JPH07262009A - パイプライン処理コンピュータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パイプライン処理コンピュータ装置に関し，
少ないレジスタで効率的にレジスタリネーミングを行う
ことを目的とする。 【構成】 整数レジスタ(1) もしくは該浮動小数点レジ
スタ(2) の替わりに使用する代替レジスタ(3) と，リネ
ーミングテーブル(4) を備え，整数レジスタ(1)もしく
は浮動小数点レジスタ(2) に書き込みをできない場合
に，リネーミングを行い，代替レジスタ(3) に書き込み
を行うパイプライン処理装置において，代替レジスタ
(3) に書き込むデータが整数データであるか浮動小数点
データであるかを識別するフラグを保持するフラグ保持
部(5) を備え，代替レジスタ(3) は整数データと浮動小
数点データを共用し，フラグ保持部(5) に保持されたフ
ラグにより代替レジスタ(3) に保持されたデータが整数
データであるか浮動小数点データであるか区別する構成
をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，パイプライン処理コン
ピュータ装置に関する。パイプライン処理は，複数の処
理を開始点を少しずつ（１クロックずつ）ずらしてオー
バラップして実行する技術である。これにより理想的に
は１クロックサイクル当たりに１命令を実行することが
可能になる。しかし，実際には，そのような理想的命令
実行を妨げる要因（ハザード）がある。ハザードには構
造ハザード（ハードウェア資源が限られていることによ
り生じる），制御ハザード（ある命令の実行がパイプラ
イン内の先行分岐命令に制御依存している場合に生じ
る），データハザード（ある命令の実行がパイプライン
内の先行分岐命令に依存している場合に生じる）の３種
類がある。これらのハザードのうち，データハザードは
レジスタ名を動的に変更するレジスタリネーミングを行
うことにより解消することができる。

【０００２】本発明は，少ないハードウェアによりリネ
ーミングを行うことのできるパイプライン処理コンピュ
ータ装置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】図５によりレジスタリネーミングにより
データハザードを解消する方法について，命令列の例を
用いて説明する。

【０００４】図５は本発明のレジスタリネーミングによ
りデータハザートを解消する方法の説明図である。図５
において，１００は命令ｉであって，レジスタ番号ｒに
データを書き込む命令である。

【０００５】１０１は命令ｉ＋１であって，書き込まれ
たレジスタ番号ｒのデータを使用する命令である。１０
２は命令ｉ＋２であって，レジスタ番号ｒにデータを書
き込む命令である。

【０００６】命令ｉ，命令ｉ＋１，命令ｉ＋２は命令列
である。１０５はレジスタ番号ｒである。１０６はレジ
スタ番号ｒ’である。

【０００７】１０７はリネーミングテーブルである。命
令ｉ＋１は命令ｉがレジスタｒにデータを書き込むまで
は実行できない（フロー依存）。また，命令ｉ＋２は命
令ｉ＋１がレジスタｒを読み込む前に書き込むことがで
きない（逆依存）。さらに，命令ｉ＋２は命令ｉがレジ
スタ番号ｒに書き込む前に書き込むこともできない（出
力依存）。

【０００８】このような場合に，命令ｉ＋２のレジスタ
番号ｒをリネーミングして書き込み先のレジスタをレジ
スタ番号ｒからレジスタ番号ｒ’に変更する。そして，
レジスタ番号ｒ’にデータを書き込み，リネーミングテ
ーブル１０７にレジスタ番号ｒからレジスタ番号ｒ’に
レジスタ番号を変更して書き込んだことを記録する。

【０００９】このようにレジスタ番号をリネーミングす
ることによりデータ依存によるハザードのうち逆依存，
出力依存を解消することができる。図６は従来のパイプ
ライン処理装置の構成を示す。

【００１０】図６において，１４５は整数用装置であっ
て，整数データを処理するための部分である。１４６は
浮動小数点用装置であって，浮動小数点データ用の部分
である。

【００１１】１５０は命令バッファであって，入力され
る命令を保持するものである。１５１はデコーダであっ
て，命令をデコードするものである。１５２はリザベー
ションステーションであって，入力された命令をすぐに
実行できない場合に，一時命令を保持するものである。

【００１２】１６０は整数レジスタであって，整数デー
タを保持するものである。１６１はスコアボードであっ
て，整数レジスタ１６０のデータが書き込まれたレジス
タに対応してフラグをセットするものである。

【００１３】１６２は代替レジスタであって，整数レジ
スタ１６０に書き込めない場合に，替わりにデータを書
き込むレジスタである。１６３はスコアボードであっ
て，代替レジスタ１６２のデータが書き込まれたレジス
タに対応してフラグをセットするものである。

【００１４】１６４はリネーミングテーブルであって，
代替レジスタにデータを書き込む場合に元のレジスタ番
号と対応する代替レジスタ番号を書き込むものである。
１７０は浮動小数点レジスタであって，浮動小数点デー
タを保持するものである。

【００１５】１７１はスコアボードであって，浮動小数
点レジスタ１７０のデータが書き込まれたレジスタに対
応してフラグをセットするものである。１７２は代替レ
ジスタであって，浮動小数点レジスタ１７０にデータを
書き込めない場合に，替わりにデータを書き込むレジス
タである。

【００１６】１７３はスコアボードであって，代替レジ
スタ１７２のデータが書き込まれたレジスタに対応して
フラグをセットするものである。１７４はリネーミング
テーブルであって，代替レジスタにデータを書き込む場
合に元のレジスタ番号と対応する代替レジスタ番号を書
き込むものである。

【００１７】(1) データをレジスタに書き込む場合（整
数用装置に書き込む場合を例として説明する）キャッシ
ュメモリからフェッチされた命令は，命令バッファ１５
０に格納される。そして，リザベーションステーション
１５２のエントリに空きがあればデコーダ１５１でデコ
ードされる。デコーダ１５１でデコードされることによ
り書き込みレジスタ番号が判明する。そこで，信号線
(a)を経由してこの書き込みレジスタの番号に対応する
レジスタ番号のフラグをスコアボード１６１で調べる。
このフラグが立っていることは対等するレジスタに書き
込む命令がパイプライン中に存在することを表す。つま
り，後続の命令はこのレジスタに対してフロー依存，出
力依存があることを示しており，このレジスタに書き込
むことができない。フラグが立っていなければフラグを
立てて書き込み(h) を行い処理を続ける。

【００１８】フラグが立っている場合は，信号線 (b)を
経由してスコアボード１６３を調べる。スコアボード１
６３のフラグが全て立っている場合にはその旨がデコー
ダ１５１に通知され(d) ，デコードを止める。これは，
代替レジスタ１６２にエントリがないことを表している
からである。スコアボード１６３に立っていないフラグ
が存在する場合にはレジスタリネーミングが可能である
ので，まず，スコアボード１６３にフラグを立てる。こ
れにより代替レジスタが使用されていることを示すと同
時に，このレジスタに対してフロー依存，出力依存が存
在することを示す。その後，信号線 (c)を経由してリネ
ーミングテーブル１６４に元のレジスタの番号とリネー
ミング後のレジスタの番号を登録し，その内容が有効で
あることを知らせるビットを立てる。同時に新しいレジ
スタ番号を信号線 (i)を通じてデコーダ１５１に通知す
る。そして，代替レジスタ１６２に書き込みを行う。

【００１９】(2) 命令がオペランドをフェッチするもの
である場合（整数用装置から読み出す場合について説明
する）命令がオペランドをフェッチするものである場合
は，信号線 (e)を通じてリネーミングテーブル１６４を
参照する。そして，リネーミングテーブル１６４にはリ
ネーミングされた元のレジスタ番号とリネーミング後の
レジスタ番号が登録されていて，その内容が有効である
かないかを知らせるビットが立てられているので，その
ビットと元のレジスタ番号により，オペランドをフェッ
チするレジスタがリネーミングされているかどうかを判
定することができる。そして，レジスタがリネーミング
されていれば，信号線 (f)を経由して代替レジスタ１６
２からデータをフェッチする(i) 。リネーミング登録を
されていない場合には信号線 (g)を通じて，整数レジス
タ１６０からデータをフェッチする。

【００２０】整数用装置１４５について説明したが，浮
動小数点用装置１４６においても，同様である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように，パイプ
ライン処理におけるレジスタリネーミングは，書き込み
レジスタを動的に代替レジスタに変更してデータ依存性
のハザードを解消するものであるので，効果的にレジス
タリネーミングを行うためにはより多くの代替レジスタ
を必要とする。

【００２２】本発明は，少ないレジスタで効率的にレジ
スタリネーミングを行うことのできるパイプライン処理
コンピュータ装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】従来のパイプライン装置
において，リネーミング用に使用される代替レジスタ
は，整数レジスタ用，浮動小数点レジスタ用に別々に用
意していた。しかし，実際のプログラムでは，整数レジ
スタ，浮動小数点レジスタのどちらか一方を多く用いる
ことが多く，また，代替レジスタの個数は浮動小数点レ
ジスタのほうが多く必要なことがわかっている。そこ
で，リネーミング用代替レジスタを，特に整数用，浮動
小数点用と分けずに，共用することとし，代替レジスタ
に入っているデータが整数データが浮動小数点データで
あるかは，各代替レジスタにフラグを立てることにより
識別できるようにし，少ない代替レジスタで有効にレジ
スタリネーミングができるようにした。

【００２４】図１は本発明の基本構成を示す。図１にお
いて，１は整数用レジスタである。

【００２５】２は浮動小数点レジスタである。３は代替
レジスタである。４はリネーミングテーブルである。

【００２６】５はフラグ保持部であって，代替レジスタ
３に保持したデータが整数データであるか，浮動小数点
データであるかを識別するためのものである。６はレジ
スタ選択部であって，整数レジスタ１，浮動小数点レジ
スタ２もしくは代替レジスタ３に書き込むかを選択する
ものである。

【００２７】７はデコーダであって，命令をデコードす
るものである。

【００２８】

【作用】図１の基本構成において， １．書き込む場合 (1) 命令がデコーダ７に取り込まれ，デコードされる。

【００２９】(2) ，(3) ，(4) レジスタ選択部６は，
書き込むデータが整数データであって，整数レジスタ１
が書き込み可能であるか判定し，書き込み可能であれば
整数レジスタ１にデータを書き込む。浮動小数点データ
であれば浮動小数点レジスタが書き込み可能であるか判
定し，書き込み可能であれば浮動小数点レジスタ２に書
き込む。

【００３０】(5) ，(6) 整数データの場合であって，
整数レジスタ１が書き込み可能でない場合および浮動小
数点データの場合であって，浮動小数点レジスタ２が書
き込み可能でない場合には，レジスタ選択部６は代替レ
ジスタ３を選択する。そして，元のレジスタの番号ｒに
対応づけて変更後のレジスタ番号ｒ’をリネーミングテ
ーブル４に書き込み，データが整数データであればフラ
グ保持部５のフラグを，例えば１とし，浮動小数点デー
タであれば，例えば０とする。

【００３１】(7) 代替レジスタ３にデータを書き込
む。 ２． 命令がレジスタからオペランドをフェッチするも
のである場合 (11) 命令がデコーダ７に取り込まれ，デコードされ
る。

【００３２】(12)，(13) レジスタ選択部６は，リネー
ミングテーブル４を参照し，レジスタ番号がリネーミン
グされているか判定する。 (14)，(15) (16) リネーミングされていてかつ，リネ
ーミングが有効であれば，代替レジスタ３からデータを
取り出す。そして，フラグ保持部５に保持されているフ
ラグにより，代替レジスタ３から取り出したデータが整
数データであるか，小数データであるかを判定し，デー
タ処理をする。

【００３３】(17)，(18)，(19)，(20) リネーミング
されていない場合には，指定されたレジスタ（整数レジ
スタもしくは浮動小数点レジスタ）からそれぞれのデー
タを取り出す。

【００３４】図２は本発明の実施例構成を示す。図２に
おいて，５０は命令バッファである。

【００３５】５１はデコーダである。５１’はフラグ生
成部であって，整数命令の場合に「０」を出力し，浮動
小数点データの場合に「１」を出力するものである。

【００３６】５２はリザベーションステーションであ
る。５３はセレクタである。６０は整数レジスタであっ
て，整数データを保持するものである。

【００３７】６１は整数レジスタ６０のスコアボードで
ある。６２は浮動小数点レジスタであって，浮動小数点
データを保持するものである。

【００３８】６３はスコアホードであって，浮動小数点
レジスタのスコアボードである。６４は代替レジスタで
ある。６５はスコアボードである。

【００３９】６６はリネーミングテーブルである。７０
はフラグ保持部であって，代替レジスタ６４に保持する
データが整数データの場合「１」，浮動小数点データの
場合「０」を保持するものである。

【００４０】図２の構成の動作は後述する。図３は本発
明の命令データの構成とフラグ生成部の構成の例を示
す。図３ (a)は，命令データの構成例であって，３２ビ
ット命令である。

【００４１】Ａは制御命令の識別部である。ｒｄはデス
ティネーションレジスタ（書き込みレジスタ）のレジス
タ番号である。

【００４２】ｏｐ３は浮動小数点命令等の命令の種類を
表すものである。ｒｓ１はソースレジスタ１（読み込み
元）のレジスタ番号である。ｏｐｆは命令の種類であっ
て，詳細に命令の種類を指定するものである。

【００４３】ｒｓ２はソースレジスタ２（読み込み元）
のレジスタ番号である。以上の構成において，ｏｐ３が
「１１０１０１」もしくは「１１０１００」の時，命令
が浮動小数点命令であることから，扱うデータが浮動小
数点であることを判定することができる。

【００４４】図３ (b)はフラグ生成部の構成を示し，フ
ラグ保持部に保持するフラグを生成するものである。ｏ
ｐ３コードを入力し，ｏｐ３コードが「１１０１０１」
もしくは「１１０１００」の時，浮動小数点データであ
ることを示す「０」を出力し，それ以外では整数データ
であることを示す「１」を出力する。

【００４５】図４は本発明のデータの種類の判別方法を
示す。図４において，５３はセレクタであって，Ｐはフ
ラグ保持部７０からの信号線，Ｑはリネーミクグテーブ
ル６６からの信号線，Ａは整数レジスタ６０への信号
線，Ｂは浮動小数点レジスタ６２への信号線，Ｃは代替
レジスタへの信号線である。

【００４６】６０は整数レジスタである。６２は浮動小
数点レジスタである。６４は代替レジスタである。

【００４７】６６はリネーミングテーブルである。７０
はフラグ保持部である。８０はセレクタの入出力論理表
である。

【００４８】図４の構成において，代替レジスタ６４に
保持するデータ，リネーミングテーブル６６のリネーミ
ングデータ，フラグ保持部７０のフラグは格納位置が対
応付けられていて（例えば，格納位置の最上位からの位
置を同じにする等），フラグ保持部７０の対応するフラ
グ位置の内容から代替レジスタ６４のデータの種類を判
定する。

【００４９】代替レジスタ６４に書き込みをする場合
は，リネーミングテーブル６６にリネーミング情報を書
き込み，リネーミング信号を１として代替レジスタ６４
にデータを書き込む。また，そのとき整数データであれ
ば，デコーダのフラグ生成部（図示せず）の信号１をフ
ラグ保持部７０に保持する。また，浮動小数点データで
あれば，フラグ保持部７０に０を保持する。

【００５０】整数レジスタ６０，浮動小数点レジスタ６
２もしくは代替レジスタ６４からデータを読み出す場合
は，セレクタ５３はセレクタの入出力論理表８０の論理
に従った動作をする。

【００５１】リネーミングされていない場合は，リネー
ミングテーブル６６はリネーミング信号０を出力する。
そのとき，セレクタ５３の実行線Ｐにデコーダのフラグ
生成部で生成されたフラグ信号がフラグ保持部７０を通
過して入力される。その時，セレクタ５３は信号線Ｐが
１（整数データであってフラグ信号が１の場合）のとき
出力線Ａに１，出力線Ｂに０を出力する。そして，整数
レジスタ６０からデータが読み出される。また，浮動小
数点の場合は，信号線Ｐが０であって，信号線Ａは０，
信号線Ｂは１を出力する。そして，浮動小数点レジスタ
６２からデータが読み出される。

【００５２】図２の構成の動作を説明する。 １．レジスタにデータを書き込む場合 (1) ，(2) デコーダ５１は命令バッファ５０に保持さ
れた命令をデコードする。命令をすぐに実行できなけれ
ば命令を一時リザベーションステーション５２に格納す
る。

【００５３】(3) ，(4) 整数データ命令であれば，整
数レジスタ６０のスコアボード６１のフラグを判定し，
浮動小数点命令であれば浮動小数点レジスタ６２のスコ
アボード６３のフラグを判定する。その結果，書き込み
可能であることを判定したら整数レジスタ６０もしくは
浮動小数点レジスタ６２にデータを書き込む。

【００５４】(5) ，(6) 整数データ命令の場合におい
て整数レジスタ６０に書き込みできない場合もしくは，
浮動小数点命令において，浮動小数点レジスタ６２に書
き込みできない場合には，もしくは代替レジスタ６４の
スコアボード６５のフラグを調べる。フラグが全て立て
られているのでなければ，代替レジスタ６４が使用でき
る状態にあるので，リネーミングし，全てのフラグが立
てられているのであれば，代替レジスタ６４を使用でき
ないので処理を一時中断する。

【００５５】(7) ，(8) ，(9) 代替レジスタ６４を
使用できれば，元のレジスタ番号と変更したレジスタ番
号をリネーミングテーブル６６に書き込み，代替レジス
タ６４にデータを書き込む。そのとき，フラグ保持部７
０に浮動小数点データであれば「０」，整数データであ
れば「１」を書き込む。 ２． オプランドをフェッチする場合 (11)，(12) デコーダ５１は命令バッファ５０に保持さ
れた命令をデコードする。命令をすぐに実行できなけれ
ば命令を一時リザベーションステーション５２に格納す
る。

【００５６】(13)，(14)，(15) リネーミングテーブル
６６を調べる。レジスタ番号がリネーミングされていれ
ば，リネーミング信号１を出力し（図４参照），レジス
タ番号の代替レジスタ６４からデータを取り出す。その
とき，フラグ保持部７０のフラグを参照してデータの種
類を判定する。

【００５７】(16)，(17) リネーミングされていなけれ
ば，リネーミングテーブル６６はリネーミング信号０を
出力し，セレクタ５３はフラグ生成部５１’で生成され
たフラグ信号に応じて整数レジスタ６０もしくは浮動小
数点レジスタ６２を選択する信号を出力する。そして，
選択した側のレジスタからデータを取り出す。

【００５８】本実施例の装置構成と従来の装置構成とで
ハードウェエア量を比較する。従来の装置構成の場合，
リネーミングに必要なハードウェア数の概算は，代替整
数レジスタを１６本，代替浮動小数点レジスタを６４本
とした場合に，それぞれに対応するスコアボード，整数
用リネーミングテーブルに１６エントリ，浮動小数点用
リネーミングテーブルに６４エントリが必要になる。

【００５９】本実施例の場合には，代替レジスタは６４
本で充分であり，それに対応するスコアボード，リネー
ミングテーブル，フラグ保持部だけで良い。従って，従
来の構成と比較すると整数用の代替レジスタ，スコアボ
ード，リネーミングテーブルを大幅に省略することがで
きる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば，パイプライン処理にお
けるリネーミングを少ないハードウェアにより行うこと
ができる。そのため，装置のコストパフォーマンスを向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す図である。

【図２】本発明の実施例構成を示す図である。

【図３】命令データの構成とフラグ生成部の構成を示す
図である。

【図４】本発明のデータの種類の判別方法を示す図であ
る。

【図５】レジスタリネーミングによりデータハザードを
解消する方法の説明図である。

【図６】従来のパイプライン処理装置の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１：整数レジスタ ２：浮動小数点レジスタ ３：代替レジスタ ４：リネーミングテーブル ５：フラグ保持部 ６：レジスタ選択部 ７：デコーダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 整数データを保持する整数レジスタ(1)
   と，浮動小数点データを保持する浮動小数点レジスタ
   (2) と，該整数レジスタ(1) もしくは該浮動小数点レジ
   スタ(2) の替わりに使用する代替レジスタ(3) と，代替
   レジスタ(3) に書き込みを行う場合に書き込みを行う代
   替レジスタ(3) の番号と元のレジスタ番号を対応付けて
   保持するリネーミングテーブル(4) を備え，整数レジス
   タ(1) もしくは浮動小数点レジスタ(2) に書き込みをで
   きない場合に，元のレジスタ番号を代替レジスタ(3) の
   番号に変更するリネーミングを行い，代替レジスタ(3)
   に書き込みを行うパイプライン処理装置において，代替
   レジスタ(3) に書き込むデータが整数データであるか浮
   動小数点データであるかを識別するフラグを保持するフ
   ラグ保持部(5) を備え，代替レジスタ(3) は整数データ
   と浮動小数点データを共用し，フラグ保持部(5) に保持
   されたフラグにより代替レジスタ(3) に保持されたデー
   タが整数データであるか浮動小数点データであるか区別
   することを特徴とするパイプライン処理コンピュータ装
   置。