JPH08221271A - パイプラインプロセッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特に簡単な構造を有する、遅延の補償を可能
にするパイプラインプロセッサを提供する。 【解決手段】 この発明は、演算子にそれぞれ割り当て
られたステップを通して初期の状態から実行可能な状態
へ、実行すべき各命令を展開させるためのいくつかの演
算子を含むパイプラインプロセッサに関する。これは、
展開の第１のステップで第１の演算子によって与えられ
る命令を受けるロケーションを有するメモリテーブルを
含み、ほかの演算子はテーブルに接続されてそのロケー
ション内でテーブルの各命令を展開させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は、実行すべき各命令を符号化
された状態から実行された状態へ展開させるためのいく
つかの演算子を含むプロセッサであって、演算子が展開
の連続した状態でそれぞれの命令を同時に処理する、パ
イプラインプロセッサに関する。

【０００２】

【関連技術の検討】従来のパイプラインプロセッサは一
連の演算子を含み、その各々１つには、展開のある点で
命令を記憶するためのレジスタが先行する。通常は、各
クロックサイクルごとに、レジスタにおいて処理される
命令が次の演算子に与えられ、同時に、前の演算子は処
理されるべき次の命令をレジスタに与える。しかしなが
ら、まだ利用できない結果を演算子が必要とする場合な
どに、演算子は命令を処理するのに１サイクル以上かか
ることもある。このような状況では、パイプラインプロ
セッサはブロックされ、遅延が補償できない。

【０００３】１９９２年１月刊行の「ＩＥＥＥジャーナ
ル オブ ソリッドステートサーキット」（the IEEE J
ournal of Solid-State Circuits）第２７巻第１号の記
事「試験的なシングルチップデータフローＣＰＵ」
（“An Experimental Single-Chip Data Flow CPU ”）
は、遅延の補償を可能にする試験的なパイプラインプロ
セッサを開示する。これは特に、異なった型の命令に割
り当てられ、命令を同時に実行できるいくつかの実行ユ
ニットを実行演算子である最後の演算子に設けることに
よって達成できる。各実行演算子に対して、命令はそれ
ぞれのバッファメモリで待機する。待機命令は順番が来
ていなくても可能な限り早く実行され、プロセッサに到
着したのとは異なる順序で命令が実行される。

【０００４】この試験的なプロセッサは非常に効率的で
あるが、この効率を達成するのは非常に複雑であり、か
つエネルギを消費する。さらに、プロセッサの割込の管
理は難問である。実際に、命令が順に実行されないの
で、割込が起こったときにマイクロプロセッサの正確な
状態を判断するのは不可能とは言わないまでも困難であ
る。実際には、プロセッサの状態を定期的にセーブし、
割込が起こると、プロセッサの状態が前回に状態がセー
ブされたときのものとほぼ同じであると考える「不的確
な割込」機構が用いられる。

【０００５】

【発明の概要】この発明の目的は、特に簡単な構造を有
する、遅延の補償を可能にするイプラインプロセッサを
提供することである。

【０００６】この発明の別の目的は、正確な割込機構を
有するこのようなプロセッサを提供することである。

【０００７】これらの目的および他の目的を達成するた
めに、この発明は、演算子にそれぞれ割り当てられたス
テップを通して初期の状態から実行可能な状態へ、実行
すべき各命令を展開させるためのいくつかの演算子を含
み、メモリテーブルを含み、展開の第１のステップで第
１の演算子によって与えられる命令を受けるロケーショ
ンを有し、ほかの演算子はテーブルに接続されて、その
ロケーション内でテーブルの各命令を展開させる、パイ
プラインプロセッサを提供する。

【０００８】この発明の実施例に従うと、各ロケーショ
ンは、各演算子がそのロケーションの命令を処理した後
に更新して、命令を処理できることを次の演算子に示す
命令状態フィールドを含み、最後の演算子は、ボイド状
態でフィールドを更新してロケーションが新しい命令を
自由に受けられることを最初の演算子に示す。

【０００９】この発明の実施例に従うと、各演算子はロ
ケーションの状態フィールドを検査し、前記フィールド
が演算子に対応する状態を示すと、ロケーションの命令
を処理し、次のロケーションの状態フィールドを検査す
る。

【００１０】この発明の実施例に従うと、テーブルは各
演算子に対して別個のアクセスを有する多重アクセスメ
モリである。

【００１１】この発明の実施例に従うと、演算子は、メ
モリから読出し、かつデコードするためのユニット、作
業レジスタで取出されたオペランドを割り当てるための
ユニット、および少なくとも１つの実行ユニットを連続
して含む。

【００１２】この発明の実施例に従うと、各作業レジス
タはーキングフィールドを有し、あるテーブルロケーシ
ョンで見出される命令が、マレジスタに記憶されるべき
結果を与えると、オペランド割当ユニットがこのマーキ
ングフィールドにこのロケーションの番号をマークし、
実行ユニットはロケーション番号のついた結果を与え、
この番号で前記結果が記憶されるべきであるレジスタが
識別される。

【００１３】この発明の実施例に従うと、レジスタはマ
ーキングフィールドの内容によってアドレスされる内容
アクセスメモリを構成する。

【００１４】この発明の実施例に従うと、実行ユニット
は作業レジスタに結果を与えると作業レジスタのマーキ
ングを削除するので、マーキングがあるか否かでオペラ
ンド割当ユニットにレジスタの内容が有効であるかどう
かを伝える。

【００１５】この発明の実施例に従うと、実行ユニット
はあるテーブルロケーションに見られる命令を実行する
間、そのロケーションの状態フィールドを待機状態に設
定し、実行が終わるとボイド状態に設定する。

【００１６】この発明についての上述の目的、他の目
的、特徴および利点は、添付の図面と関連して非限定的
な好ましい実施例の次の説明において詳細に表わされ
る。

【００１７】

【詳細な説明】図１を参照すると、この発明に従うプロ
セッサは、たとえば３つのパイプライン処理演算子を含
む。演算子１０は、メモリ１２内の連続した命令を取出
し、それらをデコードするユニットである。実際には、
命令はしばしば、スペースを節約するために圧縮された
形状でメモリに記憶される。ユニット１０によってデコ
ードされる命令は一般に、行なわれるべきオペレーショ
ンの型を識別するオペレーションコードと、作業レジス
タ１４に対応する２つのオペランド識別子と、オペレー
ションの結果のための格納先（作業レジスタ、またはメ
モリ１２のアドレス）とを含む。

【００１８】第２の演算子はオペランド割当ユニット１
６である。このユニット１６は、作業レジスタの識別子
をこれのレジスタに含まれる値（オペランド）と置換え
るために用いられる。

【００１９】第３の演算子は実行ユニット１８である。
これは各命令を実行可能な形状（オペレーションコード
およびオペランド）で受け、それを直接実行するか、ま
たは、必要であればそれを、複雑な命令を処理すること
を目的とする特殊実行ユニット２０での実行のために送
る。たとえば、ユニット１８はメモリ１２へのアクセス
命令を実行して前記メモリおよびレジスタ１４の間のデ
ータを交換し、ユニット２０は算術演算または論理演算
を実行する。

【００２０】この発明に従うと、演算子は、処理される
一連の命令をそのロケーションに記憶するテーブル２２
と接続される。テーブル２２における各命令はロケーシ
ョンに割当られ、連続した演算子がそれを次々と変更し
て、最後の演算子（実行ユニット１８または２０）によ
って利用可能な状態へ命令を展開させる間、そのロケー
ションに留まる。

【００２１】テーブル２２におけるロケーションには、
図１の０からｎまでそれぞれの番号（アドレス）が割り
当てられる。各ロケーションはオペレーションフィール
ドと、２つのオペランドフィールドと、格納先フィール
ドと、ロケーションにおける命令が展開のどのステップ
にあるかを示す状態フィールドとを含む。

【００２２】テーブル２２はあらゆる演算子が同時にア
クセスできるメモリである。多重アクセスメモリ２２を
用いることは、この場合では複雑な取扱いプロセスを含
まない。これは演算子が同じデータを決して同時にはア
クセスしないからである。その上、演算子はロケーショ
ンの部分にアクセスするだけなので、これが物理アクセ
スラインの数を減少する。

【００２３】最初は、あらゆる演算子が第１のボイドロ
ケーション、たとえばロケーション０に、それぞれのア
ドレスバスに番号０を与えることでアクセスするように
なっている。演算子の各々は選択されたロケーション０
の状態フィールドを受けて分析する。

【００２４】ロケーションの状態は「ボイド」であり、
これがデコードユニット１０を活性化する。このデコー
ドユニットはメモリ１２から、命令ポインタｉｐｔｒに
よって示される命令を読出す。ユニット１０は命令をデ
コードし、ロケーション０の第１のフィールドにオペレ
ーションコードを与え、必要であれば、１つまたは２つ
のレジスタ識別子と格納先とを与える。演算子１０はロ
ケーション０の「ボイド」状態を「デコード」状態と置
換える。

【００２５】次のクロックサイクルでは、演算子１０は
ロケーション１を選択して、状態フィールドを分析し、
状態が「ボイド」であるならば、上述のオペレーション
を再開する。

【００２６】ロケーション０の「デコード」状態はオペ
ランド割当ユニット１６を活性化する。ロケーション０
のオペランドフィールドがレジスタ識別子を含むなら
ば、この識別子は演算子１６に伝送され、演算子１６
は、対応するレジスタに含まれる値（オペランド）を取
り出し、それをレジスタ識別子があったロケーション０
のオペランドフィールドに書込む。演算子１６はロケー
ション０の「デコード」状態を「オペランド取出し」状
態と置換える。

【００２７】次のサイクルでは、演算子１６はロケーシ
ョン１を選択して、その状態フィールドを分析し、フィ
ールドが「デコード」状態にあれば、上述されたオペレ
ーションを再開する。

【００２８】ロケーション０の「オペランド取出し」状
態は、実行ユニット１８を活性化し、実行ユニット１８
はオペレーションコードおよびオペランドを読出して対
応する命令を実行するか、または、命令が複雑であれ
ば、それを特殊実行ユニット２０に送る。

【００２９】次の命令サイクルでは、実行ユニット１８
はロケーション１を選択し、その状態フィールドを分析
する。状態が「オペランド取出し」であれば、命令は上
述されたように処理される。

【００３０】ユニット１８または２０が命令を実行し始
めるとき、対応するロケーションの状態には「ボイド」
が割り当てられ得る。しかしながら、命令を実行するこ
とで割込が生ずるならば、命令は簡単には位置を突き止
められない。

【００３１】好ましくは、割込を起こした命令のロケー
ションを割り出すために、演算子１８は実行される命令
に対応するロケーションを「待機」状態に設定する。こ
の「待機」状態は、命令の実行が成功に終わるとすぐに
「ボイド」状態と置換えられる。命令を実行することで
割込が生じると、この命令は「待機」状態にあるロケー
ションによって簡単に識別される。

【００３２】とにかく、割込に対処することは簡単であ
り、これは命令がプロセッサへ到着する順序で実行され
るからである。

【００３３】演算子はテーブル２２で循環的に作用す
る。すなわち、演算子はテーブルの最後のロケーション
を処理すると、最初のロケーションを選択する。

【００３４】実施例に従うと、対応する作業レジスタ１
４に命令結果を与える特定の機構が用いられる。オペラ
ンド割当ユニット１６が活性化しているときで、かつロ
ケーションの格納先フィールドがレジスタ識別子を含む
ならば、このレジスタにはロケーション番号がマークさ
れる。したがって、レジスタ１４はマーキングフィール
ドを有し、このマーキングフィールドの内容を介してア
クセス可能である。ユニット１８または２０がレジスタ
１４に命令の結果を与えるとき、このユニットは対応す
るロケーション番号をも与え、こうしてマーキングフィ
ールドがこの番号を含むレジスタを選択する。この機構
は、レジスタ１４に結果を書込むのに特に簡単であるこ
とがわかる。

【００３５】さらに、オペランド割当ユニット１６がレ
ジスタ１４の値を取出すとき、この値は更新されている
べきである。更新されていない値を取出すのを回避する
ために、演算子１８または２０によって結果が発生する
とすぐに、それが記憶されているレジスタは「有効」状
態でマークされる。こうして、演算子１６はレジスタの
マークを点検し、値を取出す前にそれが「有効」になる
のを待つ。上述の機構で、「有効」マークはロケーショ
ン番号マークがないだけである。

【００３６】この発明に従うプロセッサが遅延の補償を
いかに可能にしているかを例示するのに用いられる図２
は、一連の命令の例を処理する間にテーブル２２の内容
を展開するいくつかのステップを示す。ステップはａ）
からｈ）まで番号を付けられ、連続的なクロックサイク
ルに対応する。テーブルの内容の隣には、３つの作業レ
ジスタＲ１からＲ３までに対応する内容が示されてい
る。

【００３７】サイクルａ）において、ロケーション０は
デコードユニット１０から、レジスタＲ１およびＲ２の
内容を乗算し、結果をレジスタＲ３にロードする命令を
受ける。ロケーション０は「デコード」状態にあり、ほ
かのロケーションは「ボイド」状態にある。レジスタＲ
１からＲ３はそれぞれ値Ａ、ＢおよびＣを含む。

【００３８】サイクルｂ）において、オペランド割当ユ
ニット１６はロケーション０で、レジスタ識別子Ｒ１お
よびＲ２をこれらのレジスタに含まれる値ＡおよびＢと
置換する。ロケーション０は「オペランド取出し」状態
に設定され、ロケーションの番号０は、乗算の結果を受
ける格納先レジスタＲ３をマークする。

【００３９】同時に、ロケーション１はデコードユニッ
ト１０から、レジスタＲ１およびＲ３の内容を加算し、
結果をレジスタＲ１にロードする命令を受ける。ロケー
ション１は「デコード」状態に設定される。

【００４０】サイクルｃ）において、ロケーション０の
命令（ＡおよびＢを乗算する）はユニット１８を介して
実行ユニット２０へ伝送され、ロケーション０は「待
機」状態に設定される。乗算は相対的に複雑であるの
で、たとえば２サイクルかかる。したがって、サイクル
ｃ）において、格納先レジスタＲ３の内容は変更されな
い。

【００４１】サイクルｂ）においてデコードされている
ロケーション１の加算命令は、オペランドのうちの１つ
がまだ更新されていないレジスタＲ３の値であるために
オペランド割当ユニット１６によってまだ処理できず、
これは、レジスタＲ３が（番号０で）マークされている
事実によって示される。

【００４２】デコードユニット１０はロケーション２
に、レジスタＲ１およびＲ２の内容を加算し、結果をレ
ジスタＲ１にロードする命令を与える。ロケーション２
は「デコード」状態に置かれる。

【００４３】サイクルｄ）において、実行ユニット２０
はロケーション０の乗算の結果をレジスタＲ３に与え
る。レジスタＲ３のマーキング０は削除され、レジスタ
Ｒ３の内容が有効であることをオペランド割当ユニット
１６に示す。こうして、ロケーション１におけるレジス
タＲ１およびＲ３の識別子は、対応する値ＡおよびＡＢ
によって直ちに置換えられる。ロケーション１は「オペ
ランド取出し」状態に設定され、レジスタＲ１は番号１
でマークされて、このレジスタがロケーション１の加算
の結果を受けることを示す。

【００４４】ロケーション２の命令はサイクルｃ）での
状態に対して変更されないが、これは、レジスタＲ１に
含まれ、まだ有効ではないオペランドを必要とするから
である。

【００４５】デコードユニット１０はロケーション３
に、レジスタＲ１の内容をアドレスａｄ１に転送する命
令を与える。ロケーション３は「デコード」状態に設定
される。

【００４６】サイクルｅ）において、ロケーション０の
乗算が終了したので、このロケーションは実行ユニット
２０によって「ボイド」状態に設定される。

【００４７】テーブル２２のロケーションは循環的に用
いられ、原則として、デコードユニット１０はロケーシ
ョン０に新しい命令を直ちに書込む。しかしながら、次
の命令をデコードするにはさらなるサイクルがかかるこ
とがここで想定されるので、サイクルｅ）においてロケ
ーション０には命令が書込まれない。

【００４８】ロケーション１の加算命令は実行ユニット
２０に送られる。このロケーション１は「待機」状態に
設定される。結果Ａ＋ＡＢはレジスタＲ１に書込まれ、
レジスタのマーキング１が削除される。

【００４９】ロケーション２において、レジスタＲ１お
よびＲ２の識別子は、レジスタの有効な内容Ａ＋ＡＢお
よびＢによって置換えられる。ロケーション２は「オペ
ランド取出し」状態に設定され、レジスタＲ１は番号２
でマークされる。これは、このレジスタＲ１がロケーシ
ョン２の加算の結果を受けるからである。

【００５０】ロケーション３の転送命令はサイクルｄ）
での状態に対して変更されないが、これは、レジスタＲ
１に含まれ、まだ有効ではない（これはマークされてい
るレジスタＲ１によって示される）オペランドを必要と
するからである。

【００５１】サイクルｆ）において、ロケーション２の
加算は実行ユニット２０に送られ、実行ユニットは結果
Ａ＋ＡＢ＋ＢをレジスタＲ１に書込む。レジスタのマー
キング２は削除される。したがって、ロケーション３の
書込命令によって必要とされるオペランドは利用可能に
なり、オペランド割当ユニット１６によってロケーショ
ン３に与えられる。

【００５２】同時に、デコードユニット１０はロケーシ
ョン０に、アドレスａｄ２の内容をレジスタＲ１に転送
する命令を与える。

【００５３】このサイクルｆ）において、サイクルｃ）
の乗算命令の実行遅延はロケーション０の命令のデコー
ド遅延によって補償される。このように補償されたこと
は、テーブルでのあらゆる命令が展開の異なったステッ
プにあるという事実から確かめることができる。この補
償は、テーブルが、プロセスをブロックすることなしに
同じ展開ステップでいくつかの命令を含むことができる
という事実によって明確に認められる。

【００５４】サイクルｇ）において、ロケーション３の
転送命令は実行ユニット１８に送られる。レジスタＲ１
は番号０でマークされ、これはロケーション０の転送命
令の結果がレジスタＲ１にロードされるべきだからであ
る。

【００５５】サイクルｈ）において、ロケーション０の
転送命令は実行ユニット１８に送られ、この実行ユニッ
トはメモリの値Ｄを取出し、それをレジスタＲ１に書込
む。レジスタのマーキング０は削除される。

【００５６】飛越し命令はデコードユニット１０によっ
て処理され、テーブル２２へは入力されない。飛越し命
令の処理が含むのは、実行されるべき次の命令を示すよ
うに命令ポインタｉｐｔｒを変更することだけである。
この変更は少なくとも１クロックサイクルかかる。すな
わち、これが、デコードされ、かつテーブルへ入力され
る前に命令が１サイクルだけ遅延し得る理由の１つであ
る。飛越し命令による遅延は実際、図２の例に示される
ように、オペランドを割り当てる際または実行する際に
うまく遅延を補償することを可能にする偽遅延である。

【００５７】テーブル２２におけるロケーションの数は
命令処理ステップの数と等しいように選択され、補償さ
れるべきである遅延サイクルの数だけ増加する。

【００５８】この発明は３ステップのパイプラインプロ
セッサに関して記述されているが、ステップの数はいく
らであってもよい。

【００５９】もちろん、この発明には当業者には容易に
想起されるようなさまざまな変化、変更および改良が可
能である。このような変化、変更および改良はこの開示
の一部であると意図され、この発明の精神および範囲内
にあると意図される。したがって、上述の記述は例とし
てのみなされたものであって、限定を加えるようには意
図されない。この発明は前掲の特許請求の範囲およびそ
の均等物において規定されるとおりにのみ限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従うパイプラインプロセッサの実施
例を概略的および部分的に示す図である。

【図２】この発明に従うプロセッサによる、一連の命令
の処理を例によって示す図である。

【符号の説明】

１０ デコードユニット １２ メモリ １４ 作業レジスタ １６ オペランド割当ユニット １８ 実行ユニット ２０ 特殊実行ユニット ２２ メモリテーブル

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 演算子にそれぞれ割り当てられたステッ
   プを通して初期の状態から実行可能な状態へ、実行すべ
   き各命令を展開させるためのいくつかの演算子（１０、
   １６、１８）を含み、展開の第１のステップで第１の演
   算子（１０）によって与えられる命令を受けるロケーシ
   ョンを有するメモリテーブル（２２）を含み、ほかの演
   算子は接続されて、そのロケーション内でテーブルの各
   命令を展開させる、パイプラインプロセッサ。
2. 【請求項２】 各ロケーションは、ロケーションの命令
   を処理した後に各演算子が更新して、命令を処理できる
   ことを次の演算子に示す命令状態フィールドを含み、最
   後の演算子は、ロケーションが新しい命令を自由に受け
   られることを最初の演算子に示すボイド状態でフィール
   ドを更新する、請求項１に記載のプロセッサ。
3. 【請求項３】 各演算子はロケーションの状態フィール
   ドを検査し、前記フィールドが演算子に対応する状態を
   示すと、ロケーションの命令を処理し、次のロケーショ
   ンの状態フィールドを検査する、請求項２に記載のプロ
   セッサ。
4. 【請求項４】 テーブル（２２）は各演算子に対して別
   個のアクセスを有する多重アクセスメモリである、請求
   項１に記載のプロセッサ。
5. 【請求項５】 演算子は、メモリ（１２）において読出
   し、かつデコードするためのユニット（１０）、作業レ
   ジスタ（１４）に取出されたオペランドを割り当てるた
   めのユニット（１６）、および少なくとも１つの実行ユ
   ニット（１８、２０）を連続して含む、請求項２に記載
   のプロセッサ。
6. 【請求項６】 各作業レジスタは、テーブルロケーショ
   ンに見出される命令が、レジスタに記憶されるべき結果
   を与えると、オペランド割当ユニットが前記ロケーショ
   ンの番号をマークするマーキングフィールドを有し、実
   行ユニット（１８、２０）は結果に、前記結果が記憶さ
   れるべきであるレジスタを識別するロケーション番号を
   与える、請求項５に記載のプロセッサ。
7. 【請求項７】 レジスタはマーキングフィールドの内容
   によってアドレスされる内容アクセスメモリを形成す
   る、請求項６のに記載のプロセッサ。
8. 【請求項８】 実行ユニット（１８、２０）は作業レジ
   スタに結果を与えると作業レジスタのマーキングを削除
   するので、マーキングの存在または不在がオペランド割
   当ユニット（１６）にレジスタの内容が有効であるかど
   うかを示す、請求項６に記載のプロセッサ。
9. 【請求項９】 実行ユニット（１８、２０）はテーブル
   ロケーションに見出される命令を実行する間、ロケーシ
   ョンの状態フィールドを待機状態に設定し、実行が終わ
   るとボイド状態に設定する、請求項６に記載のプロセッ
   サ。