JP3229057B2

JP3229057B2 - 例外処理装置

Info

Publication number: JP3229057B2
Application number: JP03163193A
Authority: JP
Inventors: 進博井出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 2001-11-12
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JPH06250848A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、演算処理装置に於ける
例外処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】演算処理装置は、記憶装置に格納された
命令シーケンスに従って演算の実行を行う。しかし、演
算実行中に例外が生じ、演算の継続が不可能になる場合
がある。ここで例外とは、オペランド等の入力値が不適
当であったり、演算結果が異常値になり、これ以上、正
常な演算実行の継続が不可能になった状態になることで
ある。

【０００３】このような場合、一般に演算装置は、直ち
に本来の命令シーケンスの制御から一時的に離れて例外
の処理を行う。そして、処理の終了後、再び従来の命令
シーケンスに復帰する。例外の処理は一般に複雑である
ため、演算装置は例外が起こるとトラップ（例外処理）
を行い、専用のソフトウエア（トラップルーチン）で処
理することが多い。

【０００４】浮動小数点演算器に於いても、オーバフロ
ー、アンダーフロー等の例外が生じる。以下では、浮動
小数点演算器に於ける例外処理に付いて、特にＩＥＥＥ
７５４規格に基づき説明する。

【０００５】ＩＥＥＥ７５４規格では、（１）オーバフ
ロー、（２）アンダフロー、（３）精度落ち、（４）ゼ
ロ除算、（５）無効演算、の五つの例外が規定されてい
る。これらの例外が生じた場合には、直ちに例外処理を
行い、処理を終了してから本来の命令シーケンスに復帰
する。例外処理は、（１）ユーザの定義したトラップ・
ルーチンにトラップする、（２）規格により規定された
定数を出力する、の２つの処理モードが規定されてい
る。

【０００６】前者は、ユーザに完全に開放され、処理の
内容は自由に定義することができる。後者は、演算処理
装置全体、或いは演算処理装置を実装したシステムが責
任を負う処理である。本処理では、規格で規定された定
数、（１）非数Ｎａｎ、（２）無限大、（３）最大値、
のうち、何れかが、例外の種類、丸めのモード、仮数部
の符号によって出力される。表１は、出力するべきデフ
ォルト値（定数）の一覧である。

【０００７】

【表１】例外処理に於ける定数の選択には、表１に示した通り複
雑な処理を必要とする。

【０００８】図６に従来の浮動小数点演算器の構成例を
示す。ここに示すように従来の浮動小数点演算器では、
例外の発生を検出してから例外処理を行っている。従っ
て、オーバフロー、アンダフロー、など演算パイプライ
ン２０３の後半でしか検出できない例外が発生した場合
には、例外処理の為に余分な処理時間、実行サイクルを
必要としていた。

【０００９】そのため、例外が生じた場合では、例外が
生じない場合と比較して、演算に要する時間が増加し、
実行速度が著しく遅くなるという問題点があった。さら
に、例外が生じるか否かによって実行に要する処理時
間、サイクル数（レイテンシ）が異なるため、演算パイ
プライン２０３の制御も複雑になるという問題点があっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の例
外処理装置は例外の発生を検出してから例外処理を行っ
ているため、例外が生じた場合に実行速度が著しく遅く
なったり、演算パイプラインの制御が複雑になるという
問題点があった。

【００１１】本発明は、以上のような従来技術の欠点を
鑑みてなされたものであり、本発明では、パイプライン
の後半で発生する可能性のある例外を演算処理の初期に
予測し、この予測結果に基づき演算と並行して、例外処
理に於ける定数生成を行い、例外検出後、直ちに定数を
出力することにより、演算後の特別な例外処理時間ある
いは例外処理サイクルを無くし、例外処理の高速化を実
現するとともに、演算処理装置の制御の簡略化を可能に
する例外処理装置を提供する事を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するために、入力されるオペランド及び演算命令よ
り演算器で演算した結果、発生する可能性がある例外を
予測する例外予測手段と、前記例外予測手段の予測結果
に基づいて、実際に例外が発生した場合に行う処理を前
記演算器に於ける演算処理と並行して行う例外処理手段
と、前記演算器の演算結果により例外を検出する例外検
出手段と、前記例外検出手段の結果に基づき、例外が実
際に発生した場合には、前記例外処理手段の処理結果を
演算結果として選択し、例外が実際に発生しなかった場
合には前記演算器の処理結果を演算結果として選択する
選択手段とを具備する事を要旨とする。

【００１３】

【作用】図１に示す装置に於いて、例外処理の過程を説
明する。浮動小数点演算器は、例外予測回路１００、例
外処理回路１０１、例外検出回路１０２、及び演算パイ
プライン１０３、および演算結果選択回路１０４、より
構成される。オペランド３，４は、演算命令０と共に演
算パイプライン１０３に供給され、演算が行われる。

【００１４】例外予測回路１００は、演算パイプライン
１０３で算出された指数部中間値５と命令の種類に基づ
いて、演算の結果、生じる可能性のある例外を予測す
る。例えば、加算演算の場合、指数部中間値、すなわち
ｍａｘ（２つのオペランドの指数）が、最大有限値であ
る場合にオーバフローが発生する可能性があると予測す
る。

【００１５】例外処理回路１０１では、予測された例外
に基づき例外処理を行う。すなわち、予測された例外に
対応するデフォルト値として（１）非数、（２）無限
大、（３）有限最大値、のうち何れかを選択する。

【００１６】例外検出回路１０２では、演算の結果、生
じた例外を検出する。例えば、オーバフローは、指数部
演算結果９が有限最大値を越えたことを検出する事によ
って行なわれる。（１）例外が実際に検出された場合に
は、例外処理回路１０１に於いて生成された定数７、
（２）例外が検出されなかった場合には、演算パイプラ
イン１０３の演算結果１０が、演算結果１１として出力
される。

【００１７】このように、本発明では、例外の予測結果
に基づいて例外処理に於ける定数生成を演算と並行して
行うため、例外処理に要する時間あるいは例外処理サイ
クルを省略する事ができ、例外が生じる場合でも、例外
が生じない場合と同等の処理時間で演算を終了する事が
できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明を適用した浮動小数点演算器の一
実施例である。本浮動小数点演算器は、浮動小数点演算
規格ＩＥＥＥ７５４規格に準じて演算を行う。

【００１９】まず、図１に示した実施例の構成に付いて
説明する。本浮動小数点演算器は、例外予測回路１０
０、例外処理回路１０１、例外検出回路１０２、演算パ
イプライン１０３、演算結果選択回路１０４、以上５つ
の大きなモジュールより構成される。

【００２０】例外予測回路１００は、指数部中間値５、
演算命令０、オペランドの精度２、から演算の結果、生
じる可能性のある例外の種類と例外発生の可能性を予測
する。図２は、例外予測回路１００の詳細図である。例
外の予測は、指数部の演算中間値５と比較定数を比較す
る事によって行う。ここで比較定数は、演算命令０の種
類、オペランドの精度２、から決定される。

【００２１】例えば、加減算に於いてオーバフローは、
指数部中間値５が、指数部が取り得る有限最大値である
場合のみ発生する可能性がある。したがって、指数部中
間値５を有限最大値と比較し、（指数部中間値５）＜
（有限最大値）ならば、演算の結果、オーバフローが生
じることは絶対にない。

【００２２】図２に於いて、比較定数発生回路１００ａ
は、演算命令０の種類、オペランドの精度２から、比較
定数を生成する。前記オーバフローの場合では、倍精度
に於いて有限最大値を１１１１１１１１１１０（二進）
が生成される。符号拡張回路１００ｂは、指数部中間値
５をオペランドの精度２に応じて符号拡張をし、比較定
数とのビット幅を一致させる。

【００２３】ＩＥＥＥ７５４規格では、倍精度１１ｂｉ
ｔ、単精度８ｂｉｔであるので、単精度の場合は上位に
３ｂｉｔだけ０拡張する。比較回路１００ｃは、比較定
数と符号拡張された指数部中間値を比較し、例外の予測
を行う。予測の結果、例外が発生する可能性がまったく
無いならば、例外予測信号６として‘０’を出力する。
例外が発生する可能性がある場合は、例外予測信号６と
して‘１’を出力する。

【００２４】前記オーバフローの例では、（指数部中間
値）＜（比較定数：１１１１１１１１１１０（二進））
であればオーバフローが生じることは絶対に無いので、
オーバフロー例外予測信号６として‘０’を出力する。
それ以外は、‘１’を出力する。同様にアンダフロー等
の例外も予測される。尚、例外予測の手法については、
特開平２−１０４２７、特願平２−９０１０２８、特願
平２−９０３１０５、等が詳しい。

【００２５】例外処理回路１０１は、前記例外予測回路
１００で予測された例外に基づき、丸めモード１、オペ
ランド精度２、及び符号部演算結果１５、に対応した定
数を生成する回路である。なお、例外予測信号６が
‘０’の場合はdon't cdreである。図３は、例外処理回
路１０１の詳細図である。生成すべき定数は、倍精度、
単精度それぞれ、非数Ｎａｎ、最大値Ｍａｘ、無限大Ｉ
ｎｆ、の３種類、計６種類である。

【００２６】定数選択論理回路１０１ａは、丸めモード
信号１（最近値丸め、０方向丸め、＋方向丸め、−方向
丸め）、オペランド精度信号２、例外予測信号６、によ
って、前記定数のうち、例外が発生した場合、演算結果
として出力すべき定数７を選択する。ＩＥＥＥ７５４に
基づく定数の選択規定は、表１に示した通りである。

【００２７】例えば、最近値丸めモードに於ける倍精度
演算では、オーバフロー例外が予測された場合、無限大
が選択される。（ここで、符号ｓは演算結果による）無限大（２進）：s111111111110000000000000000000000
000000000000000000000000000000 例外検出回路１０２は、指数部の演算結果９により、例
外が実際に生じた否かを検出する。図４は、例外検出回
路１０２の詳細図である。本回路には、指数部演算結果
９が入力され、全ビット１検出回路１０２ａ、全ビット
０検出回路１０２ｂに於いて、指数部の全ビットが１で
あるか、０であるかが検出される。

【００２８】オーバフローは、例外予測回路１００に於
いてオーバフローが予測され、かつ指数部が全て１であ
ることにより検出される。同様に、アンダフローは、例
外予測回路１００に於いてアンダフローが予測され、か
つ指数部が全て０であることにより検出される。この図
では、オーバフローとアンダフローについてのみ示した
が、これはこれらの例外が演算の結果より検出できるも
のであり、特に例外予測の効果が大きいためである。

【００２９】演算パイプライン１０３は、浮動小数点演
算器である。図５に、指数部と仮数部の典型的な浮動小
数点加減算器の詳細図を示す。本回路は、３ステージ構
成の加減算器で、倍精度、単精度の演算の演算を３クロ
ックで実行することが可能である。第１ステージでは、
指数部中間値算出、指数部大小比較、仮数部スワップ、
仮数部桁合わせ処理、第２ステージでは、仮数部の加
算、仮数部正規化処理、第３ステージでは、指数部桁合
わせ処理、丸め処理、再正規化処理、が行われる。指数
部中間値５は、本演算器の第１ステージより出力され
る。また、指数部演算結果９は、第３ステージより出力
される。

【００３０】尚、演算パイプライン１０３の構成、ステ
ージ数、演算アルゴリズム等に付いては、本発明の範囲
外である。本実施例の説明に於いて、演算パイプライン
構成、アルゴリズムに関し、詳細に説明することは省略
する。

【００３１】次に、本実施例の動作に付いて、主にオー
バフロー例外を取り上げて説明する。ここで、本浮動小
数点演算器は、最近値丸めモードに於いて倍精度の加算
命令を実行しているものとする。

【００３２】まず、２つのオペランド３，４が、加算命
令０と共に演算パイプライン１０３に供給され、演算が
開始される。演算パイプライン１０３の第１ステージで
は、２つのオペランドの指数部のうち、大きい方の値が
指数部中間値５として選択され、例外予測回路１００に
出力される。

【００３３】次に例外予測回路１００では、指数部中間
値５と定数を比較して、例外が予測される。オーバフロ
ー例外の予測では、比較定数発生回路１００ａより、比
較定数１１１１１１１１１１０が出力され、比較回路１
００ｃで比較される。ここで、（指数部中間値５）＜
（比較定数）であれば、オーバフローは絶対に起こらな
いので、オーバフロー予測信号６は‘０’となる。

【００３４】（指数部中間値５）≧（比較定数）であれ
ば、オーバフローが発生する可能性があるので、オーバ
フロー予測信号６は‘１’となる。アンダフロー、その
他の例外についても同様に予測が行われる。例外予測信
号６は、例外処理回路１０１、例外検出回路１０２に入
力される。

【００３５】例外処理回路１０１では、例外予測信号６
に基づいて、実際に例外が検出された場合に演算結果と
して出力する定数７を生成する。本動作例では、最近値
丸めモードに於いて倍精度加算を行っているので、オー
バフローが予測されている場合には、定数７として無限
大が選択される。ただし、符号部ｓは、演算結果によ
る。

【００３６】以上の各処理は、演算パイプライン１０３
における演算処理とは、独立かつ並列に実行される。

【００３７】一方、演算パイプライン１０３では、オペ
ランド、演算命令（加算）０に従い、加算が行われる。
第１ステージでは、指数部中間値５算出、指数部大小比
較、仮数部スワップ、仮数部桁合わせ処理、第２ステー
ジでは、仮数部の加算、仮数部正規化処理、第３ステー
ジでは、指数部桁合わせ処理、丸め処理、再正規化処
理、が行われる。第３ステージからは、指数部の演算結
果９が例外検出回路１０２に出力される。

【００３８】例外検出回路１０２では、指数部演算結果
９より例外の検出を行う。加算の場合、指数部が最大有
限値（２０４７（＋進））になった場合にオーバフロー
を検出する。具体的には、例外予測回路１００に於いて
オーバフローが予測され（オーバフロー例外予測信号６
＝１）、かつ指数部が全て１であることによりオーバフ
ローを検出する。同様に、アンダフローは、例外予測回
路１００に於いてアンダフローが予測され（アンダフロ
ー例外予測信号６＝１）、かつ指数部が全て０であるこ
とにより検出される。

【００３９】例外検出回路１０２に於いて、例外が検出
されると、演算結果選択回路１０４に於いて例外処理回
路１０１の出力７（定数）が演算結果１１として選択さ
れる。例外検出回路１０２に於いて、例外が検出されな
かった場合には、演算結果選択回路１０４に於いて演算
パイプライン１０３の出力１０（パイプライン演算結
果）が演算結果１１として選択される。

【００４０】このように、本装置では、例外処理に於け
る定数生成を演算パイプライン１０３に於ける演算と並
行して行うため、従来装置では例外検出後に必要であっ
た例外処理サイクルを省略する事ができ、例外が生じる
場合でも、例外が生じない場合と同等の処理時間で演算
を終了する事ができる。また、例外の発生の如何にかか
わらず、演算に必要な時間あるいはサイクル数（レイテ
ンシ）を一定できるので、演算パイプライン１０３の制
御を簡略化する事ができる。

【００４１】尚、本実施例では、主にオーバフロー例外
に付いて示したが、アンダフローなど、他の例外に於い
ても同様に例外処理を実現できる。また、本実施例で
は、加減算器の例に付いて示したが、本発明の機能は演
算の種類には依存しない。乗算、除算、その他の演算の
場合でも同様の効果を得る事が可能である。

【００４２】

【発明の効果】このように本発明によれば、発生する可
能性のある例外を演算処理の初期に予測し、この予測結
果に基づき、演算と平行して例外処理を行うので、例外
処理の為の特別な実行サイクルを省く事ができ、例外処
理およびシステム全体の処理速度の向上に極めて有効で
ある。また、例外の発生の如何にかかわらず、演算の実
行時間あるいは実行サイクル数（レイテンシ）を一定に
できるので、演算パイプラインの制御を簡略化する事が
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるブロック図。

【図２】例外予測回路の詳細図。

【図３】例外処理回路の詳細図。

【図４】例外検出回路の詳細図。

【図５】演算パイプライン（加減算器）の詳細図。

【図６】従来装置の構成例。

【符号の説明】

１００例外予測回路１０１例外処理回路１０２例外検出回路１０３演算パイプライン１０４演算結果選択回路１００ａ比較定数発生回路１００ｂ符号拡張回路１００ｃ比較回路１０１ａ定数選択論理回路１０２ａ全ｂｉｔｌ検出回路１０２ｂ全ビット０検出回路０演算命令１丸めモード信号２オペランド精度信号３オペランドＳ４オペランドＴ５指数部中間値６例外予測信号７デフォルト定数８例外検出信号９指数部演算結果１０パイプライン演算結果１１演算結果１２定数選択信号１３オーバフロー検出信号１４アンダフロー検出信号１５符号部演算結果

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０６Ｆ 9/305 Ｇ０６Ｆ 11/00 ３１０Ｇ 9/38 ３８０３１０Ｈ 11/00 ３１０ 7/00 １０１ＵＤ 9/30 ３４０Ａ (56)参考文献特開昭60−142735（ＪＰ，Ａ) 特開平３−278124（ＪＰ，Ａ) 特開平５−224886（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−37423（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−151651（ＪＰ，Ｕ) 鈴木一正・他、「ＡＬＵの例外処理の高速化手法」、電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．92、Ｎｏ．289（ＣＰＳＹ92−34〜44）、社団法人電子情報通信学会・発行（1992年）、ｐｐ．73〜80 （特許庁ＣＳＤＢ文献番号：ＣＳＮＴ 199900533010) 吉田尊・他、「スーパースカラ向け高性能ＦＰＵの制御方式」、電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．91、Ｎｏ. 490（ＶＬＤ91−128〜142）、社団法人電子情報通信学会・発行（1992年）、ｐｐ．105〜112（ＪＩＣＳＴ資料番号：Ｓ 0532Ｂ) 福久浩人・他、「高性能スーパ・スカラプロセッサ用浮動小数点演算器」、電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ. 92、Ｎｏ．289（ＣＰＳＹ92−34〜44）、社団法人電子情報通信学会・発行（1992 年）、ｐｐ．81〜88（特許庁ＣＳＤＢ文献番号：ＣＳＮＴ199900533011) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 7/00 G06F 7/38 - 7/54 G06F 9/38 G06F 9/46 G06F 9/30 G06F 11/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＣＳＤＢ（日本国特許庁)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力されるオペランド及び演算命令より
演算器で演算した結果、発生する可能性がある例外を予
測する例外予測手段と、前記例外予測手段の予測結果に基づいて、実際に例外が
発生した場合に行う処理を前記演算器に於ける演算処理
と並行して行う例外処理手段と、前記演算器の演算結果により例外を検出する例外検出手
段と、前記例外検出手段の結果に基づき、例外が実際に発生し
た場合には、前記例外処理手段の処理結果を演算結果と
して選択し、例外が実際に発生しなかった場合には前記
演算器の処理結果を演算結果として選択する選択手段と
を具備する事を特徴とする例外処理装置。
【請求項２】前記演算器が、浮動小数点演算器であり、
前記例外処理手段による例外処理が、前記例外予測手段
によって予測された例外に対応するデフォルト値として
非数、無限大、有限最大値のうち何れかを選択して定数
とする処理であることを特徴とする請求項１に記載の例
外処理装置。