正規化処理が行なわれE4サイク
ルで浮動小数点演算器が起動されて演算終了信号が命令
制御部へと送出される。

第４図（ｂ）の従来方法その２の場合、オペランドデ
ータが命令実行部に供給されるとE1サイクルにおいてオ
ペランドデータが検査されると同時に浮動小数点演算器
が起動されても、E2サイクルにおける制御の条件分岐の
結果として演算終了信号を送出するか否かが決定するた
めE1サイクルで演算終了信号を出すことができない。従
って、オペランドデータが正規化数であっても演算終了
信号はE3サイクルで送出されることになり、浮動小数点
演算器を高速化したメリットを十分に活かすことができ
ない。

第２図は本発明の演算処理方法による場合であり、オ
ペランドデータが命令実行部に供給されるとE1サイクル
において浮動小数点演算器起動されているとともに、第
１図のオペランドチェック回路９によりオペランドデー
タが正規化数であるか否かが検査され、正規化数であれ
ばそのまま演算終了信号が命令制御部へと送出される。
オペランドデータが非正規化数であった場合は演算終了
信号はハードウェア的に抑止され、演算制御部へと割込
みが発生する。演算制御部では前記の割込みが発生する
とE2サイクルにおいて制御を割込みルーチンへと切りか
える。割込みルーチンでは、オペランドデータの演算前
正規化処理をE3サイクルで行い、E4サイクルで浮動小数
点演算器を起動して演算を実行し、演算終了信号を命令
制御部へと送出する。

〔発明の効果〕 以上説明したように、従来方法ではオペランドの検査
結果による制御の条件分岐を使用しているため、浮動小
数点演算器自身を高速化しても十分にその高速性を活か
すことができない。本発明によれば高速化された演算器
の性能を十分に活かすことができるばかりでなく、逆
に、稀なケースについての処理を専用演算器から除くこ
とができるため演算器自身をさらに高速化する可能性を
広げることができる。

また、オペランドチェック回路は専用演算器で処理可
能か否かの最低限のチェックのみ行なえば良いから、比
較的少ないハード量で高速なチェック回路を設計するこ
とができる。

さらに、特に高速化された演算に対しては本発明方式
を使用し、従来方式でも十分な演算については従来方法
を併用することが可能であるため応用範囲が広く、かつ
経済的な高速データ処理装置の設計が可能となる。

また、演算処理の高速化を目的とした専用演算器化は
浮動小数点演算に限られるものではなく、他の特定命令
の高速化を目的として設計された専用演算器に対しても
本発明は適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例なるデータ処理装置の構成ブ
ロック図、第２図は本発明の演算処理方法に関するパイ
プライン処理の流れを示す図、第３図は従来方法のパイ
プライン処理の流れを示す図、第４図は従来方法のパイ
プライン処理の流れを示す図、第４図は従来方法のパイ
プライン処理の流れを示す図、第５図は従来例のデータ
処理装置の構成ブロック図である。 １……命令制御部、２……記憶制御部、３……命令実行
部、４……演算制御部、５……スティタスポート、６…
…データポート、７……汎用演算器、８……浮動小数点
演算器、９……オペランドチェック回路、1a……命令実
行部への指令コードおよび指令コードの有効信号、1b…
…命令実行部へのステイタス情報バス、1c……レジスタ
オペランドデータバス１、1d……レジスタオペランドデ
ータバス２、2a……主記憶オペランドデータバス、3a…
…命令制御部へのステイタス情報バス、3b……命令制御
部への演算結果データバス、3c……記憶制御部への演算
結果データバス、4a〜4e……演算制御部がオペランドチ
ェック回路、各種演算器、ステイタスポート、データポ
ートを制御するための制御信号、5a……演算制御部が制
御の分岐条件等に用いるステイタス情報、6a〜6b……汎
用演算器への第１オペランドおよび第２オペランドデー
タ、6c〜6d……浮動小数点演算器への第１オペランドお
よび第２オペランドデータ、7a……汎用演算器の演算結
果データ、7b……汎用演算器の演算結果ステイタス情
報、8a……浮動小数点演算器の演算結果データ、8b……
浮動小数点演算器の演算結果ステイタス情報、9a……オ
ペランドチェック回路の検出信号

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】命令制御部、命令実行部および記憶制御部
   の共同動作により演算処理を進め、かつ命令実行部に
   は、演算の実行を制御する演算制御部と、汎用演算器
   と、特定命令用の専用演算器と、上記各部のデータ及び
   制御信号を伝送するためのポートとを設けたデータ処理
   装置において、 上記命令実行部中に、オペランドデータが専用演算器の
   処理対象外のオペランドデータであるか否かを検出する
   専用検出回路を設け、 命令実行部が命令制御部より前記特定命令の指令を受
   け、かつ、オペランドデータを命令制御部あるいは記憶
   制御部より供給された場合に、 命令実行部では、オペランドデータが専用演算器で処理
   可能なオペランドデータであると仮定し、ただちに上記
   専用演算器を起動し演算を実行し、かつ演算終了信号を
   命令制御部に送出開始する第１の手順、 演算の実行と平行して、処理中のオペランドデータが専
   用演算器の処理対象外のオペランドデータであるか否か
   を上記専用検出回路にて判断し、該オペランドデータが
   処理対象外のものである場合には前記演算終了信号を抑
   止するとともに、演算制御部に対して割り込みを発生す
   る第２の手順、 演算制御部は前記検出回路からの割り込み発生により、
   専用演算器の処理対象外のオペランドデータに対する割
   り込み処理に切り替え、汎用演算器及び必要な場合は再
   度浮動小数点演算器を使用して演算を実行し、演算終了
   信号を命令制御部に送出する第３の手順、 以上の手順で指令の演算処理を実行することを特徴とす
   る演算処理方法。