JPH05158754A - Ｃｐｕ実行命令履歴の記録方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＣＰＵが実行した命令およびそのアドレスや書
込みデータを正しく保存することで、トラップ等が発生
した場合でも解析が容易に行えるようにする。 【構成】ＰＣ２１のアドレス指定でフェッチされた命令
がデコーダ２２に送られると、そのアドレスと命令が、
命令キュー制御装置２５により命令キュー２４の先頭段
のフィールドＡとＩに書込まれる。命令キュー２４の各
段の内容は、インタロック期間でなければ、クロックＣ
ＬＫに同期して１段ずつ進められる。命令キュー制御装
置２５は、命令実行装置２３で命令が実行され、レジス
タ書込みが行われると、その書込みステージがデコード
ステージのｎ段後であるならば、命令キュー２４の（ｎ
＋１）段目のフィールドＤにレジスタ書込みデータを書
込む。命令キュー２４の最終段の内容は命令履歴バッフ
ァ制御装置４０によりクロックＣＬＫに同期して取出さ
れ、命令履歴バッファ５０に格納される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、パイプライン制御方
式のＣＰＵを備えた情報処理装置に係り、特にＣＰＵが
実行した命令の履歴を記録するためのＣＰＵ実行命令履
歴の記録方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、複数のパイプラインステージ
により命令処理が行われるパイプライン制御方式のＣＰ
Ｕを備えた情報処理装置が知られている。この種の情報
処理装置では、ＣＰＵにフェッチされて実行された命令
や、必要がなくなったデータについては、ＣＰＵから捨
てられるのが一般的である。即ち、実行済みの命令は後
続の命令に置換えられ、必要がなくなったデータは他の
新たなデータに書換えられる。

【０００３】このため従来は、ＣＰＵにおいて処理続行
が不可能なトラップ等が起こって、ＣＰＵの実行した命
令を解析する必要が生じた場合に、その解析は困難であ
った。したがって、それらのトラップの原因を明らかに
するのも困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来
は、ＣＰＵが実行した命令や、必要がなくなったデータ
については、それを保存していなかったため、処理続行
が不可能なトラップ等が発生しても、ＣＰＵの実行した
命令を解析することは困難であった。

【０００５】この発明は上記事情に鑑みてなされたもの
でその目的は、ＣＰＵが実行した命令およびそのアドレ
スや書込みデータを正しく保存することにより、ＣＰＵ
において処理続行が不可能なトラップ等が発生した場合
でも、その解析が容易に行えるＣＰＵ実行命令履歴の記
録方式を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、パイプライ
ン制御方式のＣＰＵを備えた情報処理装置において、命
令フィールド、アドレスフィールドおよびデータフィー
ルドを各段に持つ命令キューであって、パイプライン動
作期間中はＣＰＵクロックに同期して各段の内容が順次
進められる命令キューと、命令デコードに際し、そのデ
コード対象となる命令およびそのアドレスを命令キュー
の先頭段の命令フィールドおよびアドレスフィールドに
書込むと共に、データ書込みステージでデータ書込みが
実行された場合に、その書込みデータをデータ書き込み
ステージに対応する命令キューの該当段のデータフィー
ルドに書込む命令キュー制御手段と、命令キューの内容
を保持するための命令履歴バッファと、命令キューから
１段ずつその内容を取込んで命令履歴バッファに格納す
る命令履歴バッファ制御手段とを備え、ＣＰＵが実行し
た命令の履歴を命令履歴バッファに記録するようにした
ことを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】上記の構成において、命令キュー制御手段は、
ＣＰＵのパイプラインの流れに応じ、命令デコードステ
ージに際して、そのデコード対象となる命令およびその
アドレスを命令キューの先頭段の命令フィールドおよび
アドレスフィールドに書込む。

【０００８】このようにして命令キューに書込まれた命
令およびアドレスの対は、パイプライン動作期間中は、
ＣＰＵクロックに同期して命令キュー内を１段ずつ進め
られ、パイプラインインタロックが起きている間は、そ
の際の段に止められる。

【０００９】命令キュー制御手段は、データ書込みステ
ージでデータ書込み（レジスタ書込み）が実行された場
合に、その書込みデータを、データ書き込みステージに
対応する命令キューの該当段のデータフィールド、即ち
データ書き込みステージが命令デコードステージのｎ段
後であるならば、命令キューの（ｎ＋１）段目のデータ
フィールドに書込む。この書込みデータが書込まれた命
令キューの（ｎ＋１）段目（の命令フィールドとアドレ
スフィールドに）には、同データの書込みを実行した命
令とその命令アドレスが、その命令のデコードステージ
の際に既に書込まれている。したがって、上記の書込み
データの書込み後の命令キューの（ｎ＋１）段目の内容
は、命令、同命令のアドレス、および同命令の実行によ
り実際に書込まれたデータの組となる。

【００１０】命令キューに書込まれた命令、命令アドレ
スおよび書込みデータの組は、命令キューの例えば最終
段に進められると、命令履歴バッファ制御手段により取
出され、その取出し順に命令履歴バッファに格納され
る。

【００１１】このように、命令履歴バッファには、命令
および同命令のアドレスと、同命令の実行により実際に
書込まれたデータとの組が、命令実行順に格納される。
したがって、ＣＰＵにおいて処理続行が不可能なトラッ
プ等が発生した場合でも、命令履歴バッファの内容か
ら、その解析が容易に行える。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明を適用するパイプライン制御
方式のＣＰＵを備えた情報処理装置の一実施例を示すブ
ロック構成図である。

【００１３】図１において、１０は命令、データが格納
される主メモリ、２０は主メモリ１０からフェッチされ
た命令を実行するＣＰＵ、３０は主メモリ１０およびＣ
ＰＵ２０が接続されたシステムバスである。

【００１４】ＣＰＵ２０は、主メモリ１０からフェッチ
する命令のアドレスを保持するプログラムカウンタ（Ｐ
Ｃ）２１、フェッチされた命令を解読し、その実行に必
要な各種信号を次に述べる命令実行装置２３に送るデコ
ーダ２２、およびデコーダ２２から送られた信号に従っ
て命令を実行する命令実行装置２３などの周知の構成を
有している。

【００１５】ＣＰＵ２０はまた、同ＣＰＵ２０で処理中
の全ての命令、即ちＣＰＵ２０内の各パイプラインステ
ージに存在する命令に関する命令実行情報を保持するた
めの命令キュー２４、および命令キュー２４の書込み等
を制御する命令キュー制御装置２５を有している。

【００１６】命令キュー２４は、ＣＰＵ２０内に保持さ
れている最大命令数分の段数を持つ。命令キュー２４の
各段は、ＣＰＵ２０が処理中の命令を保持するための命
令フィールドＩ、同命令のアドレスを保持するためのア
ドレスフィールドＡ、および同命令でデータ書込みが実
行された場合の書込みデータを保持するためのデータフ
ィールドＤを持つ。命令キュー２４の各段は更に、その
段の内容が有効であることを示すためのバリッドビット
（有効指示ビット）Ｖ（のフィールド）を持つ。

【００１７】命令キュー制御装置２５は、プログラムカ
ウンタ２１の指定するアドレスと、その指定に応じて主
メモリ１０からフェッチされた命令を、命令キュー２４
の先頭段（最上段）のそれぞれアドレスフィールドＡと
命令フィールドＩに書込むと共に、命令実行装置２３に
よりデータ書込みステージでデータ書込みが実行された
場合に、その書込みデータをデータ書き込みステージに
対応する命令キュー２４の該当段のデータフィールドＤ
に書込むようになっている。命令キュー制御装置２５は
また、パイプラインインタロック信号ＩＬによりパイプ
ラインインタロック中であることが示されていない期間
は、ＣＰＵクロックＣＬＫに同期して、命令キュー２４
の各段の内容を１段ずつ進めるようになっている。

【００１８】命令キュー制御装置２５には、命令履歴バ
ッファ制御装置４０が接続されている。命令履歴バッフ
ァ制御装置４０は、パイプラインインタロック信号ＩＬ
によりパイプラインインタロック中であることが示され
ていない期間は、ＣＰＵクロックＣＬＫに同期して、命
令キュー２４から１段ずつその内容を取込んで、次に述
べる命令履歴バッファ５０に送る。この命令履歴バッフ
ァ制御装置４０は、命令履歴バッファ５０の格納先アド
レスを指定するためのバッファアドレスカウンタ（ＢＡ
Ｃ）４１を持つ。

【００１９】命令履歴バッファ制御装置４０には、同制
御装置４０によって取込まれたデータを順に格納するた
めの命令履歴バッファ５０が接続されている。この命令
履歴バッファ５０は、電源断等の場合でもその記憶内容
が消失されないように、例えばＥＥＰＲＯＭ（電気的消
去可能なプログラマブルＲＯＭ）を用いて構成されてい
る。

【００２０】なお、図１の構成では、ＣＰＵ２０を１チ
ップ化し易くするために、命令履歴バッファ制御装置４
０および命令履歴バッファ５０をＣＰＵ２０の外に設け
てあるが、ＣＰＵ２０内に設けても何ら差支えない。ま
た、図１の構成では、説明の簡略化のためにキャッシュ
メモリ（命令キャッシュ）を省略しているが、主メモリ
１０とデコーダ２２との間にキャッシュメモリが設けら
れていても構わない。

【００２１】次に、図１の構成の動作を説明する。ま
ず、ＣＰＵ２０内のプログラムカウンタ（ＰＣ）２１セ
ットされたアドレス（命令アドレス）は、主メモリ１０
に送られて（キャッシュメモリが設けられているなら
ば、同キャッシュメモリに送られて）、そのアドレスに
対応する命令のフェッチ要求が出される。このとき命令
キュー制御装置２５は、命令キュー２４の先頭段のバリ
ッドビットＶがオフしているならば、プログラムカウン
タ２１からのアドレスをその先頭段のアドレスフィール
ドＡに書込む。

【００２２】プログラムカウンタ２１からのアドレス指
定に応じて、主メモリ１０（またはキャッシュメモリ）
からフェッチされた命令はデコーダ２２に送られ、デコ
ードステージでのデコード処理に供される。このとき命
令キュー制御装置２５は、命令キュー２４の先頭段のバ
リッドビットＶがオフしているならば、フェッチされた
命令をその先頭段の命令フィールドＩに書込み、同ビッ
トＶをオンする。したがって、命令キュー２４の先頭段
（最上段）の命令フィールドＩに書込まれている命令
は、その段階では、デコードの段階（デコードステー
ジ）ということになる。

【００２３】命令キュー制御装置２５には、ＣＰＵクロ
ックＣＬＫおよび（図示せぬパイプライン管理装置から
出力される）パイプラインインタロック信号ＩＬが入力
される。命令キュー制御装置２５は、パイプラインイン
タロック信号ＩＬが真値をとらない期間、即ちパイプラ
インのインタロックが起きていない期間は、命令キュー
２４の先頭段のバリッドビットＶがオンしている限り、
命令キュー２４の各段の内容をＣＰＵクロックＣＬＫに
同期して１段ずつ進める。そして、１段進めると、命令
キュー２４の先頭段のバリッドビットＶをオフする。ま
た、パイプラインのインタロックが起きている期間は、
命令キュー制御装置２５は命令キュー２４の各段の内容
を進める動作を停止する。

【００２４】さて、デコーダ２２でのデコード処理に供
された命令は命令実行装置２３に送られ、デコーダ２２
からのデコード信号に従う命令実行が行われる。この命
令実行装置２３で実行されている命令が、何らかのレジ
スタへの書込みを行う命令である場合、データ書込みス
テージ（レジスタ書込みステージ）でそのレジスタへ書
込むのと同一のデータが命令キュー制御装置２５に送ら
れる。

【００２５】命令キュー制御装置２５は、命令実行装置
２３から送られるレジスタ書込みデータを命令キュー２
４内の或る段のデータフィールドＤに書込む。この命令
キュー２４内のデータ書込み先となる段は、即ち命令キ
ュー２４のどの段にレジスタ書込みデータを書込むか
は、レジスタへの書込みがパイプラインのどのステージ
で行われるかで一意的に決定される。具体的には、この
レジスタ書込みステージがデコードステージのｎ段後で
あるものとすると、命令キュー２４の先頭段（最上段）
から数えて（ｎ＋１）段目が書込み先として決定され
る。そこで命令キュー制御装置２５は、命令キュー２４
の先頭段から数えて（ｎ＋１）段目のデータフィールド
Ｄに、命令実行装置２３から送られたデータを書込む。

【００２６】本実施例において、命令キュー２４の各段
の内容は、パイプラインインタロックの期間は前記した
ように次の段に進められない。したがって、レジスタ書
込みデータが書込まれる命令キュー２４の先頭段（最上
段）から数えて（ｎ＋１）段目にはそのレジスタ書込み
を実行している命令が保持されているはずである。即ち
本実施例によれば、命令キュー２４の先頭段から数えて
（ｎ＋１）段目のデータフィールドＤを命令実行装置２
３からのレジスタ書込みデータの書込み先とすることに
より、同データを、そのレジスタ書込みを実行している
命令が保持されている命令キュー２４内の命令フィール
ドＩと対をなすデータフィールドＤに正しく書込むこと
ができる。

【００２７】以上の結果、命令キュー２４の先頭段から
数えて（ｎ＋１）段目以降の各段には、命令アドレス、
そのアドレスの指定する命令、およびその命令が実際に
書込んだデータの組が保持される。

【００２８】命令履歴バッファ制御装置４０は、パイプ
ラインインタロック信号ＩＬが真値をとらない期間、即
ちパイプラインのインタロックが起きていない期間は、
ＣＰＵクロックＣＬＫに同期して命令キュー２４の最終
段（最下段）の内容を取込んで、バッファアドレスカウ
ンタ（ＢＡＣ）４１の指定する命令履歴バッファ５０か
ら始まる領域に格納する。

【００２９】命令履歴バッファ制御装置４０は、上記の
命令履歴バッファ５０への格納動作を実行する毎に、命
令キュー２４の各段のサイズ（バリッドビットＶ、アド
レスフィールドＡ、命令フィールドＩ、およびデータフ
ィールドＤそれぞれのサイズの合計）のバイト数以上
で、最小の２のべき乗バイト数分だけバッファアドレス
カウンタ４１をインクリメントする。即ちバッファアド
レスカウンタ４１は、命令キュー２４の各段のサイズが
ａバイトで、２^k-1 ＜ａ≦２^k （ｋは自然数）であるも
のとすると、２^k インクリメントされる。これにより、
命令キュー２４の最下段のａバイトの内容を、命令履歴
バッファ５０に無駄なく且つ確実に格納することが可能
となる。

【００３０】さて本実施例では、バッファアドレスカウ
ンタ４１のビット数をｍとすると、命令履歴バッファ５
０をメモリ容量が２^m バイトのメモリ（ここではＥＥＰ
ＲＯＭ）により構成するようにしている。また、バッフ
ァアドレスカウンタ４１の桁あふれは無視している。し
たがって、バッファアドレスカウンタ４１の値は、命令
履歴バッファ５０が一杯になると“０”となり、命令履
歴バッファ５０の０番地から始まる２^k バイトの領域へ
の書込みに戻る。即ち命令履歴バッファ５０は、リング
バッファとして用いられ、ＣＰＵ２０が実行した最新の
命令の履歴（アドレス、命令、その命令が実際に書込ん
だデータの組）が格納される。

【００３１】命令履歴バッファ５０（を構成するメモ
リ）には、物理アドレスが割当てられており、ＯＳ（オ
ペレーティングシステム）を主メモリ１０にローディン
グするためのＲＯＭ（図示せず）内のソフトウェアを用
いて参照することができる。この命令履歴バッファ５０
には、上記したようにＣＰＵ２０が実行した最新の命令
の履歴（アドレス、命令、その命令が実際に書込んだデ
ータの組）が格納されており、ＣＰＵ２０の処理続行が
不可能なトラップ等が発生した場合には、この命令履歴
バッファ５０を参照することにより、ＣＰＵ２０が実行
した命令の解析を容易に行うことができる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
各段の内容がパイプライン動作期間中はＣＰＵクロック
に同期して順次進められる命令キューを設け、命令デコ
ードに際しては、そのデコード対象となる命令およびそ
のアドレスを命令キューの先頭段の命令フィールドおよ
びアドレスフィールドに書込み、データ書込みステージ
でデータ書込みが実行された場合には、その書込みデー
タをデータ書き込みステージに対応する命令キューの該
当段のデータフィールドに書込み、命令キューから１段
ずつその内容を取込んで命令履歴バッファに格納する構
成としたので、ＣＰＵで実行された命令毎に、その命令
および命令アドレスと、その命令が実際に書込んだデー
タとの組を、正しく且つ命令実行順に命令履歴バッファ
に格納することができる。したがって、ＣＰＵの設計者
が予想もしなかったトラップ等が発生しても、この命令
履歴バッファを参照することにより、ＣＰＵが実行した
命令の解析が容易に行え、トラップ等の発生の原因を明
らかにすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用するパイプライン制御方式のＣ
ＰＵを備えた情報処理装置の一実施例を示すブロック構
成図。

【符号の説明】

１０…主メモリ、２０…ＣＰＵ、２１…プログラムカウ
ンタ（ＰＣ）、２２…デコーダ、２３…命令実行装置、
２４…命令キュー、２５…命令キュー制御装置、４０…
命令履歴バッファ制御装置、４１…バッファアドレスカ
ウンタ（ＢＡＣ）、５０…命令履歴バッファ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パイプライン制御方式のＣＰＵを備えた
   情報処理装置において、 前記ＣＰＵが処理中の命令を保持するための命令フィー
   ルド、同命令のアドレスを保持するためのアドレスフィ
   ールド、および同命令でデータ書込みが実行された場合
   の書込みデータを保持するためのデータフィールドを各
   段に持つ命令キューであって、パイプライン動作期間中
   はＣＰＵクロックに同期して各段の内容が順次進められ
   る命令キューと、 命令デコードに際し、そのデコード対象となる命令およ
   びそのアドレスを前記命令キューの先頭段の命令フィー
   ルドおよびアドレスフィールドに書込むと共に、データ
   書込みステージでデータ書込みが実行された場合に、そ
   の書込みデータをデータ書込みステージに対応する前記
   命令キューの該当段のデータフィールドに書込む命令キ
   ュー制御手段と、 前記命令キューの内容を保持するための命令履歴バッフ
   ァと、 前記命令キューから１段ずつその内容を取込んで前記命
   令履歴バッファに格納する命令履歴バッファ制御手段と
   を具備し、 前記ＣＰＵが実行した命令の履歴を前記命令履歴バッフ
   ァに記録するようにしたことを特徴とするＣＰＵ実行命
   令履歴の記録方式。