JP2761324B2 - 高速演算処理方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変長の命令実行パイ
プラインを有する命令処理装置の演算処理方式に関す
る。命令処理装置は、数多くの命令を高速に実行する能
力を備えていなければならない。中でも、特に高速性が
要求されるのは四則演算であり、とりわけ大型機では、
科学技術計算の高速処理能力が重要とされので、浮動小
数点演算命令を高速に実行できる能力が必要である。

【０００２】このため、大型機では、専用の浮動小数点
演算器を設け、さらに、データの処理に関しては、高度
なパイプライン処理方式により、高速に命令を実行す
る。具体的には、比較的容易に構成が可能な演算オーバ
ラップ処理がよく用いられる。演算オーバラップ処理を
用いる場合には、専用の浮動小数点演算器を演算オーバ
ラップ動作可能な構成にして、命令実行パイプラインに
通常の演算サイクルの他に、演算オーバラップ処理サイ
クル（Ｖサイクル）を設ける。

【０００３】浮動小数点演算命令は、このＶサイクルを
使用して実行する。Ｖサイクルは、最低で一つでよい
が、３サイクル以上を要する浮動小数点演算命令につい
て高速処理を実現するためには、必要に応じてＶサイク
ルを、例えばＶ₁ サイクル、Ｖ ₂ サイクルへと増加させ
る。つまり、演算オーバラップ処理サイクルの多段化を
行なう。

【０００４】一方、浮動小数点演算命令の中には、その
オペランド・データの内容に依存して、特殊なマイクロ
・プログラム処理が必要となる場合がある。また、演算
実行において、浮動小数点演算器が例外的な中間結果を
出力した場合には、最終結果を得るために、マイクロ・
プログラム処理による特別な演算後処理が必要となる場
合がある。

【０００５】

【従来の技術】命令処理装置における演算制御部の処理
方式は、一般的に次の二つの場合に分けられる。ひとつ
は、マイクロ・プログラムが汎用演算器を制御して命令
を実行する方式、すなわちマイクロ・プログラム処理を
行なう場合である。

【０００６】また、第二の方式は、浮動小数点演算器な
どの専用演算器を設け、通常のオペランド・データの実
行は専用演算器で高速に実行し、マイクロ・プログラム
は、演算器の起動や、特殊なオペランド・データ処理
や、演算器が出力する例外的な中間結果に対する処理を
行なうという場合であり、これら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という方式であ
る。

【０００７】ところで、従来、実行する命令が特殊な処
理を行なう必要があるという場合であって、その特殊な
処理の必要性がその命令の解読のみで判断できるという
場合については、命令制御部は、命令の解読をして演算
制御部を起動するときに、演算制御部に対する指令コー
ドを修飾することで、その命令が特殊な処理を行なう必
要がある命令であることを、演算制御部に指示してい
た。

【０００８】一方、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、浮動小数点演算器が出力し
た中間結果に対し、最終結果を得るために特別な演算後
処理を必要とするものがある。また、オペランド・デー
タに依存して、特殊な処理が要求される命令もある。

【０００９】オペランド・データに依存して特殊な処理
が必要な場合、および特別の演算後処理が必要な場合に
ついては、当然、命令制御部においてその必要性を判断
することは不可能である。

【００１０】そこで、演算制御部が起動し、実行する命
令のオペランド・データが記憶制御部あるいは命令制御
部から演算制御部へ供給された時点で、演算制御部がそ
のオペランド・データを解析することで前記処理の必要
性を判断することとしている。また、この時、命令制御
部から演算制御部への指令コードに対応する専用の浮動
小数点演算器が起動される。

【００１１】オペランド・データを解析することによっ
て前記処理が必要となった場合には、演算制御部は命令
制御部に演算終了信号を通知しないことで、命令制御部
の命令実行パイプラインを停止させる。

【００１２】それから、演算制御部は前記条件を検出し
た命令の処理をマイクロ・プログラムに割り出して、マ
イクロ・プログラム制御で命令処理を続行する。演算制
御部は、マイクロ・プログラム割出し処理が終了する
と、命令制御部に演算終了信号を通知して、命令制御部
の命令実行パイプラインの停止状態を解除する。

【００１３】従来方式の命令実行パイプラインで、一般
命令を実行するときの動作例を、図４に示す。命令実行
パイプラインは、各サイクルで実行する処理が明確に定
義されている。

【００１４】図中、Ｄサイクルは命令デコードサイク
ル、Ａサイクルはオペランドアドレス計算サイクル、Ｔ
サイクルはＴＬＢアクセスサイクル、Ｂサイクルはオペ
ランドキャッシュアクセスサイクル、Ｅサイクルは演算
制御部の演算サイクル、そしてＷサイクルは演算結果の
書き込みサイクルを示している。

【００１５】なお、命令実行パイプラインの各サイクル
は、オーバラップさせることができるので、先行命令の
影響で後続命令が待たされることがなければ、１サイク
ルごとに処理結果を得ることができる。

【００１６】図４において、オペランド・レジスタ１０
１はオペランド・データを格納するためのものであり、
演算結果レジスタ１０２は、演算結果を格納するための
ものである。また、汎用演算器１１０は、各種演算を行
なうものである。なお、図中点線で示すタイミングで
は、後述するＥＥＮＤ信号の通知がなされていない。

【００１７】図４に示す，，およびの命令は、１
サイクルで演算を実行する命令である。この場合、演算
制御部は、命令制御部へ演算終了信号（ＥＥＮＤ信号）
を通知する必要はない。しかし、の命令のように２サ
イクル以上で演算を実行するマルチＥサイクル命令は、
その最終の演算サイクル（Ｅサイクル）で、演算終了信
号（ＥＥＮＤ信号）を命令制御部へ通知する必要があ
る。

【００１８】図５と図６に、従来方式で演算オーバラッ
プ処理を行なう場合の、命令実行パイプラインの動作例
を示す。浮動小数点演算の実行には、２サイクル以上必
要な場合があり、さらに演算オーバラップ処理が可能な
場合は、演算オーバラップ処理サイクル（Ｖサイクル）
を使用する。

【００１９】図５は、浮動小数点演算命令〜を、２
サイクルで実行する場合を示している。図中、浮動小数
点演算器２１０は、演算オーバラップ処理が可能な専用
の演算器であり、２サイクルで命令の実行をする。図５
に示す構成では、演算処理は２サイクルで実行されてい
るが、その演算結果は、演算オーバラップ処理により、
１サイクルおきに出力されている。

【００２０】，，，およびの命令は、すべて専
用の浮動小数点演算器２１０で最終結果を得ることがで
きるので、一定したサイクルで演算の実行を継続するこ
とができる。従って、演算制御部から命令制御部へ、演
算終了信号（ＥＥＮＤ信号）を通知する必要はない。

【００２１】図６は、浮動小数点演算命令を３サイクル
で実行する場合を示している。浮動小数点演算器３１０
は、演算オーバラップ処理可能な専用の演算器であり、
３サイクルで命令の実行をする。図６に示す構成では、
演算処理は３サイクルで実行されているが、その演算結
果は、演算オーバラップ処理により、２サイクルおきに
出力されている。

【００２２】，，およびの命令は、浮動小数点演
算器３１０で最終演算結果を得ることができる命令であ
る。一方、の命令は、浮動小数点演算器３１０の演算
結果に特別の演算後処理が必要な命令である。そこで、
命令の実行に際しては、必要となった演算後処理をマ
イクロプログラムに割り出す前に、命令制御部への演算
終了信号（ＥＥＮＤ信号）の通知を抑止する。それか
ら、マイクロ・プログラム制御による汎用演算器１１０
の操作を行ない、命令処理を続行する。

【００２３】処理が終了すると、最終演算結果を演算結
果の格納待ちレジスタ１０３に設定して、命令制御部へ
演算終了信号（ＥＥＮＤ信号）を通知する。演算終了信
号（ＥＥＮＤ信号）の通知によって、命令実行パイプラ
インは演算オーバラップ処理サイクル（Ｖサイクル）に
なる。演算オーバラップ処理サイクル（Ｖサイクル）で
は、演算結果の格納待ちレジスタ１０３の内容を、演算
結果レジスタ１０２に転送する。

【００２４】図６に示すように、この演算オーバラップ
処理サイクル（Ｖサイクル）は、１サイクルのみであ
る。そのため、演算オーバラップ処理が可能な専用の浮
動小数点演算器３１０を設けているのにもかかわらず、
最適な場合でも２サイクルおきにしか演算結果を得るこ
とができない。

【００２５】そこで、演算オーバラップ処理のオーバラ
ップ度を深くとるという方法、すなわち演算オーバラッ
プ処理サイクル（Ｖサイクル）の多段化を行なう方法が
用いられる。例えば、演算オーバラップ処理サイクル
（Ｖサイクル）を、Ｖ₁ サイクルと、Ｖ₂ サイクルとに
変更する。

【００２６】図７は、演算オーバラップ処理サイクル
（Ｖサイクル）をＶ₁ サイクルと、Ｖ ₂ サイクルとに変
更した場合の命令実行パイプラインの動作例を示してい
る。図中、第一の演算オーバラップ処理サイクルである
Ｖ₁ サイクルは、格納待ちレジスタ１０４を有してい
る。また、第二の演算オーバラップ処理サイクルである
Ｖ ₂ サイクルは、格納待ちレジスタ１０３を有してい
る。

【００２７】の命令処理をマイクロ・プログラムに割
り出し、マイクロ・プログラム制御で汎用演算器１１０
を操作して演算結果を得るとき、その演算結果は、演算
オーバラップ処理サイクルが有する２段で構成する格納
待ちレジスタ１０４，１０３の内、格納待ちレジスタ１
０４に設定する。

【００２８】Ｖ₁ サイクルでは、格納待ちレジスタ１０
４の内容を格納待ちレジスタ１０３に転送する。Ｖ₂ サ
イクルでは、格納待ちレジスタ１０３の内容を演算結果
レジスタ１０２に転送する。図７の構成例によれば、専
用の浮動小数点演算器３１０で最終演算結果を得られる
場合には、１サイクルごとに演算結果を出力することが
可能になる。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】オペランド・データに
依存して、特別な演算後処理が必要となる場合を検出し
て、命令制御部に対する演算終了信号（以下、「ＥＥＮ
Ｄ信号」という。）を制御する場合は、詳細にマイクロ
・プログラムへの割出し条件を分離すれば、無駄なマイ
クロ・プログラム割出しは発生しない。しかしながら、
ＥＥＮＤ信号の作成論理が複雑になるので、命令制御部
に対するＥＥＮＤ信号の信号遅延が増大する。

【００３０】ＥＥＮＤ信号は、直接に命令処理パイプラ
インの制御に使用するので、特に高速な命令処理装置で
は、ＥＥＮＤ信号の信号遅延の増大は許容できない問題
である。よって、現実的に図７に示す構成を使用するこ
とはできない。

【００３１】この問題は、図５に示す浮動小数点演算命
令を２サイクルで実行する場合でも同様であり、２サイ
クルの浮動小数点演算においては、ＥＥＮＤ信号の信号
遅延のためにマイクロ・プログラム割出し処理が使用で
きない。

【００３２】すなわち、図５に示す構成では、マイクロ
・プログラムへの割り出しを行なわない場合の処理を、
専用の浮動小数点演算器を用いて２サイクルで実行でき
たとしても、オペランド・データに依存して、マイクロ
・プログラムへの割り出しが必要な場合の処理があるの
で、実際に２サイクルの浮動小数点演算器を使用するこ
とはできない。

【００３３】本発明は、このような従来の問題点に鑑
み、実行する命令のオペランド・データに依存して、マ
イクロ・プログラム割出し処理の必要性が生じた場合
に、命令制御部への命令実行パイプラインの停止および
その解除の指示を的確に、かつ迅速に行なうことによっ
て、演算オーバラップ処理による高速演算を実現する手
段を提供することを目的とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
目的は、前記特許請求の範囲に記載した手段にて達成さ
れる。

【００３５】すなわち、請求項１の発明は、演算サイク
ルの他に、多段化した演算オーバラップ処理サイクルを
持つ可変長の命令実行パイプラインを有すると共に、演
算オーバラップ動作可能な専用の浮動小数点演算器と、
汎用演算器とを擁し、演算制御をマイクロプログラムで
行なう命令処理装置において、ＥＥＮＤ信号とは別の演
算オーバラップ処理サイクルの演算終了信号を設け、演
算オーバラップ処理においては、演算オーバラップ動作
可能な専用の浮動小数点演算器を用いて、多段化した演
算オーバラップ処理サイクルで演算オーバラップ処理の
演算を実行し、その実行中に、演算オーバラップ処理サ
イクルを延長してマイクロプログラム割出し処理を実行
することとなった場合には、演算オーバラップ処理サイ
クルの前記演算終了信号を発行するタイミングを制御し
て命令列の処理を進めていく高速演算処理方式である。

【００３６】また、請求項２の発明は、オペランド・レ
ジスタの内容を退避するためのオペランド退避レジスタ
を設けると共に、演算オーバラップ処理サイクルを延長
してマイクロプログラム割出し処理を実行することとな
った命令に後続する命令のオペランド・データを、その
マイクロプログラム割出し処理の実行開始に際し、必要
に応じてオペランド・レジスタから前記オペランド退避
レジスタへ転送し、マイクロ・プログラム割出し処理の
実行終了に際しては、前記オペランド退避レジスタに退
避していたオペランド・データを、オペランド・レジス
タに復元する高速演算処理方式である。

【００３７】

【作用】本発明では、演算サイクル（Ｅサイクル）の終
了を通知する従来の演算終了信号に加え、新たに演算オ
ーバラップ処理サイクルの演算終了信号（以下、「ＶＥ
ＮＤ信号」という。）を設ける。

【００３８】そして、演算オーバラップ処理を行なう命
令では、演算オーバラップ処理の第一サイクル（Ｖ₁ サ
イクル）で、ＶＥＮＤ信号を命令制御部に通知すること
とする。このとき、ＥＥＮＤ信号は通知しない。

【００３９】図１と図２に、演算サイクル（Ｅサイク
ル）の終了を通知する従来のＥＥＮＤ信号の代わりに、
本発明によるＶＥＮＤ信号を設け、このＶＥＮＤ信号を
使用した場合における命令実行パイプラインの動作例を
示す。なお、図中、ＣＳＡは、コントロール・ストアの
アドレス・レジスタを示し、ＣＳＤは、コントロール・
ストアの読み出し・レジスタを示す。

【００４０】図１は、浮動小数点演算命令を２サイクル
で実行する場合を示す図である。本構成例で明らかなよ
うに、従来では２サイクルの浮動小数点演算において
は、ＥＥＮＤ信号の信号遅延のためにマイクロ・プログ
ラム割出し処理を適用できなかったが、本発明によるＶ
ＥＮＤ信号を使用することで、２サイクルの浮動小数点
演算においてもマイクロ・プログラム割出し処理が可能
になった。

【００４１】図２は、浮動小数点演算命令を３サイクル
で実行する場合を示す図である。図２に示すように、多
段化した演算オーバラップ処理サイクルを持つ命令処理
パイプラインにおいても、マイクロ・プログラム割出し
処理が可能になった。

【００４２】しかし、ＶＥＮＤ信号を使用することでい
くつかの解決しなければならない問題もある。ＶＥＮＤ
信号を使用する場合、マイクロ・プログラム割出し処理
はＶ ₁ サイクルで実行する。この間、図１または図２に
示す後続命令は他の条件で待たれることがなければ、
演算サイクル（Ｅサイクル）で待つことになる。

【００４３】従って、この後続命令を演算サイクル
（Ｅサイクル）で待たせるための手段を考えなければな
らない。例えば、マイクロ・プログラム割出し処理にお
いて、特殊処理や、演算結果の後処理を行なうときは、
命令制御部が、演算制御部に対する指令コードを、後続
命令エントリに指定することとする。

【００４４】また、必要に応じて後続命令のオペラン
ド・データを、オペランド・レジスタ１０１から退避す
るためのレジスタ１０５を設け、ここに後続命令のオ
ペランド・データを保持しておく。そして、マイクロ・
プログラム割出し処理が終了するときには、オペランド
退避レジスタ１０５の内容をオペランド・レジスタ１０
１に復元する。

【００４５】マイクロ・プログラム割出し処理が終了し
たら、後続命令の指令コードでコントロールストア
（ＣＳ）からマイクロ・コードを読み出し、読み出した
マイクロ・コードを解読して後続命令の実行を開始す
る。

【００４６】

【実施例】図３は、本発明の一実施例を示す図である。
図中、オペランド・レジスタ１０１−１，１０１−２，
１０１−３、演算結果レジスタ１０２、２段構成の格納
待ちレジスタ１０３，１０４、オペランド退避レジスタ
１０５−１，１０５−２，１０５−３については、すで
に他の図で説明したものと同様の構成である。

【００４７】マイクロ・プログラムの作業レジスタ１０
６−１，１０６−２，１０６−３は、オペランド・デー
タやマイクロ・プログラム処理の途中結果を保持するも
のであり、セレクタ回路７１２は、ＡＢＵＳまたはＢＢ
ＵＳの選択を行なうものである。

【００４８】浮動小数点演算器２１０は、演算オーバラ
ップ動作可能な専用の演算器であり、２サイクルで命令
を処理する。浮動小数点演算器３１０は、演算オーバラ
ップ動作可能な専用の演算器であり、３サイクルで命令
を処理する。また、汎用演算器１１０は、マイクロ・プ
ログラム割出し処理の演算など、各種演算を行なうもの
である。

【００４９】演算結果１１０１は、汎用演算器１１０の
演算結果である。また、演算結果２１０１は、２サイク
ルの浮動小数点演算器２１０の演算結果であり、演算結
果３１０１は、３サイクルの浮動小数点演算器３１０の
演算結果である。

【００５０】ステータス１１０２は、汎用演算器１１０
のオペランド・ステータス，演算結果ステータスであ
る。また、ステータス２１０２は、浮動小数点演算器２
１０のオペランド・ステータス，演算結果ステータスで
あり、ステータス３１０２は、浮動小数点演算器３１０
のオペランド・ステータス，演算結果ステータスであ
る。

【００５１】コントロール・ストア（以下、「ＣＳ」と
いう。）７１０は、演算制御部のマイクロ・プログラム
を格納するものである。アドレス・レジスタ７０１は、
ＣＳ７１０のアドレス・レジスタ（以下、「ＣＳＡ」と
いう。）であり、マイクロコード・アドレス７１０１
は、マルチＥサイクルにおけるＣＳ７１０の後続のマイ
クロコード・アドレスである。

【００５２】また、エントリ・アドレス７１０２は、マ
イクロプログラム割出し処理のエントリアドレスであ
り、読み出し・レジスタ（ＣＳＤ）７０２は、ＣＳ７１
０の読み出しレジスタである。

【００５３】ステータス制御回路７１１は、状況に応じ
て各種ステータスを制御するものである。ＥＥＮＤ信号
７１１１、及びＶＥＮＤ信号７１１２については、既に
詳細に説明した。制御信号７１１３は、ＣＳＡ７０１の
制御信号である。

【００５４】命令実行パイプライン制御回路７５０は、
命令処理装置のパイプライン動作を制御するものであ
る。指令コード７５０１は、演算制御部に対する指令コ
ードであり、レジスタ・スタック７６０は、各種のレジ
スタから構成されるものである。オペランド・キャッシ
ュ７７０は、オペランド・データを保持する高速メモリ
である。７６０１は、レジスタ・スタック７６０から読
出したオペランド・データである。７６０２は、レジス
タ・スタック７６０から読出したオペランド・データで
ある。７７０１は、オペランド・キャッシュ７７０から
読出したオペランド・データである。１０２１は、演算
結果レジスタ１０２からの演算結果データである。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多段化した演算オーバラップ処理サイクルを持つ可変長
の命令処理パイプラインと、演算オーバラップ動作可能
な専用の浮動小数点演算器とを具備する構成において、
ＶＥＮＤ信号を設けているので、多段化した演算オーバ
ラップ処理サイクルを持つ命令処理パイプラインにおい
ても、マイクロ・プログラムの割出し処理を実現するこ
とができる。

【００５６】また、多段化した演算オーバラップ処理
と、専用の浮動小数点演算器とによって高速演算処理を
実行する一方で、特殊処理や、演算結果の後処理につい
ては、マイクロ・プログラム制御で処理することによっ
て、専用の浮動小数点演算器による高速演算処理と、適
切なマイクロ・プログラム処理との両立を達成すること
ができる。よって、専用の浮動小数点演算器を活かす適
切な構成を実現することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による命令実行パイプラインの動作例を
示す図である。

【図２】本発明による命令実行パイプラインの動作例を
示す図である。

【図３】本発明の一実施例を示す図である。

【図４】従来の命令実行パイプラインの動作例を示す図
である。

【図５】従来の命令実行パイプラインの動作例を示す図
である。

【図６】従来の命令実行パイプラインの動作例を示す図
である。

【図７】従来の命令実行パイプラインの動作例を示す図
である。

【符号の説明】

１０１，１０１−１，１０１−２，１０１−３ オペラ
ンド・レジスタ １０２ 演算結果レジスタ １０３，１０４ 格納待ちレジスタ １０５，１０５−１，１０５−２，１０５−３ オペラ
ンド退避レジスタ １０６−１，１０６−２，１０６−３ 作業レジスタ １１０ 汎用演算器 ２１０，３１０ 浮動小数点演算器 ７０１ アドレス・レジスタ ７０２ 読み出し・レジスタ ７１０ コントロール・ストア ７１１ ステータス制御回路 ７１２ セレクタ回路 ７５０ 命令実行パイプライン制御回路 ７６０ レジスタ・スタック ７７０ オペランド・キャッシュ １１０１，２１０１，３１０１ 演算結果 １１０２，２１０２，３１０２ ステータス ７１０１ マイクロコード・アドレス ７１０２ エントリ・アドレス ７１１１ ＥＥＮＤ信号 ７１１２ ＶＥＮＤ信号 ７１１３ 制御信号 ７５０１ 指令コード ７６０１，７６０２，７７０１ オペランド・データ １０２１ 演算結果データ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】演算サイクルの他に、多段化した演算オー
   バラップ処理サイクルを持つ可変長の命令実行パイプラ
   インを有すると共に、演算オーバラップ動作可能な専用
   の浮動小数点演算器と、汎用演算器とを擁し、演算制御
   をマイクロプログラムで行なう命令処理装置において、 演算サイクルの演算終了信号とは別の演算オーバラップ
   処理サイクルの演算終了信号を設け、演算オーバラップ
   処理においては、演算オーバラップ動作可能な専用の浮
   動小数点演算器を用いて、多段化した演算オーバラップ
   処理サイクルで演算オーバラップ処理の演算を実行し、 その実行中に、演算オーバラップ処理サイクルを延長し
   てマイクロプログラム割出し処理を実行することとなっ
   た場合には、演算オーバラップ処理サイクルの前記演算
   終了信号を発行するタイミングを制御して命令列の処理
   を進めていくことを特徴とする高速演算処理方式。
2. 【請求項２】オペランド・レジスタの内容を退避するた
   めのオペランド退避レジスタを設けると共に、 演算オーバラップ処理サイクルを延長してマイクロプロ
   グラム割出し処理を実行することとなった命令に後続す
   る命令のオペランド・データを、そのマイクロプログラ
   ム割出し処理の実行開始に際し、必要に応じてオペラン
   ド・レジスタから前記オペランド退避レジスタへ転送
   し、マイクロプラグラム割出し処理の実行終了に際して
   は、前記オペランド退避レジスタに退避していたオペラ
   ンド・データを、オペランド・レジスタに復元する請求
   項１記載の高速演算処理方式。