JPH0612500A - マイクロプロセッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロードまたはセーブの対象を動的に変化でき
るようにし、レジスタ切替えのオーバヘッドを減少させ
る。 【構成】 複数のレジスタを持つマイクロプロセッサに
おいて、レジスタ・アクセス検出手段と、このレジスタ
・アクセス検出手段からの出力値にマスクをかけるマス
ク手段と、例外を発生させる例外発生手段とを備え、使
用するレジスタの数が動的に変化するタスクが並行動作
している場合に、例外を発生させるレジスタ群をスタテ
ィックなプログラム解析結果に基づいて適切に指定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマルチプログラミング機
能を有するオペレーティングシステムによる情報処理に
利用する。本発明は、レジスタの無駄な退避やロードを
少なくしてレジスタ切替えのオーバヘッドを低減するこ
とができるマイクロプロセッサに関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｖ６０／７０／８０のＬＤＴＡＳＫ（Ｌ
ｏｏｄ Ｔａｓｋ Ｃｏｎｔｅｘｔ）命令やＳＴＴＡＳ
Ｋ（Ｒｅｔｕｒｎ ｆｒｏｍ Ｔｒａｐ ｏｒ Ｉｎｔ
ｅｒｒｕｐｔ Ｓｙｓｔｅｍ）命令は、オペレーティン
グ・システムのタスク・コンテキスト切替えを支援する
命令である。これらの命令は、オペランドで指定された
タスク・コントロール・ブロック（ＴＣＢ）の内容をレ
ジスタにロードし、あるいはストアし、さらに仮想記憶
管理情報テーブルなどを更新するために使用される高機
能命令である。特に、ロード、あるいはセーブの対象と
なるレジスタはオペランドで指定された番号のレジスタ
に限られるため、それぞれのタスクで使用されるレジス
タのみをロード、あるいはセーブすることができる。全
レジスタをロード、あるいはセーブする場合に比較して
オーバヘッドを軽減させることが可能となる。

【０００３】実行対象タスクで使用されるレジスタが何
番レジスタと何番レジスタであるかを調査することは大
変容易であり、高級言語で記述されている場合には、ア
センブラ・ソースを出力させ、種々のツールを用いてレ
ジスタ名を検索することができる。

【０００４】このようにロード、あるいはセーブの対象
となるレジスタを命令のオペランドでスタティックに指
定した番号のレジスタに限ることによって、図１２に示
すように、それぞれのタスクで使用するレジスタ群の時
間的な変化がほとんどない場合に無駄なロード、あるい
はセーブを回避することができる。図１２は〔外１〕、
〔外２〕、〔外３〕、〔外１〕、〔外２〕、〔外３〕、
〔外１〕の順にタスクが遷移する状況を示したものであ
る。

【０００５】

【外１】

【０００６】

【外２】

【０００７】

【外３】 引き出し線で示されているのはその区間で使用されるレ
ジスタ番号である。例えば、〔外１〕はα区間でレジス
タ０〜２２およびレジスタ２８〜３１を使用することを
示している。

【０００８】従来、図１２に示すようにレジスタを使用
するタスクを並列に実行させる場合、ロード、あるいは
ストア対象レジスタを（ｒｅｇはレジスタ番号を示す）

【０００９】

【外４】

【００１０】

【外５】

【００１１】

【外６】 のように指定するこで、ＯＳが無駄なロード、あるいは
ストアを行うのを軽減させている。そのときのレジスタ
状態遷移の状況を図１３に示す。これは使用するレジス
タの数がほとんど変化しない場合に有効な方法である同
図中、Ａと表示されている部分は〔外１〕のコンテキス
トを保持しているレジスタを意味する。Ｂ、Ｃに関して
も同様である。？は〔外１〕、〔外２〕、〔外３〕を示
す。

【００１２】ここで、図１２に示すタスク遷移を行うと
きの動作を図１４を用いて説明する。

【００１３】α区間からβ区間へタスク・スイッチが発
生したとき、図１４に示すように〔外１〕のうちＳＴＴ
ＡＳＫ命令によって指定されたレジスタの内容、つまり
レジスタ０〜２２およびレジスタ２８〜３１が退避さ
れ、システム・サービスおよびスケジューリングが行わ
れた後に、〔外２〕のうちＬＤＴＡＳＫ命令によって指
定されたレジスタ０〜１０およびレジスタ２８〜３１の
内容がロードされて〔外２〕に制御が移る。

【００１４】β区間からγ区間へタスク・スイッチが発
生したときは、〔外２〕のうちＳＴＴＡＳＫ命令によっ
て指定されたレジスタの内容、つまりレジスタ０〜１０
およびレジスタ２８〜３１が退避され、システム・サー
ビスおよびスケジューリングが行われた後に、〔外３〕
のうちＬＤＴＡＳＫ命令によって指定さたレジスタ０〜
９およびレジスタ２８〜３１の内容がロードされて〔外
３〕に制御が移る。

【００１５】また、γ区間からδ区間へタスク・スイッ
チが発生したときは、〔外３〕のうちＳＴＴＡＳＫ命令
によって指定されたレジスタの内容つまりレジスタ０〜
９およびレジスタ２８〜３１が退避され、システム・サ
ービスおよびスケジューリングが行われた後、〔外１〕
のうちＬＤＴＡＳＫ命令によって指定されたレジスタ０
〜２２およびレジスタ２８〜３１の内容がロードされて
〔外１〕に制御が移る。

【００１６】以降、各δ、ε、ζ、η区間でのタスク・
スイッチングも同様に行われる。（μＰＤ７０８３２ユ
ーザーズマニュアル ＩＥＵ−６６３Ａ）

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロー
ド、あるいはセーブの対象となるレジスタはスタティッ
ク以外に指定することができないため、図（Ａ）に示す
ようなタスクの遷移があった場合、

【００１８】

【外７】

【００１９】

【外８】

【００２０】

【外９】 のように指定しなければならない。つまり、タスク切替
の多くの場合は使用しないレジスタを入れ換えているこ
とになる。例えばタスク中１〜２命令でアクセスするレ
ジスタが存在していたとしても、そのタスクの全実行期
間に渡って入れ換えなければならなず、具体的には、例
えば図２に示すγ区間からδ区間、ζ区間からη区間、
ι区間からκ区間に移る際にコンテキスト・スイッチが
行われるとき、レジスタ８〜２３は無駄に入れ換えられ
ている。これは、ロードまたはセーブする対象を動的に
指定できないことに起因している。

【００２１】本発明はこのような背景のもとに行われる
もので、ロードまたはセーブの対象を動的に変化させる
ことができ、レジスタ切替えのオーバヘッドを低減する
ことができるマイクロプロセッサを提供することを目的
とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数のレジス
タを有し、オペレーティング・システムの制御にしたが
って並行処理されているタスクをタスク識別子によって
識別し処理を実行する中央処理装置と、この中央処理装
置に接続されたメモリおよび割り込みコントローラとを
備えたマイクロプロセッサにおいて、前記中央処理装置
に、前記複数のレジスタへのアクセスを検出するレジス
タ・アクセス検出手段と、前記複数のレジスタ個々に対
応するビットを持つマスク・レジスタを有し、前記レジ
スタ・アクセス検出手段の出力を前記マスク・レジスタ
を用いてマスクするマスク手段と、前記マスク・レジス
タの内容を変更する手段を有し、前記マスク手段の出力
にしたがって例外を発生させる例外発生手段とを備え、
前記メモリに、カレントのタスク識別子を保持する手段
と、切替前のタスク識別子を保持する手段とを含むこと
を特徴とする。

【００２３】

【作用】マスクのかけられていないレジスタ・グループ
のレジスタをアクセスしたときに例外発生手段によって
例外を発生させ、レジスタ・グループのレジスタ内容を
切替え前タスク識別子が示すコンテキストへ退避し、カ
レントタスク識別子が示すコンテキストをレジスタへロ
ードし、マスク・レジスタの内容を変更する手段を用い
てレジスタ・グループに対応するマスク・レジスタ中の
ビットを変更する。

【００２４】このように、使用するレジスタの数が動的
に変化する場合に、例外を発生させるレジスタ群をスタ
ティックなプログラム解析結果に基づいて適切に指定す
ることにより、レジスタの無駄な退避やロードを減少さ
せることができ、レジスタ切替えのオーバヘッドを軽減
させることができる。さらに、切替えるべきレジスタ数
が増加した場合でも異なる例外を発生させるレジスタ群
を複数設定することにより、レジスタ切替えのオーバヘ
ッドを減少させることができる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００２６】（第一実施例）図１（ａ）は本発明第一実
施例の全体構成を示すブロック図、同図（ｂ）はマスク
手段の構成を示すブロック図である。

【００２７】本発明第一実施例は、複数のレジスタ１０
０を有し、オペレーティング・システムの制御にしたが
って並行処理されているタスクをタスク識別子によって
識別し処理を実行する中央処理装置（以下ＣＰＵとい
う）１４０と、このＣＰＵ１４０に接続されたメモリ１
５０および割り込みコントローラ１７０とを備え、中央
処理装置１４０に、複数のレジスタ１００へのアクセス
を検出するレジスタ・アクセス検出手段１１０と、複数
のレジスタ１００の個々に対応するビットを持つマスク
・レジスタ１２１を有し、レジスタ・アクセス検出手段
１１０の出力をマスク・レジスタ１２１を用いてマスク
するマスク手段１２０と、マスク・レジスタ１２１の内
容を変更する手段を有し、マスク手段１２０の出力にし
たがって例外を発生させる例外発生手段１３０とを備
え、メモリ１５０に、カレントのタスク識別子を保持す
る手段と、切替え前のタスク識別子を保持する手段とを
含む。

【００２８】図２は本発明第一実施例における使用する
レジスタの数が動的に大きく変化する場合のタスク遷移
図である。以下図２に示すようなタスクの切替えが発生
する場合について説明する。この場合３２個のレジスタ
をすべてタスクを通じて静的なアクセス頻度が高いレジ
スタ群と低いレジスタ群とに分け、高いレジスタ群は常
にレジスタ内容を入れ換え、低いレジスタ群は例外を発
生されて入れ換えるものとする。

【００２９】本第一実施例では、常にレジスタ内容を入
れ換えるレジスタ群をコンカレント・レジスタ、例外を
発生させて入れ換えるレジスタ群をノンカレント・レジ
スタと呼ぶ。また、コンカレント・レジスタが持つコン
テキストをカレント・コンテキスト、ノンカレント・レ
ジスタが持つコンテキストを遅延コンテキストと呼ぶ。
カーネルは遅延コンテキストを持つタスクＩＤを保持し
ている。

【００３０】また、本第一実施例ではタスク全般を通じ
て例外が発生するレジスタ群を一組だけ用意し、レジス
タ０〜７とレジスタ２８〜３１までを常に入れ換え、レ
ジスタ８〜２３はアクセスがあったときに例外を発生さ
せて入れ換えを行い、レジスタ２４〜２７は入れ換えの
対象としないように構成する。

【００３１】ここで、図２に示すように、使用するレジ
スタ数がコンテキスト切替時に動的に大きく変化する場
合の動作について説明する。図３は本発明第一実施例に
おけるカーネルがコンテキスト切替え時に行う処理の流
れを示すフローチャート、図４は本発明第一実施例にお
けるカーネルが例外発生時に行う処理の流れを示すフロ
ーチャートである。

【００３２】図２に示すα区間の始めで〔外１〕にタス
ク・スイッチ処理をするときは、図３に示す処理の流れ
に従って、カーネルがプリビアス・コンテキストのレジ
スタ０〜７、レジスタ２８〜３１に退避され、システム
・サービスおよびスケジューリングの後に、カレント・
コンテキストレジスタ０〜７、レジスタ２８〜３１をロ
ードする。その後、遅延コンテキストとカレント・コン
テキストのタスクＩＤが等しいか否かを判定し、等しく
ない場合にはマスク・レジスタ１２１のノンカレント・
レジスタに対応するビットをセットしてディスパッチす
る。

【００３３】次に、例外が発生するときの動作について
説明する。〔外１〕の処理が進みレジスタ８〜２３のい
づれかをアクセスする命令が現れると、マスク・レジス
タ１２１から例外発生手段１３０に信号が伝達され、例
外発生手段１３０は例外を発生させる。例外が発生する
と、カーネルの例外ハンドラは図４に示す処理の流れに
従ってノンカレント・レジスタ、つまりレジスタ８〜２
３を退避し、システム・サービスおよびスケシューリン
グの後、カレント・コンテキストのレジスタ８〜２３を
ロードする。その後、マスク・レジスタ１２１をクリア
し、カレント・コンテキストのタスクＩＤを遅延コンテ
キストのタスクＩＤとしてカーネル内に登録する。最後
にカレントタスクに制御を戻す。

【００３４】図５は本発明第一実施例におけるレジスタ
の数が動的に大きく変化する場合の遷移を示したもの
で、以降、この図５に示すβ、γ、δ、εの区間ではレ
ジスタ０〜７およびレジスタ２８〜３１のみが入れ換え
られる。また、ζ区間では図３の流れに従って、α区間
と同様に区間の最初でレジスタ０〜７およびレジスタ２
８〜３１のみが入れ換えられる。この動作についてはα
区間で説明したので省略する。レジスタ８〜２３にアク
セスされたときは同レジスタ８〜２３を図４に示す処理
の流れに従って入れ換える。その手順はα区間の場合と
同様に行われる。

【００３５】さらに、η区間では、レジスタ０〜７およ
び２８〜３１のみが入れ換えられる。以降は図５に示す
θ、ι、κの区間ではレジスタ０〜７、レジスタ２８〜
３１のみが入れ換えられる。

【００３６】（第二実施例）図６（ａ）は本発明実施例
の全体構成を示すブロック図、同図（ｂ）はマスク手段
の構成を示すブロック図である。

【００３７】本発明第二実施例は、レジスタ１００を６
４個有し、マスク手段１２５と例外発生手段１３０とは
例外１伝達ライン１２６および例外２伝達ライン１２７
により接続される。ここでは、図７に示すタスクの切替
えが発生する場合について説明する。

【００３８】アクセス頻度が低いレジスタ群、中位のレ
ジスタ群、高いレジスタ群に分け、それぞれ、コンカレ
ント・レジスタ、ノンカレント・レジスタ１と、ノンカ
レント・レジスタ２として、本第二実施例では、 レジスタ０〜１５ コンカレント・レジスタ レジスタ１６〜３１ ノンカレイト・レジスタ１ レジスタ３２〜４７ ノンカレント・レジスタ２ レジスタ６０〜６３ コンカレント・レジスタ コンカレント・レジスタが持つコンテキストをカレント
・コンテキスト、ノンカレント・レジスタ１が持つコン
テキストを遅延コンテキスト１、ノンカレント・レジス
タ２が持つコンテキストを遅延コンテキスト２と呼び、
カーネルは、遅延コンテキスト１を持つタスクＩＤおよ
び遅延コンテキスト２を持つタスクＩＤを自身の中に保
持しているものとする。また、ノンカレント・レジスタ
１をアクセスしたとき発生する例外を例外１、ノンカレ
ント・レジスタ２をアクセスしたとき発生する例外を例
外２と呼ぶ。

【００３９】図７は本発明第二実施例における使用する
レジスタの数が動的に大きく変化する場合の遷移を示す
図、図８は本発明第二実施例における使用するレジスタ
の数が大きく変化する場合の時間的遷移を示す図、図９
は本発明第二実施例におけるカーネルがコンテキスト切
替え時に行う処理の流れを示すフローチャート、図１０
はカーネルが例外１発生時に行う処理の流れを示すフロ
ーチャート、図１１は本発明第二実施例におけるカーネ
ルが例外２発生時に行う処理の流れを示すフローチャー
トである。

【００４０】図７に示すα区間の始めで〔外１〕にタス
ク・スイッチするとき、図９に示す流れに従って、カー
ネルがプリビアス・コンテキストのコンカレント・レジ
スタを退避し、システム・サービスおよびスケジューリ
ングの後、カレント・コンテキストのコンカレント・レ
ジスタをロードする。その後、遅延コンテキスト１とカ
レント・コンテキストのタスクＩＤが等しいか否かを判
定し、等しくない場合は、マスク・レジスタ１２１のノ
ンカレント・レジスタ１に対応するビットをセットす
る。続いて遅延コンテキスト２とカレント・コンテキス
トのタスクＩＤが等しいか否かを判定し、等しくない場
合はマスク・レジスタ１２１のノンカレント・レジスタ
２に対応するビットをセットしてディスパッチする。

【００４１】次に、例外１が発生する場合の動作につい
て説明する。〔外１〕の処理が進み、ノンカレント・レ
ジスタ１つまりレジスタ１６〜３１のいづれかをアクセ
スする命令が現れると、マスク・レジスタ１２１から例
外１伝達ライン１２６を経由して例外発生手段１３０に
例外１が伝達され、例外発生手段１３０が例外１を発生
される。例外１が発生すると、カーネルの例外ハンドラ
は、図１０に示す流れに従って遅延コンテキスト１を持
つタスクにノンカレント・レジスタ１を退避し、システ
ム・サービス、スケジュールング後カレント・コンテキ
ストのノンカレント・レジスタ１をロードする。その
後、マスク・レジスタ１２１のノンカレント・レジスタ
１に対応するビットをクリアし、遅延コンテキスト１を
持つタスクとして、カレント・コンテキストのタスクＩ
Ｄをカーネル内に登録する。最後に、カレントタスクに
制御を戻す。

【００４２】以降、図８に示すβ、γ、δ、εの区間で
はコンカレント・レジスタのみが入れ換えられる。この
動作はα区間で説明したので省略する。ζ区間では、ま
ず例外１が発生し、α区間と同様に図１０に示す処理の
流れに従って、例外１でノンカレント・レジスタ１のみ
が入れ換えられる。この動作はα区間の動作と同様なの
で説明は省略する。

【００４３】ζ区間でノンカレント・レジスタ２つまり
レジスタ３２〜４７のどれかひとつにアクセスした時
に、マスク・レジスタ１２１から例外２伝達ライン１２
７を経由して例外発生手段１３０に例外が伝達され、例
外発生手段１３０が例外２を発生させる。例外２が発生
すると、カーネルの例外ハンドラは、図１１の処理の流
れに従って、遅延コンテキスト２を持つタスクにノンカ
レント・レジスタ２を退避し、システム・サービス、ス
ケジューリング後カレント・コンテキストのノンカレン
ト・レジスタ２をロードする。その後、マスク・レジス
タ１２１のノンカレント・レジスタ２に対応するビット
をクリアし、カレント・コンテキストのタスクＩＤを遅
延コンテキスト２のタスクＩＤとしてカーネル内に登録
する。最後に、カレントタスクに制御を戻す。η区間か
らι区間まではコンカレント・レジスタのみが入れ換え
られる。この動作はα区間の動作と同様なので説明は省
略する。

【００４４】κ区間においてノンカレント・レジスタ２
のどれかのレジスタにアクセスするとき、マスク・レジ
スタ１２５から例外２伝達ライン１２７を経由して例外
発生手段１３０に例外が伝達され、例外発生手段１３０
が例外２を発生する。例外２が発生したときの動作は、
ζ区間でノンカレント・レジスタ２にアクセスした時の
動作と同様であるので説明は省略する。

【００４５】次に、κ区間においてノンカレント・レジ
スタ１のどれかのレジスタにアクセスするとき、マスク
・レジスタ１２１から例外伝達ライン１２６を経由して
例外発生手段１３０に例外が伝達され、例外発生手段１
３０が例外１を発生する。例外１が発生したときの動作
は、α区間でノンカレント・レジスタ１にアクセスした
ときの動作と同様であるので説明は省略する。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、使
用するレジスタの数が動的に変化する場合に、例外を発
生されるレジスタ群をスタティックなプログラム解析結
果に基づいて適切に指定することにより、レジスタの無
駄な退避やロードを減少させることができ、レジスタ切
替のオーバヘッドを軽減させることができる効果があ
る。さらに、切替えるべきレジスタ数が増加した場合で
も異なる例外を発生させるレジスタ群を複数設定するこ
とにより、レジスタ切替のオーバヘッドを減少させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明第一実施例の全体構成を示すブ
ロック図、（ｂ）はマスク手段の構成を示すブロック
図。

【図２】本発明第一実施例における使用するレジスタの
数が動的に大きく変化する場合のタスク遷移図。

【図３】本発明第一実施例におけるカーネルがコンテキ
スト切替時に行う処理の流れを示すフローチャート。

【図４】本発明第一実施例におけるカーネルが例外発生
時に行う処理の流れを示すフローチャート。

【図５】本発明第一実施例におけるレジスタの数が動的
に大きく変化する場合の遷移を示す図。

【図６】（ａ）は本発明第二実施例の全体構成を示すブ
ロック図、（ｂ）はマスク手段の構成を示すブロック
図。

【図７】本発明第二実施例における使用するレジスタの
数が動的に大きく変化する場合の遷移を示す図。

【図８】本発明第二実施例における使用するレジスタの
数が大きく変化する場合の時間的遷移を示す図。

【図９】本発明第二実施例におけるカーネルがコンテキ
スト切替え時に行う処理の流れを示すフローチャート。

【図１０】本発明第二実施例におけるカーネルが例外１
発生時に行う処理の流れを示すフローチャート。

【図１１】本発明第二実施例におけるカーネルが例外２
発生時に行う処理の流れを示すフローチャート。

【図１２】従来例における使用するレジスタの数が時間
的に変化しない場合のタスクの制御を示す図。

【図１３】従来例におけるレジスタ状態遷移の状況を示
す図。

【図１４】従来例におけるタスク遷移の動作の流れを示
すフローチャート。

【符号の説明】

１００ レジスタ １１０ レジスタ・アクセス検出手段 １１１、１１２ レジスタ選択ライン １２０、１２５ マスク手段 １２１ マスク・レジスタ １２２ 例外伝達ライン １２６ 例外１伝達ライン １２７ 例外２伝達ライン １３０ 例外発生手段 １４０ 中央処理装置 １５０ メモリ １６０ データバス １７０ 割り込みコントローラ １８０ 割り込み信号ピン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のレジスタを有し、オペレーティン
   グ・システムの制御にしたがって並行処理されているタ
   スクをタスク識別子によって識別し処理を実行する中央
   処理装置と、この中央処理装置に接続されたメモリおよ
   び割り込みコントローラとを備えたマイクロプロセッサ
   において、 前記中央処理装置に、 前記複数のレジスタへのアクセスを検出するレジスタ・
   アクセス検出手段と、 前記複数のレジスタ個々に対応するビットを持つマスク
   ・レジスタを有し、前記レジスタ・アクセス検出手段の
   出力を前記マスク・レジスタを用いてマスクするマスク
   手段と、 前記マスク・レジスタの内容を変更する手段を有し、前
   記マスク手段の出力にしたがって例外を発生させる例外
   発生手段とを備え、 前記メモリに、 カレントのタスク識別子を保持する手段と、 切替前のタスク識別子を保持する手段とを含むことを特
   徴とするマイクロプロセッサ。