JPH0542696B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、指数部可変長表現による浮動小数点
演算を少ないハードウエア量で高速に行う１チツ
プ半導体集積回路プロセツサに関する。

〔発明の背景〕

浮動小数点表現は大きな数も小さな数も同じ精
度で取扱うことが可能なため、特に科学技術計算
において利用されている表現方式である。

しかしながら、従来の指数部固定長浮動小数点
表現では指数部のビツト長が固定であつたため、
表現される数の範囲が狭いという欠点があるとと
もに、指数部の値が小さく、指数部に割り当てら
れたビツト長を全て使い切つていない場合にその
スペースを仮数部の精度を上げることに利用する
というような柔軟性もないという欠点も指摘され
ていた。

一例として、デジタル信号処理の分野において
は、音声、楽音処理の場合のように、データの数
値の振幅は大きいが、データ値が小さいときは演
算精度が必要とされ、データ値が大きいときはそ
れ程演算精度が必要とされないといつた情報を扱
うことも多い。したがつて、こういつた場合に
は、従来の指数部固定長の浮動小数点表現では、
上記の２つの要求事項を満足させるためには、デ
ータの全体のビツト長が非常に長くなつてしま
い、ハードウエアの量が増加するとともに、その
増加に伴つて演算速度の低下が生じてしまう。

特に、近年進展の著しい、半導体集積回路によ
るプロセツサでは、データのビツト長の増加は、
１チツプ上に搭載可能なハードウエア量の制約の
観点から可能な限り避けなければならない事項で
ある。

このため、従来の指数部固定長表現に代わる指
数部可変長表現による浮動小数点のデータ形式と
して、特開昭59−11444号、実開昭57−166240号
に記載されているような、指数部可変長表現によ
る浮動小数点データ形式が提案されている。

指数部可変長表現による浮動小数点データ形式
の場合に問題となるのは、 (1) そのままの表現形式では演算処理が不可能な
ので、演算処理のために指数部固定長の浮動小
数点データ形式も用意する必要がある。このた
め、プロセツサ内に２種のデータ形式が存在
し、データの転送、格納等におけるデータ管理
が煩雑になる。

(2) また、従来開発された指数部固定長表現によ
るデータ形式のプログラムもそのまま実行する
ために、プロセツサ内に両方の表現形式による
データを有し、演算モードを切換えるような方
式は、大形のプロセツサでは可能であるが、半
導体集積回路によるプロセツサでは、ハードウ
エア量の観点から、実現が非常に困難であると
いう問題点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を
除去するものであつて、半導体集積回路によるプ
ロセツサにおいても容易に指数部可変長表現によ
るデータ形式を取扱うことを可能とするプロセツ
サの方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、プロセツサ内の指数部固定長表現の
データ形式を取扱う個所をを限定するプロセツサ
の構成法を採用することにより、指数部可変長表
現のデータ演算が可能が半導体集積回路プロセツ
サを実現したものである。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を述べるに当つて、本発明で扱
う指数部可変長表現のデータ形式は、特開昭59−
11444号、実開昭57−166240号で記載されている
指数部可変長表現のデータ形式とし、本発明では
単に指数部可変長データと呼称することとする。

第１図は本発明の第１の実施例を示す図であ
る。第１図において、１００は半導体集積回路プ
ロセツサであり、１０１は外部からプロセツサへ
の入力データ、１０２はプロセツサから外部への
出力データである。１１０はプロセツサ内のデー
タ記憶部、１２０はプロセツサ内の演算部及び演
算結果保持部とデータ記憶部を結ぶデータバス
（以下単にデータバスと呼称する。）１３０はデー
タバス上の指数部可変長データを指数部固定長デ
ータに変換し、データ演算部へ出力するデータ変
換部１，１４０は１３０のデータ、あるいは１５
０からのデータを受けて演算を行うデータ演算
部、５０はデータ演算部からの出力を受けて、デ
ータを保持することと、保持してあるデータ１４
０と１６０へ出力するデータ保持部、１６０は、
１５０からの入力を受けて指数部固定長データか
ら指数部可変長データへ変換し、データバスへ出
力を行うデータ変換部２、１７０は命令制御部、
１８０は外部データ入出力部である。

本発明のプロセツサでは、プロセツサ内に扱う
データ形式と次のようにする。

(1) 入出力データ１０１，１０２、データ記憶部
１１０、データバス１２０、命令制御部１７０
は、指数部可変長データを扱うとする。

(2) データ演算部１４０（演算器及び演算器間を
直結する演算部内部バスを含む）と演算結果保
持部１５０は指数部固定長データを扱うとす
る。ここで命令制御部におけるデータとは、イ
ミデイエイト命令におけるデータを意味してい
る。

第１図に示した本発明のプロセツサの基本的な
動作は以下のようである。

命令制御部１７０に蓄積されたプログラムによ
り、プロセツサは動作し、命令制御部からの信号
により (1) 指数部可変長表現のデータをデータバス１２
０上に取込むか、データバス上の指数部可変長
表現のデータを外部へ出力する。

(2) データ記憶部１１０中のデータをデータバス
１２０へ出力するか、データバス上のデータを
データ記憶部へ入力する。

(3) データバス１２０上のデータを演算部１４０
へ入力し、演算を行い演算結果を演算結果保持
部１５０へ保持する。また、演算結果保持部の
データをデータバスへ出力する。あるいは、演
算保持部のデータを演算部へ入力し、演算結果
を再度演算結果保持部で保持する。あるいは、
演算部中に複数の演算器を有する場合は、入力
されたデータの処理すべき演算器を選択する。
また、演算部１４０内部バスによる演算器間の
データ転送を制御する。ここで、データバス１
２０と演算部１４０との間に指数部可変長デー
タから固定長データへのデータ変換部１３０を
配置し、データバス上のデータを自動的に指数
部固定長データへ変換する。

また、演算結果保持部１５０とデータバス１
２０との間に指数部固定長データから可変長デ
ータへのデータ変換部１６０を配置し、演算結
果保持部のデータを自動的に指数部可変長デー
タへ変換する。

このデータ変換は公知のプライオリテイエン
コーダとシフト回路を組合せて指数部と仮数部
の境界を見つけて分離することによつて可能と
なる。また逆変換も、プライオリテイエンコー
ダ等を用いて指数部の有効桁数を検出して、シ
フト量を決定し、指数部と仮数部を結合するこ
とによつて可能となる。

(4) 命令制御部１７０のイミデイエイトデータ
は、指数部可変長データとしてデータバス１２
０へ出力する。

以上述べたように、本発明のプロセツサの構成
上及び動作形態上の特徴は、データ演算部と演算
結果保持部だけ指数部固定長表現のデータを扱
い、これらの部分のデータ入出力部にデータ変換
部を設け、指数部可変長表現との間のデータ変換
を自動的に行つていることである。このようなプ
ロセツサの構成とることにより、以下に述べるよ
うな数々の利点が得られる。

(1) データ記憶部、データバスを指数部可変長表
現のデータ形式とすることにより、ハードウエ
ア量の低減を図ることが可能になる。

前述したように、扱う情報のデータ数値の振
幅が大きく、データ値が小さいときは演算精度
が必要とされ、データ値が大きいときはそれ程
演算精度が必要とされない場合には、データ記
憶部とデータバスを指数部可変長表現のデータ
形式にするとデータ値の大小に応じて仮数部の
ビツト長が自動的に変化するのでハードウエア
量の低減が可能になる。とくに、半導体集積回
路においては、１チツプに搭載可能なハードウ
エア量の制限から集積面積が大きくなるデータ
記憶部、データバスのビツト長を極力少なくす
るために本発明のようなプロセツサ構成とする
ことが有利である。

(2) 演算結果保持部を指数部可変長表現のデータ
形式とすることにより、演算速度の向上を図る
ことが可能になる。

演算結果保持部を指数部固定長表現のデータ
形式とすることも考えられるが、この場合に
は、演算部と演算結果保持部の間にデータ変換
部を設ける必要がある。

このような構成をとつた場合には演算結果保
持部のデータ同志での演算あるいは演算結果保
持部のデータとバス上のデータとの演算あるい
は演算部が複数の演算器（例えば加減算器と乗
算器）で構成されていて１つの演算器の演算結
果データをそのまま他の演算器への入力データ
とするような演算（例えば積和演算）において
も、必ずデータはデータ変換部を通過する必要
があるために演算速度が低下する。しかも、こ
ういつた種類の演算は非常に頻繁に生じる。

したがつて、本発明のように演算結果保持部
を指数部固定長表現のデータ形式にしておくこ
とにより、上述したような種類の演算を行う場
合には、演算結果保持部のデータがデータ変換
部を通過することがないので高速な演算が可能
となる。

(3) 命令制御部１７０中のデータを指数部可変長
データとすることによつて、イミデイエイトデ
ータを直接にデータバス１２０へ出力できるた
め、ハードウエア量の低減が可能である。もし
命令制御部１７０中のデータを指数部固定長デ
ータとした場合には、演算部１４０へ直接に接
続線を配線しなければならないためにハードウ
エア量が多くなつてしまう。

(4) プロセツサ内で指数部固定長データを扱う部
分を演算部１４０と演算結果保持部１５０に限
定したことにより、ハードウエア量の低減、演
算速度の向上が図られる。

プロセツサ内において、データバス上、デー
タ記憶部で指数部可変長と固定長のデータを扱
えるようにした場合には、指数部固定長表現で
作成された従来のプログラムをそのまま用いる
ことができる反面、次のような問題点も生じ
る。その１つは、指数部可変長データと指数部
固定長データの他にもう一つの指数部固定長デ
ータ表現を設け、これを共通表現として演算
部、演算結果保持部でこの共通表現を用いるこ
とになる。このため、データ変換部としては、
指数部可変長データと共通表現データとの間の
変換、及び、指数部固定長データと共通表現デ
ータとの間の変換が必要になり、ハードウエア
量が増加する。また、指数部可変長データを扱
うか、固定長データを扱うかでプロセツサのモ
ード切換えが必要になり、演算速度が低下する
場合も生じる。

さらに、指数部可変長と固定長の両データを
扱えるとしても、データバスを両表現で共通に
用いる場合には、指数部固定長データのビツト
長は指数部可変長データのビツト長で制限され
てしまう。このことは、指数部固定長データで
の演算では常に指数部可変長データでの演算よ
りもデータ値の振幅が低く抑制されてしまい、
指数部可変長データプロセツサのメリツトを生
かし切れなくなる。

データバスを両表現で独立に持たせる場合に
は、ハードウエア量が非常に多くなり、半導体
集積回路プロセツサのような場合にはプロセツ
サの実現が困難になる。

加えて、指数部可変長データは短かいビツト
長で大きな数を表現できるため、指数部固定長
データと同一のデータ値範囲を扱う場合には指
数部固定長データより短いビツト長で済む。こ
のため、従来の指数部固定長データのビツト長
に合せてハードウエアを構成すると、そのプロ
セツサは指数部可変長データに対しては余分な
ハードウエアを多数持つことになる恐れがあ
る。とくに、プロセツサ内のデータ記憶は、プ
ロセツサ内に占める集積面積が大きいために上
述のような余分なハードウエア量が増加するこ
とは避ける必要がある。

こういつたことから、本発明のプロセツサ構
成のように、指数部固定長データを扱う部分を
演算部と演算結果保持部に限定した構成がハー
ドウエア量低減と演算速度向上のうえで大きな
効果がある。

第２図は本発明による第２の実施例である。

第２図は、第１図で示した本発明の実施例のプ
ロセツサ構成に加えて、プロセツサ外部とのデー
タ入出部にデータ変換部１９０を配置し、データ
変換の種類を制御する端子１０３を備えた構成と
している。その他の構成は、第１図と同一であ
る。この新たに追加したデータ変換部は、次のよ
うな動作を行う。

外部からの制御信号１０３により、プロセツサ
へ入力されたデータが指数部可変長データか、指
数部固定長データか、あるいは固定小数点データ
かを識別し、プロセツサ内部で用いている指数部
可変長データへ変換する。また逆に、外部制御信
号によりプロセツサ内部で用いている指数部可変
長データを外部に必要なデータ形式（指数部可変
長データか、指数部固定長データか固定小数点デ
ータ）へ変換して出力する。

その他の動作は、第１図の実施例のプロセツサ
と同一である。

本実施例で示したようなプロセツサ構成の場合
には、第１図で述べたプロセツサ構成の利点に加
えて、プロセツサの外部とのインタフエースで、
種々のデータ形式とプロセツサ内のデータ表現形
式（指数部可変長表現）との変換を行つているの
で、従来の表現形式である指数部固定長データや
固定小数点データの演算を直接に扱うことは可能
になる。しかも、種々のデータ形式を扱いながら
そのデータ形式の指定は外部制御信号で行うこと
ができるため、プロセツサとしては取扱つている
データの形式を意識してプログラムを組む必要が
ない。またプロセツサの内部のデータ記憶部、デ
ータバス、命令制御部を指数部可変長データ表現
で統一したハードウエアとすることが可能とな
る。

なお、データ変換部１９０は、データ変換が可
能なデータ形式の種類の数を必要に応じて増減で
きることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、少な
いハードウエア量で指数部可変長データを容易に
取扱えるプロセツサを構成できるので、半導体集
積回路による指数部可変長データ用プロセツサを
実現することが可能になる。また本発明による半
導体集積回路プロセツサの実現により、高速、高
精度なデータ演算をより低コストで行うことがで
き、デジタル信号処理やその他汎用のデータ処理
の分野において、大きな経済上の利点と科学技術
上の進歩に大きな貢献をすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例、第２図は本発
明の第２の実施例を示す集積回路構成の平面図で
ある。 １１０…プロセツサ内のデータ記憶部、１２０
…データバス、１３０…データ変換部１、１４０
…演算部、１５０…演算結果保持部、１６０…デ
ータ変換部２、１７０…命令制御部、１８０…外
部データ入出力部、１９０…データ変換部、１０
１…外部からのデータ入力、１０２…外部へのデ
ータ出力、１０３…外部データの内部データ形式
への変換及び内部データの外部データ形式への変
換を制御する端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ データ記憶部、演算部、演算結果保持部、命
   令制御部、外部データ入出部、データバス、デー
   タ変換部１，２を有し、データ記憶部へのデータ
   の入出力は巨該データバスを介して行い、外部デ
   ータ入力出部は該データバスに接続して外部との
   データの入出力を行い、データ変換部１は該デー
   タバスから入力を受けて演算部へデータを出力
   し、演算部はデータ変換部１と演算結果保持部か
   ら入力を受けて演算結果保持部へデータを出力
   し、演算結果保持部は演算部より入力を受けて演
   算部とデータ変換部２へデータを出力し、データ
   変換部２は演算結果保持部より入力を受けてデー
   タ変換した後にデータバスへ出力し、命令制御部
   のイミデイエイトデータはデータバスへ出力する
   プロセツサ構成を有し、データ記憶部中、データ
   バス上、命令制御部中のデータは指数部可変長浮
   動小数点データとし、演算部と演算結果保持部中
   のデータは指数部固定長浮動小数点データとし、
   データ変換部１は指数部可変長浮動小数点データ
   から指数部固定長浮動小数点データへデータ変換
   を行う機能を有し、データ変換部２は該データ変
   換部１と逆のデータ変換を行う機能を有すること
   を特徴とする半導体集積回路プロセツサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のプロセツサにお
   いて、外部データ入出力部にデータ変換部３、及
   びデータ変換の種類を選択する外部制御端子を備
   え、データ変換部は、外部からのデータのデータ
   形式を該外部制御端子の信号により識別し、上記
   外部データをプロセツサ内部のデータ形式である
   指数部可変長浮動小数点データに変換する機能と
   プロセツサ内部データを該外部信号に応じて外部
   に必要なデータ形式に変換する機能を有すること
   を特徴とする半導体集積回路プロセツサ。