JPH03282958A - 電子計算機 - Google Patents

電子計算機

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JPH03282958A
JPH03282958A JP2084607A JP8460790A JPH03282958A JP H03282958 A JPH03282958 A JP H03282958A JP 2084607 A JP2084607 A JP 2084607A JP 8460790 A JP8460790 A JP 8460790A JP H03282958 A JPH03282958 A JP H03282958A
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Takeshi Aikawa
健 相川
Kenji Minagawa
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は複数の計算機リソースを利用して複数の命令を
同時に実行する電子計算機に関する。
（従来の技術） 従来一般的な電子計算機では、メインメモリに格納され
ている命令を１個ずつ取り出しながら、その命令により
示される処理を実行するように構成されている。このよ
うな電子計算機は、その内部構造を比較的簡単に構築す
ることができると云う利点を有するものの、１サイクル
タイムに１つの処理しか実行きないので、その処理速度
がシステムクロック周波数に依存し、処理効率を高める
上で自ずと限界があった。
そこで最近では、計算機に準備した複数のリソースを有
効に活用し、メインメモリから読み出される複数の命令
を同時に実行処理することが種々試みられている。その
代表的な処理方式としては、例えばＶＬ　ＩＷ方式や５
ｕｐｅｒ　５ｃａｌａｒ方式がある。
しかし、上記ＶＬ　ＩＷ方式では、従来のプログラムと
の間でコンパチビリティが取れないと云う問題がある。
また上記５ｕｐｅｒ　５ｃａｌａｒ方式では、命令実行
時に複数の命令に対する同時実行の可能性をその都度調
べるので、その回路構成が複雑化すると云う問題がある
。しかも複数の命令の同時実行可能性を命令実行時に調
べるので、命令の数が多くなるに従って同時実行可能性
の判断が困難化しまた必要な処理サイクルタイムの増加
（処理のオーバーヘッド）を招くと云う不具合がある。
（発明が解決しようとする課題） このように従来にあっては複数の計算機リソースを準備
し、これらの計算機リソースを有効に活用して複数の命
令を同時に実行処理することでその処理効率を高めよう
としても、一般的な電子計算機とのコンパチビリティを
保つ上で問題があり、また命令実行時のオーバーヘッド
を防いでその処理速度の高速化を図る上で問題があった
。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、従来の一般的な計算機との間で
のコンパチビリティを保ちながら、複数の命令を効率的
に同時実行することができ、その処理効率を高めること
のできる実用性の高い電子計算機を提供することにある
。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る電子計算機は、複数の命令に対する同時実
行可能性の判断や、上記複数の命令に対する計算機リソ
ースの配分の少なくとも一部を、その命令実行時ではな
く、メインメモリからキャッシュメモリに命令を転送す
る際に行うようにしたことを特徴とするものである。
そしてキャッシュメモリには、上記メインメモリからキ
ャッシュメモリへの命令転送時に判断された同時実行可
能性または計算機リソース配分に関する判断結果を格納
する為のビットフィールドを設けておき、このビットフ
ィールドの情報に従って複数の命令に対する同時実行の
制御、および計算機リソース配分の制御を行うようにし
たことを特徴とするものである。
（作　用） このような構成の電子計算機によれば、複数の命令に対
する同時実行可能性の判断や計算機リソースの配分処理
の少なくとも一部を、予め上記複数の命令をメインメモ
リからキャッシュメモリに転送する際に行っておくので
、命令実行時における実効的なオーバーヘッドを大幅に
低減することが可能となる。この結果、従来一般的な電
子計算機とのコンパチビイリティを保ちながら、命令実
行時のオーバーヘッドを防いで計算機処理効率の向上を
効果的に図ることが可能となる。
（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例に係る電子計算
機について説明する。
第１図は実施例に係る電子計算機の主要部であるプロセ
ッサの概略的なシステム構成図であり、１は上記プロセ
ッサによる演算処理に供される複数の命令を所定の順序
で格納したメインメモリである。このメインメモリ１に
格納された命令は、基本的にはプロセッサ内部のキャッ
シュメモリ２に転送読み出しされた後、このプロセッサ
内に準備された計算機リソースである演算ユニットに与
えられてそれぞれ演算実行される。
尚、このプロセッサには、複数の命令を同時に実行可能
ならしめるべく、複数の演算ユニットとして、ここでは
フローティング型アダー（Ｆ−＾ＤＤ）３゜フローティ
ング・マルチプライヤ−（Ｐ−ＭＵＬ）４．　２つのイ
ンチジャー演算器（＋−ＡＬＵ）５．６．分岐の制御器
（ＢＲＡＮＣＨ）７　、および例外処理部（ＥＸＥＰＴ
ＩＯＮ）８が設けられている。これらの各演算ユニット
３，４．〜８への命令の分配供給は、分配マトリックス
９にて制御される。
さてメインメモリ１からプロセッサへの命令の読み出し
は、例えば４命令づつ同時に行われ、これらの命令はリ
ソース競合分析器１１を介して前記キャッシュメモリ２
に並列的に取り込まれる。この際、リソース競合分析器
１１は命令のＯＰコード等を参照して上記各命令の種類
を調べ、前述した如く複数個設けられている演算ユニッ
ト３，４．〜８の中のどれをその命令の実行に使用する
かをそれぞれ分析決定する。更にリソース競合分析器１
１は、上記各命令に対する分析結果に基づき、上述した
４つの命令の中で同じ演算ユニットを使用してその処理
が実行されるもの、つまり同じ演算ユニットを使用する
命令があるか否かを調べる。そして同じ演算ユニットを
使用する命令の存在が検出されたとき、リソース競合分
析器１１はそれらの命令に対して同一のクロックでは実
行不可能である旨の情報を付加する。
具体的には、命令の実行に使用される演算ユニットが直
ぐに適用可能であるか否か、つまり４つの命令間で同じ
演算ユニットを使用するものがないかを調べ、演算ユニ
ットの重なりが検出された場合には、優先順位の低い命
令に対して演算ユニットの使用を待たせるべく、その命
令に対応するフラグに［１〕を立てる。尚、ここでは命
令の優先順位は、例えば同時に読み出される４つの命令
の番地によって定義付けられ、後の番地の命令程、その
優先順位が低く設定される。従って優先順位の最も高い
命令については、上述したフラグは常に［０］が設定さ
れることになり、実質的にはこれに対するフラグビット
は設定されない。従って、４つの命令中の番地が後側の
３つの命令に対してのみリソースの競合を表示する為の
フラグビットが設けられることになる。
このようにして命令に付加される情報のフォーマットは
、例えば第２図に例示するように、各命令毎に使用する
演算ユニットの種類を示す情報と、これらの命令のリソ
ースが競合しているか否かを示す上述した３ビツトのフ
ラグからなる。この例では４つの命令に対してそれぞれ
演算の種類を分析し、且つここで準備されている演算の
種類が前述したように６種類であることから、各命令毎
に演算の種別を示す為の３ビツトの情報と、前述したリ
ソースの競合を示す３ビツトのフラグが準備されること
になり、結局、付加情報は第２図に示すように合計１５
ビツトの情報として表現される。
尚、このようにして４つの命令に付加される上記１５ビ
ツトの情報量は、プロセッサにおける元々のデータ単位
が１２８ビツトであることを考えた場合、さほど多くは
ない。
しかしてこのようにして４つの命令に対する付加情報を
求めるプロセスは、これをハードワイヤードロジックを
用いて実行するにしてもかなりの処理時間を必要とする
。従って上述した如く解析された結果（付加情報）につ
いては、前述した４、つの命令と共にキャッシュメモリ
２に格納しておく　。
さて実際に命令を実行する際には、前記キャッシュメモ
リ２から読み出した４つの命令を命令バッファ１２に格
納し、この命令バッファ１２に格納された各命令を前記
分配マトリックス９を介して前述した６種類の演算ユニ
ット３，４．〜８にそれぞれ分配することによりなされ
る。この際、命令バッファ１２は、前記キャッシュメモ
リ１１に求められている前述した付加情報をそのまま読
み出して格納する。そして分配マトリックス９では前記
命令バッファ１２に求められた各命令とその付加情報、
およびプロセッサ内に設けられているプログラムカウン
タの値を参照し、各命令に割り当てられた演算ユニット
を判定してその演算ユニットに命令を受は渡す。つまり
命令実行時にその命令を実行する為の演算ユニットを調
べたり、また演算ユニットの競合を調べる等の処理を行
うことなく、前所津市他付加情報に従って直接的に演算
ユニットに対する命令の受は渡しを実行する。この結果
、ごく簡単なロジックだけで前記各演算ユニットに対し
て効果的に命令の供給を行い、命令実行の時間的なオー
バーヘッドを殆ど生じることなくその命令を実行するも
のとなっている。
しかして前記各演算ユニット３，４．〜８は、命令が供
給されると同時にそのレジスタ番号を解析し、レジスタ
１３．１４からの読み出しを行う。また同時にその演算
結果を格納すべきレジスタも解析し、この解析結果に対
応する番号のスコアボード１５，１６を［１コにする。
このスコアボード１５，１Ｂは前述した演算実行の可能
性を調べる為に用いられるものである。このようなスコ
アボード１５，１Ｂにセットされた情報を用いて前記各
演算ユニット３，４゜〜８はそこで実行されている演算
を正常に終了できるかどうかを判定する。そしてスコア
ボード１５．１６の情報から、その演算の入力のレジス
タの値が意味のない値で会ったことが判明した場合には
、その演算結果を捨て、次のクロックで再び同じ演算の
実行を開始することでプログラムの正当性を保つものと
なっている。
このようにこの電子計算機のプロセッサでは、メインメ
モリ１からキャッシュメモリ２に複数の命令を読み出す
際、これらの命令の同時実行可能性の判断を行い、更に
計算機リソース（演算ユニット）の競合関係を調べるも
のとなっている。そして各命令の実行時には、予め調べ
られている上述した同時実行可能性、およびリソースの
競合関係の情報に従って各命令の実行を制御することで
、時間的なオアバーヘッドを極力低減するものとなって
いる。この結果、この電子計算機では複数の命令を効率
的に同時実行し、その演算処理効率の向上が図られるよ
うになっている。
次に上述した如く構成された電子計算機の作用について
今少し詳しく説明する。
前述したレジスタスコアボード１５．１Ｂは、例えば第
３図に示すように、レジスタ２１と、４つの判定回路２
２．２３，２４．２５とをビット対応に巡回的に接続し
て構成される。レジスタ２１は、レーテンシ−を持つ演
算ユニットが存在することで、１クロツクで実行終了と
ならない命令の為に設けられるものであって、各ビット
に前述した各レジスタからの読み出しの可能性を示す情
報をそれぞれ格納する。このレジスタ２１の各ビットは
、前記演算ユニットの各番号にそれぞれ対応している。
しかしてレジスタ２１の各ビットには、命令デコーダか
らの出力から、その命令を実行する演算ユニットがレー
テンシーを持つと判断された場合にデータ［１］が立て
られる。そしてそのリセットは、レーテンシーを持つ演
算ユニットが、実際にその演算結果をレジスタに書き込
む際に行われる。
しかして判定回路２２，２３．２４．２５は、前記命令
バッファ１２に格納された４つの命令のそれぞれが実行
可能であるか否かを判定する。しかしてこれらの判定回
路２２．２３，２４．２５は前述した４つの命令の優先
順位に従って、図面上、その左隣のレジスタ２１（判定
回路２２，２３．２４を含む）の情報により示される演
算ユニットの使用状況と、前記命令バッファ１２に格納
された命令が必要とするレジスタ（演算ユニット）とを
それぞれ比較する。そしてレジスタの値が正しくない場
合、つまりスコアボードの該当ビットが［１コである場
合には、その実行結果をキャンセルする。またこれらの
命令中でレーテンシーを有するものが存在する場合には
、スコアボード上の該当ビットに［１］を書き込む。
このような判定処理を、左側の優先順位の高い命令から
順に行うことで、その命令実行の正当性を保つものとな
っている。
このスコアボード上での動きについて第４図を参照して
具体的に説明する。説明の徒な複雑化を避けるために、
２つの命令を同時に実行可能であるとし、その命令が第
４図（ａ）に示すようにＮ［ｒ３←ｒ２＋ｒｌ］、　　
１２［ｒ４←ｒｌ＊ｒ５］１３［ｒ６　←ｒ３　＋　ｒ
５］、　　１４［ｒ７　”ｒ４　＊　ｒｌ］１５［ｒ８
←ｒｅ　十ｒ７］、　　ｌｆｔ［ｒ９←ｒ６＋ｒ３］と
して２つづつ与えられるものとする。
この場合には、最初の命令Ｉｆ、　＋２については、前
記レジスタスコアボード上にはレーテンシーを示す情報
が立ってなく、また命令１２が命令１１の結果を使用す
ることもしていないので、第４図（ｂ）に示すようにこ
れらの命令１１．　１２を同時に実行開始する。しかし
命令１１は加算演算であり、ここでは１クロツクで終了
するのに対して、命令１２については乗算演算であり、
ここではその演算実行に３クロツクを要する。このこと
から命令１２のディスティネーションであるレジスタｒ
４に対応するスコアボード上の該当ビット位置に［１］
を立てる。
次に、その次のクロックタイミングで２列目の命令１３
．１４を実行しようとすると、命令Ｉ３については、そ
のソースに前記スコアボード上で［１］が立てられてい
ないレジスタだけを用いて演算を行い得ることから、直
ちにその演算実行を開始する。しかし命令Ｉ４について
は、そのソースとして、前記スコアボード上で［１コが
立てられているレジスタｒ４を使用することから、その
演算実行については待たされる。そして命令１４につい
ては、前述した命令１２の実行か３クロツクを掛けて終
了し、レジスタｒ４についてスコアボード上で立てられ
たデータが［０］にリセットされた時点でその実行が開
始される。この際、命令１４の実行開始に伴い、この命
令１４が乗算演算であることから、そのディスティネー
ションであるレジスタ「７に対応するスコアボード上の
該当ビット位置に［１］を立てる。
しかる後、次の命令１５．１８を実行しようとする場合
には、命令Ｉ５が前記命令１４の実行結果であるレジス
タ「７に格納されたデータを使用することから、命令Ｉ
４の実行が終了するまで、その実行が待たされる。そし
て命令１４の実行終了に伴い、命令１５は、その演算に
用いるレジスタｒ　８．　ｒ　７が使用されていないこ
とを条件として、その実行が開始される。そしてこの命
令１５の実行に伴い、命令Ｉ６の実行が、その演算に用
いるレジスタｒ　６．　ｒ　３が使用されていないこと
を条件として開始される。
尚、命令１６に関しては、制御の複雑さを気にしないな
らば前記命令Ｉ５の実行開始に先立って実行するように
することも可能である。
このようなスコアボードを用いた複数の命令の同時実行
の正当性のチェックを行うことにより、プログラムの正
当性を保ちながら複数の命令を同時に実行することが可
能となる。
尚、同時実行可能な命令数が３つ以上であっても、原理
的には上述した例と全く同様に作用し、プログラムの正
当性かチェックされながら複数の命令が同時に実行され
ることになる。
一方、前述したリソース競合分析器１１は、例えば第５
図に示すように構成される。
このリソース競合分析器１１は、メインメモリ１から並
列に読み出される４つの命令を一端格納する読出しバッ
ファ３１を備え、この読出しバッファ３１に格納した４
つの命令をそれぞれキャッシュメモリ２に転送する機能
を備えると共に、前記読出しバッファ３１に格納した４
つの命令をそれぞれ解析する４つの命令デコーダ３２．
３３，３４．４５を備える。
これらの命令デコーダ３２．３３，３４．４５は、各命
令の実行に使用する計算機リソース（演算ユニット）を
調べ、更に優先順位の高い命令においてその計算機リソ
ース（演算ユニット）が既に使用されることが決定され
ているか否かを調べるものである。
そして最も優先順位の高い命令をデコードする左端のデ
コーダ３２を除く他の命令デコーダ３３．３４゜３５は
、その上位のデコーダ３２，３３．３４のデコード出力
結果を順に入力し、その命令が使用する計算機リソース
の競合を判定することになる。このような判定によりリ
ソースの競合が検出された場合、そのマークピットに［
１コが立てられることになる。そして付加情報生成部３
Ｂは、前記各命令デコーダ３２，３３，３４．３５のデ
コード結果、および上述したリソース競合判定結果（マ
ークピット）に従い、前述した第２図に示すような付加
情報を生成し、これを前記命令に付加してキャッシュメ
モリ２に格納することになる。
尚、前述した如く解析された各命令のデコード結果をキ
ャッシュメモリ２に同時に格納しておくようにしても良
いことは云うまでもない。このようにすれば、命令の実
行時にその命令を再度デコドすると云う２重の手間を省
くことが可能となる。
また上述した命令のデコード処理に際して、レジスタの
依存関係を同時に調べることも可能である。このように
してこのフェーズでレジスタの依存関係を調べておけば
、命令実行時に前述したスコアボードを用いた処理時に
は、別のタイミングにある命令間でその正当性をチェッ
クするだけで良くなるので、そのハードウェア構成の簡
略化を図ることが可能となる。
かくして上述したようにメインメモリ１からキャッシュ
メモリ２への命令の転送時に、複数の命令の同時実行可
能性を判定し、また計算機リソースの競合を判定するよ
うにしておけば、例えば前述した分配マトリックス９を
第６図に示すように非常に簡単に構成することが可能と
なる。即ち、命令バッファ１２に読み出された複数の命
令を前述した各命令についての付加情報に従って複数の
演算ユニットに分配するだけで良くなるので、付加情報
を解析する為のデコーダ４１，４２．７３．４４とスイ
。
ッチマトリックス４５だけにより、非常に簡単なハード
ウェア構成により分配マトリックス９を構築する実現す
ることが可能となる。
尚、上記スイッチマトリックスの各ゲートは、命令バッ
ファ１２に格納された命令とその付加情報、プログラム
カウンタの値等を参照して、適宜その命令実行タイミン
グで開成されることになる。この結果、時間的なオーバ
ーヘッドを招くことなく、簡易にして複数の命令を、そ
の命令の実行に用いられる演算ユニットにそれぞれ分配
することが可能となる。
尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではない
。上述した実施例ではメインメモリｌからキャッシュメ
モリ２への命令の転送時に、その命令についての同時実
行可能性、およびリソースの競合を判定するようにした
が、このフェーズにおいて同時実行可能性だけを判定す
るようにしても良い。またリソース競合の可能性の一部
だけを同時に判定するようにすることも可能である。更
には、実施例では優先順位の高い命令が実行された後に
、次の命令の実行を行うようにしたが、優先順位の高い
命令の実行開始前であっても、これらの命令とは独立に
実行可能な命令を逐次実行するように制御することも勿
論可能である。つまりキャッシュメモリに命令を登録す
る際にレジスタの依存関係を調べておき、命令の実行時
にはその結果だけに従って各命令をそれぞれ実行するよ
うにすることも可能である。
またキャッシュメモリの構成を変更し、命令を分解して
リソース毎に各命令を振り分けてしまった後に、各命令
をキャッシュメモリに登録するようにしても良い。この
ようにすれば、命令実行時のデコード処理を極めて簡単
化することが可能となり、デコード処理の複雑さに伴う
オーバーヘッドを解消することが可能となる。
またキャッシュメモリが階層的に設けられるようなシス
テム構成の場合には、リソースの割り当てや実行の可能
性判断等を、例えばプロセッサに対して１番近いキャッ
シュメモリに命令を転送する際に行うようにすれば、そ
の効果が十分に発揮される。
また上述した処理制御は、例えば命令語長が長く、同一
のフィールドを複数のリソースがそのコードによって共
有するような場合にも有効である。
更には複数の命令に対する同時実行可能性の判定結果に
従い、プログラムの意味が変わらない範囲でその命令の
実行順序を組み替えるような機能を持たせることも可能
である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができる。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、複数の命令に対す
る同時実行可能性の判断や計算機リソースの競合に対す
る判定の少なくとも一部の処理を、プロセッサ内に命令
を取り込む際に行うので、命令実行時における時間的な
オーバーヘッドを大幅に軽減してその処理効率を高める
ことができる。
しかも複数の命令を効率的に同時実行させることが可能
となり、その演算処理効率、実行的な処理速度を著しく
向上させ得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の一実施例に係る電子計算機について示すも
ので、第１図は実施例に係る計算機におけるプロセッサ
の概略構成を示すブロック図、第２図は複数の命令に対
して付加される付加情報のフォーマットを示す図、第３
図は実施例におけるスコアボードの構成例を示す図、第
４図はスコアボードの情報に従う命令実行の動作例を示
す図、第５図はリソース競合分析器の構成例を示す図、
第６図は分離マトリックスの構成例を示す図である。 １・・・メインメモリ、２・・・キャッシュメモリ、３
゜４、〜８・・・演算ユニット、９・・・分配マトリッ
クス、１１・・・リソース競合分析器、１２・・・命令
バッファ、１３゜１４・・・レジスタ、１５．１６・・
・スコアボード、２１・・・レジスタ、２２．２３．２
４．２５・・・判定回路、３１・・・読み出しバッファ
、３２．３３，３４．４５・・・デコーダ、３６・・・
付加情報生成部、４１，４２，４３．４４・・・デコー
ダ、４５・・・スイッチマトリックス。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）メインメモリから読み出される複数の命令を一時
    記憶する為のキャッシュメモリと、このキャッシュメモ
    リに一時記憶される上記複数の命令の同時実行の可能性
    を判定する手段と、命令の種類に応じてその命令の実行
    に必要なリソースを割り当てる手段とを具備し、複数の
    命令を同時に実行可能な電子計算機において、 複数の命令の同時実行の可能性の判断、または命令に対
    するリソースの割り当ての全てまたはその一部を、メイ
    ンメモリからキャッシュメモリに命令を読み出す際に行
    うことを特徴とする電子計算機。
  2. （２）キャッシュメモリは、複数の命令の同時実行の可
    能性についての判定結果、またはリソースの割り当てに
    関する判定結果を格納するビットフィールドを備えてい
    ることを特徴とする請求項（１）に記載の電子計算機。
  3. （３）ビットフィールドは、複数の命令がそれぞれ使用
    する演算ユニットの種類を示す情報を各命令に対応して
    格納する為のフィールドと、これらの命令のリソースが
    競合しているか否かを示すフラグを格納する為のフィー
    ルドとからなるフィールドフォーマットを有することを
    特徴とする請求項（２）に記載の電子計算機。
  4. （４）キャッシュメモリは、命令のデコード結果を格納
    する機能を備えていることを特徴とする請求項（１）に
    記載の電子計算機。
  5. （５）メインメモリから読み出される複数の命令を一時
    記憶する為のキャッシュメモリと、このキャッシュメモ
    リに一時記憶される上記複数の命令の同時実行の可能性
    を判定する手段と、命令の種類に応じてその命令の実行
    に必要なリソースを割り当てる手段とを具備し、複数の
    命令を同時に実行可能な電子計算機において、 命令に対するリソースの割り当てを、メインメモリから
    キャッシュメモリに命令を読み出す際に行い、複数の命
    令の同時実行の可能性の判断を命令実行時に行うことを
    特徴とする電子計算機。
  6. （６）命令実行時に行われる複数の命令の同時実行可能
    性の判断は、複数の計算機リソースの使用状況を示すス
    コアボード情報を用いて、命令実行の正当性のチェック
    と共に行われることを特徴とする請求項（５）に記載の
    電子計算機。
  7. （７）キャッシュメモリが複数段に亘って階層構造化さ
    れている場合には、複数の命令の同時実行の可能性の判
    断、または命令に対するリソースの割り当ての全てまた
    はその一部の実行を、プロセッサに対して一番近いキャ
    ッシュメモリに命令を転送する際に行うことを特徴とす
    る請求項（１）に記載の電子計算機。
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