JPH0495129A

JPH0495129A - 計算機

Info

Publication number: JPH0495129A
Application number: JP20978490A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Sakai; 修一坂井; Yoshinori Yamaguchi; 山口　喜教; Yuetsu Kodama; 児玉　祐悦
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1990-08-07
Filing date: 1990-08-07
Publication date: 1992-03-27
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0776919B2

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】（産業上の利用分野）この発明は、単数もしくは複数の情報処理装置で構成さ
れる計算機において、上記情報処理装置中で複数の文脈
命令群が混在する非先行制御型パイプラインと単数の文
脈命令群のみが存在できる先行制御型のパイプラインを
融合し、且つ両方のパイプラインを、処理対象に応じて
調停し使い分けるための実行順序制御装置を備えた計算
機に関する。

（従来の技術）計算機における実行順序制御装置は、従来から種々提案
されているが、単数の情報処理装置で構成される計算機
のみならず、複数の情報処理装置で構成される並列計算
機実現上の中心的課題となってきている。

計算機の実行順序制御装置の役割は、正当性を保証しつ
つ計算を進行させ、情報処理装置の稼動率を高め、全体
として高速の処理を実現することである。ひとつの情報
処理装置の中で、処理のスループットを向上させる手段
として、従来からパイプライン処理方式があり、これを
制御する実行順序制御装置があった。

パイプライン処理とは、１つの処理をｎ段の独立な処理
段階に分けて１列に並べ、それぞれの処理段階を並列に
実行することによって、全処理段階の１　／　ｎの時間
ごとに次々に結果を得る方式である。各段階の処理詩情
をパイプラインピッチという。パイプライン処理として
、これまでに、次に述べる２種類の方式が考案され、実
現された。

（１）同じ文脈内で直列に処理される複数の処理対象を
、複数の処理段階わたって重畳的に処理することによっ
て、１パイプラインピツチごとに次々に結果を得る方式
。この処理方式を、単数文脈先行制御型のパイプライン
処理方式と呼ぶ。

（２）同一もしくは異なる文脈内の並列に実行可能な複
数の処理対象を、複数の処理段階にわたって重畳的に処
理することによって、１パイプラインピツチごとに次々
に結果を得る方式。この処理方式を、複数文脈非先行制
御型のパイプライン処理方式と呼ぶ。

（１）の単数文脈先行制御型のパイプライン処理方式で
は、順番に並べられた命令列を高いスルーブツトで実行
することができ、また本来逐次的な命令列に対して重畳
効果をもたらす、という利点があった。

一方、（２）の複数文脈非先行制御型のパイプライン処
理方式では、パイプラインを充填する処理対象の任意性
から、静的に実行順序が解析可能な処理はいうまでもな
く、動的な挙動を示す処理対象群に対しても、パイプラ
インの空きを生じず、高いスルーブツトが実現される。

また、各時刻ごとにオーバヘッドなく別の文脈の処理へ
移行できるために、文脈スイッチオーバヘッドが解消さ
れる、という利点があった。

（発明が解決しようとする問題点）前記（１）の単数文脈先行制御型のパイプライン処理方
式では、実行の特性が予め決まっている処理に対しては
、高い効率を発揮することが知られている。しかしなが
ら、分岐命令や大域データの取り出しなどの動的な挙・
動を示す処理に対しては、先行制御の効果が十分にあが
らず、スループットが低下する欠点があった。また、本
来並列に実行可能な処理を直列化しているため、仕事が
続かず、別の文脈の処理に切り替える際に文脈スイッチ
のオーバヘッドを生じる。

一方、（２）の複数文脈非先行制御型のパイプライン処
理方式では、・実行の特性が予め決まっていない処理に
対しても、高い重畳効果をあげることができる。しかし
ながら、こω′処理方式では、先行制御を行なわないた
めに、逐次的な問題に対して重畳効果がなく、高い効率
を保つためには、常にパイプラインを充填するだけの並
列度が要求される。また、本方式では、多数の文脈の処
理が混在するため、計算の局所化が難しく、高速小容量
のキャッシュやレジスタファイルなどを利用することか
困難であり、パイプラインピッチを十分に短縮できない
欠点がある。

複数文脈の混在を許したまま、先行制御を導入すること
は、現在実行中の複数の処理のうちの５＞くつかについ
て、次に実行可能となることが予想される処理を、予め
パイプラインに充填していくことを意味する。この方式
は、もし実現されたならば、逐次処理に対して高いスル
ープットを保証するとともに、実行の特性が予め決まっ
ていない処理に対して高い重畳効果をあげることが期待
される。しかし、先行実行するべき処理を特定すること
が困難である、先行実行した処理を取り消すことが困難
である、などの理由でこの方式は現実的ではない。

問題は、現実的なハードウェア構成で、逐次処理に対し
ては先行制御型パイプラインによって、動的な挙動を示
す処理に対しては複数文脈のパイプラインによって、高
いスルーブツトを保持しつつ、同時に文脈スイッチのオ
ーバヘッドをなくす、という技術の確立にある。

この発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり
、前記２種類のパイプラインを融合して計算機における
理想的な処理効率を達成することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）このような問題点を解決するために、この発明は、単数
もしくは複数の情報処理装置で構成される計算機におい
て、前記情報処理装置の中で、複数の文脈の命令群が混
在する非先行制御型のパイプラインと、単数の文脈の命
令群のみが存在できる先行制御型のパイプラインの両方
を融合し、且つ前記２種類のバイブ′ラインを、処理対
象に応して調停し使い分けるための実行順序制御装置を
備えた計算機を提案するものである。

なお、前記実行順序制御装置は、前記複数文脈のパイプ
ラインを制御するための命令発火・実行を実現する手段
と、前記単数文脈の先行制御型のパイプラインを制御す
るための命令発火・実行を実現する手段と、両者を矛盾
なく調停・融合する手段とを有する。

（作用）この発明によれば、計算機を構成する単数もしくは複数
の情報処理装置の中で、前記２種類のパイプラインを融
合させ、且つこれらのパイプラインを調停して使い分け
る実行順序制御装置を構築することで、逐次処理計算機
、並列処理計算機を問わず、（１）並列性のある処理対
象に対しては、複数文脈非先行制御型のパイプラインを
稼動させることで、静的に挙動が分かる処理に対しても
、動的な挙動を示す処理に対しても、パイプラインブレ
ークを生じず１文脈スイッチオーバヘッドを生じない計
算実行が可能となり、（２）本来逐次的な処理対象に対
しては、単数文脈先行制御型のパイプラインを稼動させ
ることで、高い重畳効果をもたらすことが可能となる。

以上のように、どちらの型の計算においても、情報処理
装置内の処理パイプラインを理想的に充填し、演算実行
部の稼動率を最適に高めることが可能となる。

（実施例）第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図である。

同図は、逐次計算機のプロセッシング部全体、或は並列
計算機の各要素プロセッサのプロセッシング部全体を概
念的に記述したものである。

この実施例では、当該プロセッシング部は縮小命令セッ
ト計算機（ＲＩＳＣ）型のアーキテクチャに基づき、多
段パイプライン処理、例えば、■命令取り出しくＩ　Ｆ
）、 ■命令解釈及びオペランド取り出しくＤ）、■実行（Ｅ
）、 ■レジスタ書き込みま、たは結果出力（Ｒ）、の四段の
パイプライン処理を行なうものを想定している。

ただし、以下の記述から容易に類推されるように、この
発明は、上記のＲＩＳＣアーキテクチャを対象とするに
とどまらない。即ち、パイプラインの段数及び各段の役
割、データの格納場所がレジスタであるか、メモリであ
るが、などは、この発明の範囲内で自由に変えることが
可能であり、また、非縮小命令セット計算！（ＣＩＳＣ
）のアーキテクチャにも、この発明は適用できる。

第１図の回路ブロック構成について以下に説明する。回
路ブロック６．７．８．９．１１は融合型パイプライン
が実働する部分である。回路ブロック５は、融合型パイ
プラインを実現するための実行順序制御回路であり、こ
の発明の実施例である。

回路ブロック４は、実行される命令が格納されている記
憶装置である。回路ブロック３は、処理対象が処理を待
つキューであり、回路ブロック２および回路ブロック１
２は、並列計算機において、外部と通信を取り合うため
のパケット取扱部および生成部である。回路ブロックｌ
は、外部との通信に用いられる通信網である。逐次計算
機においては、回路ブロック１．２．１２は存在しない
。また、通信形態によっては、回路ブロック２および回
路ブロック１２は、パケットを形成しないメセージ取扱
部およびメツセージ生成部となる。

外部から通信網１を介して到着した処理対象は、パケッ
ト取扱部２によって適切な形式に整えられ、処理待ちキ
ュー３に入れられる。処理待ちキュー３に入ってい、る
処理対象は、さまざまの文脈番号を持っている。処理待
ちキュー３の先頭の処理対象は、順序制御装置５の調停
によって実行が許可されると、６の命令取り出し部を起
動し、その結果、命令記憶装置４から処理対象に施され
るべき命令が取り出される。これがパイプラインーの第
一段階（Ｉ　Ｆ）である。当該命令は、次の段階（Ｄ）
で、命令解釈部７によって解釈され、同時にオペランド
取り出・し部８によって、レジスタファイルＩＯから処
理の施されるデータが取り出される。

次の段階（Ｅ　）では、演算実行部９において、当該命
令が当該オペランドデータに対して実行される。さらに
次の段階（Ｒ，）では、結果格納・出力部１１において
、演算結果がレジスタファイル１０に格納されるか、ま
たは演算結果はパケット生成部１２に送られる。パケッ
ト生成部１２では、演算結果をパケットの形にして、通
信網１に送り込む。

以上の操作は、処理単位ごとに重畳化して実現される。

第１図に示される例においては、処理待ちキュー３に処
理対象が存在する限り、優先的に該キューからの仕事を
実行することにする。

該処理のＩＦＦ段階終了する際に、処理待ちキュー３に
処理対象が存在する場合は、次の段階で、該処理はＤ段
階を実行し、同時に処理待ちキュー３から新しい処理対
象が取り出され、これにＩＦＦ段階処理が施される。以
下同様に重畳化された処理が連続し、−段階の処理時間
ごとに、つの処理結果が得られる。該処理が終了すると
、該処理によって実行可能となった処理が、再び処理待
ちキュー３に入れられるか、または、パケットの形で通
信網１を介して該処理の結果が他のプロセッサに伝えら
れ、他のプロセッサの処理待ちキューに新しい処理対象
が入れられる。以上一連の処理の流れは、複数文脈非先
行制御型のパイプラインを実現したものである。

該処理のＩＦＦ段階終了する際に、処理待ちキュー３に
処理対象が存在しない場合には、該処理と同し文脈で次
に実行可能となることが予想される゛処理対象を、先行
的に発火させ、該処理のＤ段階と同時に先行発火した処
理対象のＩ”Ｆ段階が行なわれる。通常、先行発火させ
る処理対象は、該処理の次の番地に格納されている命令
の対象だが、該処理やそれ以前の特定の処理に分岐命令
の処理が含まれている゛と、同−文脈内で分岐先として
指定された番地に格納されている命令の実行が゛、先行
発火される処・理となる６先行発火された処理のＩＦＦ
段階終了時にも処理待ちキュー３に処理対象が存在しな
い場合には、さらに２段階目の先行制御が行なわれる。

以下同様に、先行制御によって重畳化された処理が連続
し、−段階の処理時間ごとに、ひとつの処理結果が得ら
れる。先行制御が行なわれた場合、該処理が終了しても
、該処理によって実行可能となった処理が先行発火して
いる場合には、後者の処理は処理待ちキュー３に入れら
れることはない。ただし、パケットの形で通信網１を介
して該処理の結果が他のプロセッサに伝えられ、他のプ
ロセッサの処理待ちキュに新しい処理対象が入れられる
ことはありえる。処理の流れは、単数文脈先行制御型の
パイプラインを実現したものである。

単数文脈先行制御型のパイプライン処理は、当該文脈に
先行制御される処理対象が存在しなくなると終了する。

また、同パイプランは、処理待ちキュー３に新たな処理
対象が到着した場合に、複数文脈非先行制御型のパイプ
ライン処理に移行する。

以上のように、第１図において、複数文脈非先行制御型
パイプラインと単数文脈先行制御型パイプラインの融合
が実現される。即ち、並列に処理可能な処理対象が複数
個あり、処理待ちキュー３にたまっている場合には、前
者のパイプラインを用い、処理待ちキュー３に処理対象
がなくなった場合には、先行制御を行い、後者のパイプ
ラインを用いることで、はぼ理想的な処理効率を得るこ
とが、以上に示した方式によって可能である。

第２図に、第１図に示したプロセッシング部における実
際のパイプラインの稼働例を示す。本図は、処理待ちキ
ュー３に、文脈を異にする３つの処理対象がある状態か
ら、１２段階の処理の遷移を示したものである。

ここでは、各段階は一単位時間で終了するとし、時刻Ｏ
には処理待ちキュー３に、文脈１の処理、文脈２の処理
、文脈３の処理がこの順に入っているとする。最初に、
時刻１で、文脈１の処理対象が取り出され、時刻２まて
にＩＦが行われる。次に時刻２かも時刻３の間では、文
脈１に対するＤが行われると同時に、文脈２に対するＩ
Ｆが行われる。次に、時刻３から時刻４の間では。

文脈１に対するＥ、文脈２に対するＤ、文脈３に対する
ＩＦが同時に行われる。以上、時刻Ｉから時刻４までの
処理は、複数の文脈、即ち文脈ｌ。

２．３の非先行制御型パイプライン１３の上で処理され
る。

時刻４ては、キューから取り出される処理対象が存在し
ないために、文脈３に対して先行制御パイプライン１４
が稼１５する。即ち、時刻４から時刻５にかけては、既
に処理に入っている３つの文脈である文脈１のＲ１文脈
２のＥ、文脈３のＤと同時に、文脈３内の次の処理が先
行的に始まり、ＩＦがなされる。時刻５て文脈１の最初
の処理が終了するが、文脈１内の次の処理は引き続いて
該プロセッシング部で実行されるとし、文脈１の次の処
理対象は処理待ちキュー３に入られるとする。

さらに、時刻５で文脈４の処理対象が外部から処理待ち
キュー３に到着したとする。このとき、時刻５ては、文
脈１の処理対象と文脈４の処理対象が処理待ちキュー３
に入られる。到着したばかりの処理対象は即座にキュー
から取り出せないとすると、時刻５では、キューから取
り出せる処理対象が存在せず、文脈３に対して再び先行
制御パイプライン１４が稼働する。即ち、時刻５から時
刻６の間に、文脈２のＲ１文脈３のＥ、先行処理されて
いる文脈３のＤ、新たに先行処理される文脈３のＩＦが
実行される。このように、処理待ちキュー３から取り出
すことのできる処理対象が存在しない場合は、ひとつの
文脈に対して２段以上の先行制御が行われる。

時刻６では、文脈２の処理パイプラインが一巡するが、
文脈２は当該プロセッサで実行する処理をもたないとす
る。即ち、文脈２は、時刻６で全ての処理を終了するか
、または、他のプロセッサに時刻６以降の処理を委ねる
がするとする。すると、処理待ちキュー３に入る文脈２
の処理対象は、時刻６以降存在しないことになる。

時刻６には、処理待′ちキュー３がら文脈１の処理対象
が取り出せるため、複数文脈、即ち文脈１．４の非先行
制御型のパイプライン１５が起動される。

以下同様に、処理待ちキュー３に処理対象がない場合に
は、単数文脈４の先行制御型のパイプラインが起動され
（図中の１６）、処理待ちキュー３に処理対象がある場
合には、複数文脈３．１の非先行制御型のパイプライン
が起動され（図中の１７）、連続的な処理が行なわれる
。

以上、複数文脈からの処理対象が処理待ちキュー３に断
続的に入るような処理においても、この発明の適用によ
って、切れ目のないパイプライン処理が実現され、実行
部の稼動率が１００％になっていることがわかる。

実行順序制御部５は上述のように複数文脈のパイプライ
ンを制御するための命令発火・実行を実現する手段と、
単数文脈の先行制御型のパイプラインを制御するための
命令発火・実行を実現する手段と、両者を矛盾なく調停
・融合する手段を有するが、具体的にはその内部構造の
一例を第３図に示すように、次に実行する命令の番地を
生成し、融合された前記２種類のパイプラインを適切に
充填することが、主たる作業内容である。

処理待ちキュー３に処理対象がある場合は、処理待ち対
象存在信号２０がオンになる。この場合、実命令番地生
成回路１９によって、処理対象識別子１８から、実命令
番地が生成される。処理対象識別子は、ここでは文脈番
号と相対命令番地から成るとした。

生成された実命令番地は、命令番地選択回路２１によっ
て選択され、命令番地レジスタ２３に格納される。次の
段階で、命令番地レジスタ２３がら取り出された命令番
地２４は、命令記憶装置４に送られ、当該番地の命令が
命令取り出し部６に読み出される。

該処理のＩＦ時に、処理待ちキュー３に処理対象が存在
する場合には、次の段階で後者の処理対象に対して、上
記該処理の命令番地生成と同じ平脈の、次の処理が先行
発火する。具体的には、命令解釈部７からの分岐命令指
定信号２５によって、該命令または該命令以前の特定の
命令が分岐命令であることを知り、さらに、演算実行部
９からの分岐判定信号２６を参照し、分岐が行なわれる
かどうかを知る０分岐が行なわれる場合は、命令取り出
し部６がら得られる分岐先番地２７を、命令番地選択回
路２１において選択し、次命令番地とする。分岐が行な
われない場合には、命令番地２４から、同一文脈次番地
生成回路２２によって生成された該命令の次の番地を、
命令番地選択回路２１によって選択し、次命令番地とす
る。

以上に述べたように、第３図で示される実行順序制御装
置の構成によって、先述の融合型パイプラインを、矛盾
なく高い効率で実働させることができる。

わせキューから新しい文脈の処理対象を取り出す方式、
待ち合わせ中の処理対象そのものに、単一文脈先行制御
パイプラインを起動することを記したフィールドを設け
、該フィールドの値によってパイプラインの切り替えを
行なう方式などがあり、これらは全てこの発明の範囲内
である。

また、容易に類推されるように、この発明は、制御駆動
型、データ駆動型、要求駆動型などの駆動方式のうち、
どの方式にも適用が可能である６（発明の効果）以上詳細に説明したように、この発明においては、上述
のような実行順序制御装置を計算機に備えることにより
、逐次処理計算機においても、並列処理計算機において
も、２種類のパイプラインを融合し、問題に応じてこれ
らを適切に使い分けることができるため、如何なる性質
の応用に対しても、はぼ理想的な効率の重畳処理が実現
されつるという優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を含むプロセッサのプロセッ
シング部のブロック図、第２図は、本発明によって実現
される融合型パイプラインの実施例を示す図、第３図は
、本発明における実行順序制御装置の一実施例の内部構
成図である。図中、１は通信網、２はパケット取扱部、３は処理待ち
キュー、４は命令記憶装置、５は実行順序制御装置、６
は命令取り出し部、７は命令解釈部、８はオペランド取
り出し部、９は演算実行部、１０はレジスタファイル、
１１は結果格納結果出力部、１２はパケット生成部、１
３は複数文脈Ｉ、２．３の非先行制御型パイプライン実
行、１４は文脈３の先行制御型パイプライン実行、１５
は複数文脈１．４の非先行制御型パイプライン実行、１
６は文脈４の先行制御型パイプライン実行、１７は複数
文脈３．１の非先行制御型パイプライン実行、１８は処
理対象識別子、１９は実命令番地生成回路、２０は処理
待ち対象存在信号、２１は命令番地選択回路、２２は同
一文脈次番地生成回路、２３は命令番地レジスタ、２４
は命令番地、２５は分岐命令指定信号、２６は分岐判定
信号、２７は分岐先番地。第２図Ｔ　　　ＩＴＴ　　τ　ＴＴＴＴＴＴＴＴ処理（寺も　
　１．２．３　　　ナノ　　ナノ　　１．ｔ）　　ナノ
　　ナノ　　３　１　　ナノ　　ナノキュー３２、　３
４の内容　　３第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単数もしくは複数の情報処理装置で構成される計
算機において、前記情報処理装置の中で、複数の文脈の
命令群が混在する非先行制御型のパイプラインと、単数
の文脈の命令群のみが存在できる先行制御型のパイプラ
インの両方を融合し、且つ前記２種類のパイプラインを
、処理対象に応じて調停し使い分けるための実行順序制
御装置を備えたことを特徴とする計算機。
（２）前記実行順序制御装置は、前記複数文脈のパイプ
ラインを制御するための命令発火・実行を実現する手段
と、前記単数文脈の先行制御型のパイプラインを制御す
るための命令発火・実行を実現する手段と、両者を矛盾
なく調停・融合する手段とを有することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の計算機。
（３）前記実行順序制御装置が処理待ちキューに処理対
象がある場合には、複数文脈非先行制御型のパイプライ
ンを起動し、処理待ちキューに処理対象がない場合には
、単数文脈先行制御型のパイプラインを起動する装置で
ある特許請求の範囲第１項記載の計算機。
（４）前記実行順序制御装置が単一文脈の直列実行を可
能な限り継続し、不可能になったところで待ち合わせキ
ューから新しい文脈の処理対象を取り出す装置である特
許請求の範囲第１項記載の計算機。
（５）待ち合わせ中の処理対象そのものに、単一文脈先
行制御パイプラインを起動することを記したフィールド
を設け、前記実行順序制御装置が該フィールドの値によ
ってパイプラインの切り替えを行なう装置である特許請
求の範囲第１項記載の計算機。
（６）前記実行順序制御装置が次に実行する命令番地を
生成し、前記融合された２種類のパイプラインを適切に
充填する装置である特許請求の範囲第１項記載の計算機
。
（７）前記実行順序制御装置が実命令生成番地回路、命
令番地選択回路、命令番地レジスタ、同一文脈次番地生
成回路とからなる特許請求の範囲第１項記載の計算機。