JPH0950374A

JPH0950374A - 可変長ディレイドスロットパイプライン制御装置

Info

Publication number: JPH0950374A
Application number: JP20351795A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshida; 尊吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】分岐ペナルティの削減に最も有効であるディ
レイドスロットの手法において、ソフトウェアに応じて
ディレイドスロットの数を可変にする。【解決手段】パイプライン処理においてディレイドス
ロット数を可変にする手段を備える。特に、その手段
は、コンパイラの処理によるオブジェクトコードから得
られるディレイドスロット数を格納するディレイドスロ
ット数保持レジスタ１０３０と、その格納手段に格納さ
れたディレイドスロット数と分岐の成立／非成立とに基
づきパイプラインの各ステージ１０１０，・・・, １０
１４に対するアボート信号を生成するアボート信号生成
回路１０２０，・・・, １０２４で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変長ディレイド
スロットパイプライン制御装置に関し、特に、パイプラ
インの段数の増加に伴う分岐ペナルティの削減を効率的
に行う可変長ディレイドスロットパイプライン制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＲＩＳＣ（Riduced Instruction Set Co
mputer）などのパイプラインを用いたプロセッサでは、
低周波数動作で今までのパイプライン段数を減少するこ
とで処理効率を上げるアプローチと、パイプラインを更
に切って段数を増加させて動作周波数を上げたり、ある
いはスーパースカラなどの並列処理で処理効率を上げた
りするアプローチがある。

【０００３】前者は、処理速度の向上を求めるよりも、
対面積，対消費電力などの処理効率に重きをおくものが
殆どであり、後者は処理速度自体に重きをおいている。

【０００４】また、前者は、パイプライン段数が少ない
ため、分岐ペナルティやデータ依存によるハザードが少
ないが、後者は多い。なぜなら、後者は、処理実行のピ
ッチを上げるために多段パイプラインあるいは複数の演
算実行部を持つことで単位時間あたりの処理命令数を増
やす代わり、ある時間における演算実行部内で実行中の
命令数が多くなり、パイプライン段数を増やしたものは
当然ながら、例えばスーパースカラでは同時実行可能命
令数の増加やout-of-order実行を行うための処理を行う
ステージの挿入など分岐ペナルティの増加が避けられな
い。そのため、これらのプロセッサでは分岐ペナルティ
の削減のため、ディレイドスロット命令や、分岐予測，
投棄的実行を行っている。特にディレイドスロット命令
は、分岐の成否に関係なく実行されるものであり、分岐
ペナルティ削減には最も確実な手法である。

【０００５】ここで、ディレイドスロット命令とは、本
来、分岐命令の前に処理すべき命令であって分岐命令自
身との依存関係がない命令を、分岐命令の後に、同分岐
命令の分岐成立／非成立に関わらず実行する命令のこと
である。

【０００６】ディレイドスロット命令について、５段の
パイプラインモデルを例として説明する。次のようなパ
イプラインモデルを考える。Ｉ−ｓｔａｇｅ：命令フェッチＤ−ｓｔａｇｅ：命令デコード／レジスタファイルから
のオペランドフェッチＥ−ｓｔａｇｅ：演算実行／分岐決定Ｍ−ｓｔａｇｅ：メモリアクセスＷ−ｓｔａｇｅ：データライトバック

【０００７】このパイプラインモデルでは、分岐命令が
Ｅステージで分岐確定した場合、分岐命令に続くＤ−ｓ
ｔａｇｅ、Ｉ−ｓｔａｇｅを実行中の後続命令はアボー
ト（破棄）される。そのため、分岐先の命令を実行する
まで、２命令分の無駄を生じる。この無駄を分岐ペナル
ティと呼ぶ。

【０００８】時間軸→ 命令１｜Ｉ｜Ｄ｜Ｅ｜Ｍ｜Ｗ｜分岐命令｜Ｉ｜Ｄ｜Ｅ｜Ｍ｜Ｗ｜｜分岐成立後続命令１｜Ｉ｜Ｄ｜←アボート後続命令２｜Ｉ｜←アボート分岐先命令｜Ｉ｜Ｄ｜Ｅ｜Ｍ｜Ｗ｜

【０００９】ここで、命令１が分岐命令と依存関係がな
い場合を仮定する。依存関係があるとは、例えば命令１
の演算結果を分岐命令の跳び先アドレスに使ったり又は
分岐判定条件に使うなどのように命令１の演算結果を分
岐命令が使用する場合のことをいう。依存関係がない場
合、命令１と分岐命令との実行順番を換えることができ
る。

【００１０】

【００１１】こうすることで、分岐成立時、無駄になる
命令数を１にすることができる。この場合、プロセッサ
の制御系は、分岐命令に続く命令が、本来分岐命令の前
にある命令で、同分岐命令の成立／非成立に関わらず実
行を継続するということを認識して制御を行う。ここ
で、分岐命令の後に、分岐命令の結果に関わらず実行す
るステージをディレイドスロットと呼び、そこに入る命
令をディレイドスロット命令あるいはディレイド命令と
呼ぶ。また、このディレイドスロット命令の数をディレ
イドスロット数と呼ぶ。

【００１２】上述の例では、分岐命令の後ろに回す命令
数を２、すなわちディレイドスロット数を２とすれば、
無駄になる命令数は０となる。

【００１３】ディレイドスロット命令の活用方法には、
その応用として、データ依存関係などの理由でディレイ
ドスロットに入れられる命令数が十分得られない場合に
用いられるスカッシュドブランチがある。これは、分岐
成立時のみディレイドスロット命令を実行するというも
ので、代表的な例ではプログラムにおけるｆｏｒループ
のように、分岐が成立する確率が高い場合は、本来の分
岐先命令をディレイドスロットにおいておき、実際の分
岐先は本来の分岐先命令の次の命令になるようにする。

【００１４】以下のようなｆｏｒループのプログラムに
ついて、スカッシュドブランチの例を示す。 label (1) add r1，r2，r3 r3=r1+r2 (2) sll r4，r1，r4 r4=r4<<r1 (3) addi r5，0 ×1 ，r5 r5=r5+1 (4) bgt r5，r6 label if(r5>r6) goto label (5) nop

【００１５】上記プログラムにスカッシュドブランチの
手法を用いると以下のようになる。 (1) add r1，r2，r3 r3=r1+r2 label (2) sll r4，r1，r4 r4=r4<<r1 (3) addi r5，0 ×1 ，r5 r5=r5+1 (4) bgts r5，r6 label if(r5>r6) goto label (5) add r1，r2，r3 r3=r1+r2

【００１６】この例では(4) が成立した時のみ(5) を実
行し、(2) に分岐する。この時、(5) の実行条件、すな
わち、分岐成立時のみ実行する／分岐非成立時のみ実行
する／成立、非成立に関わらず実行するといった条件
は、分岐命令に付加する場合やディレイドスロットの命
令に付加する場合などの方法がある。

【００１７】また、分岐ペナルティの他の回避の手法と
して、分岐予測がある。これは、現れた分岐命令の分岐
成立の確率をハードウェア的あるいはソフトウェア的に
求め、分岐成立の確率が高い場合は、分岐非成立時の命
令ではなく、分岐先の命令を分岐命令に続けてパイプラ
インに投入するという方法である。

【００１８】ここで、ハード的な分岐予測（動的分岐予
測）の典型的な例を説明する。先ず、一度現れた分岐命
令について、その分岐先のアドレスあるいは分岐先の命
令そのものをＢＴＢ（Branch Target Buffer）に保持し
ておくと共に、実行中すべての分岐命令の分岐履歴をな
んらかの保持手段に保持してその内容から分岐成立／非
成立の確率を求める。そこで、ある分岐命令が現れ、か
つその分岐成立の確率が高い場合はＢＴＢから分岐先の
アドレスあるいは分岐先の命令そのものをパイプライン
に送ることで、分岐命令実行時の分岐ペナルティの減少
を図っている。ここで、確率を求めるアルゴリズムに
は、前の分岐命令の実行結果から求める方法、過去数回
の実行結果から求める方法、分岐命令個別に履歴をとり
確率を求める方法など種々ある。

【００１９】尚、前述のスカッシュドブランチは、一種
のソフトによる分岐予測（静的分岐予測）といえる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
に、近年の処理効率化の一手法として、パイプラインの
段数を増加させて動作クロック周波数を上げる方法があ
る。あるシリーズの計算機に採用されているスーパーパ
イプライニング等の手法がそれにあたる。パイプライン
段数が増加すると処理開始のパイプラインステージから
分岐成立／非成立が確定するステージまでのパイプライ
ン段数が増加し、同時に分岐ペナルティも増加する。

【００２１】ここで、単純に考えれば、分岐ペナルティ
の増加に応じてそれに対応したディレイドスロット数を
設ければそれに対処できることになるが、現在の平均的
なソフトウェアでは、平均分岐命令出現頻度はおよそ４
命令に１命令の割合であり、更に分岐命令以外の３命令
も分岐命令と依存関係があってディレイドスロットに入
れられない命令もあるため、平均的には１〜２命令しか
ディレイドスロットにまわせない。そのため、ディレイ
ドスロットを４〜５としても殆どのディレイドスロット
がＮＯＰ（No OPeration）となってしまう。

【００２２】一方、このことはＯＳなどの制御系につい
てのことであり、データ処理においては十分ディレイド
スロットが埋まる場合もあるが、アプリケーションプロ
グラムのオブジェクトレベルでの互換性も考慮してディ
レイドスロットは少なく設定してある。

【００２３】本発明は上述のような事情から成されたも
のであり、本発明の目的は、分岐ペナルティの削減に最
も有効であるディレイドスロットの手法において、ソフ
トウェアに応じてディレイドスロットの数を可変にする
ことができる可変長ディレイドスロットパイプライン制
御装置を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、パイプライン
の段数の増加に伴う分岐ペナルティの削減を効率的に行
う可変長ディレイドスロットパイプライン制御装置に関
するものであり、本発明の上記目的は、パイプライン処
理においてディレイドスロット数を可変にする手段を備
えることによって達成される。

【００２５】また、前記手段を、コンパイラの処理によ
るオブジェクトコードから得られる前記ディレイドスロ
ット数を格納する格納手段と、その格納手段に格納され
たディレイドスロット数と分岐の成立／非成立とに基づ
きパイプラインの各ステージに対するアボート信号を生
成するアボート信号生成手段で構成する。

【００２６】更に、前記格納手段は、前記コンパイラの
処理により最適に区切られたソフトウェアの区間ごとの
ディレイドスロット数を格納する。

【００２７】そのとき、前記ディレイドスロット数は、
ディレイドスロット数設定命令により前記格納手段に格
納される。

【００２８】更に、前記格納手段は、前記コンパイラの
処理により分岐命令ごとに得られるディレイドスロット
数を格納する。

【００２９】そのとき、前記ディレイドスロット数は、
分岐命令の命令コード内に含まれてそれを読み込むこと
により前記格納手段に格納される。

【００３０】更に、分岐命令の履歴に基づきステージに
分岐先又は非分岐先の命令を与える投棄命令実行開始判
断手段と、各ステージに対応して設けられ、各ステージ
が前記分岐先の命令についての処理を行っているか否か
を示す投棄実行認識情報保持手段とを更に有し、前記ア
ボート信号生成手段は、更に、スカッシュド命令である
か否かの情報、投棄実行であるか否かの情報及び投棄実
行に基づく分岐アドレスと分岐命令に基づく分岐アドレ
スとが一致したか否かの情報に基づき、アボート信号を
生成する。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００３２】図１及び図２は、本発明の可変長ディレイ
ドスロットパイプライン制御装置における実施の一形態
を説明するための図であり、図１は本発明の一形態に係
るパイプライン制御回路であり、図２は本発明の一形態
に係るコンパイラの処理手順を示す図である。

【００３３】先ず、図２を参照して本発明の一形態に係
るコンパイラの処理手順を説明する。コンパイラはソー
スプログラムを使用ハードウェアに適応したオブジェク
トコードに変換するためのプログラムであるが、ここで
は本発明に係る部分のみを説明する。先ず、ソースプロ
グラムのデータ依存グラフを作成し、命令の順序関係に
矛盾が生じないためのテーブルを作成する（Ｓ２００
１）。次に、最適化処理に基づき、ディレイドスロット
数が共通となるプログラムの区間を区分けして確定する
（Ｓ２００２）。簡単な具体例で説明すると、例えば下
に示すような２つのｆｏｒループが書かれているソース
プログラムにおいて、１つ目のｆｏｒループで囲まれた
部分がエリア１、２つ目のｆｏｒループで囲まれた部分
がエリア２として最適な領域として確定されたとする。

【００３４】

【００３５】各エリアごとの最適ディレイドスロット数
は以下のように確定される。先ず、エリア１の区間につ
いて最適化する。そこで、エリア１内に出現する分岐命
令のおのおのについて、ディレイドスロットに移せる命
令数を調べる（Ｓ２００３）。次に、ステップＳ２００
３において得られた命令数の分布に基づいて、評価関数
に従い最適なディレイドスロット数を決定する（Ｓ２０
０４）。このときの評価関数としては、単純なものでは
命令数群の中で最大値を求めるもの、複雑なものでは実
際に実行した上での各分岐命令の分岐確率を求めるも
の、設定したディレイドスロット数に対し、ディレイド
スロットにＮＯＰが入ることによる性能低下やキャッシ
ュ等のリソースの無駄を評価するものなどが考えられ
る。またこのとき、適用するパイプラインについての最
大分岐ペナルティを越えるディレイドスロット数を指定
しても意味がないので、例えば図１に示すパイプライン
制御回路においては最大分岐ペナルティ５を越えるディ
レイドスロット数を規定しない。

【００３６】次に、ステップＳ２００４において決定さ
れたディレイドスロット数に基づいて命令の順序を入れ
換える（Ｓ２００５）。このとき、ディレイドスロット
に移すことのできる命令数がディレイドスロット数に満
たない場合には残りのディレイドスロットにはＮＯＰを
挿入する。一方、ディレイドスロットに移すことのでき
る命令数がディレイドスロット数よりも多い場合には、
ディレイドスロット数分の命令のみ順序を入れ換える。

【００３７】エリア１内の命令であって初めて実行され
る命令の前に、図１におけるディレイドスロット数保持
レジスタ１０３０にディレイドスロット数を設定する命
令を付け加える（Ｓ２００６）。次に、全てのエリアが
終了したか否かを判断するが（Ｓ２００７）、現時点で
最適化するエリアはエリア２が残っているので、ステッ
プＳ２００３に戻り、エリア２についての処理も同様に
行う。

【００３８】全てのエリアについて処理が終了すると、
命令の移動やＮＯＰ及びディレイドスロット数設定命令
の挿入によるアドレスの変化を考慮したアドレスの再割
り付けを行う（Ｓ２００８）。

【００３９】尚、上述の説明ではコンパイラの処理のう
ち本発明に関連する機能のみを抽出したが、コンパイラ
全体におけるこれらの処理の順序はこれに拘束されるわ
けではない。

【００４０】次に、上述のコンパイラにより生成された
オブジェクトプログラムに基づき図１に示すパイプライ
ン制御回路が動作する場合の例を説明する。図１は、７
段以上のパイプラインを有する装置の制御回路である。
ここで、同パイプラインの前半の各パイプラインステー
ジ処理に対応してステージ１０１０，・・・，１０１６
が設けられている。アボート信号生成回路１０２０，・
・・，１０２４は、各ステージ１０１０，・・・，ステ
ージ１０１４に対応して設けられ、それらを実行中の命
令をアボートさせるアボート信号１４００，・・・，１
４０４を出力する最も簡単な回路である。ディレイドス
ロット数保持レジスタ１０３０には、現在同パイプライ
ンが実行中の命令についてのディレイドスロット数が保
持される。次に、その処理動作を説明する。エリア１
の処理が始まると、先ずその先頭にあるディレイドスロ
ット数をセットする命令が実行され、その命令がステー
ジ１０１５にきたとき、ディレイドスロット数保持レジ
スタ１０３０へその値が書き込まれる。そこで、エリア
１についてのディレイドスロット数が例えば“２”であ
ったとする。このとき、バス１３００を経由してステー
ジ１０１５からディレイドスロット数保持レジスタ１０
３０に“０１０”が送られる。また、ディレイドスロッ
ト数保持レジスタ１０３０は、この“０１０”をデコー
ドした結果を信号線１２００，・・・，１２０４に出力
する。例えば、ディレイドスロット数が“２”の場合に
は、信号線１２００，１２０１，１２０２には“１”が
出力され、信号線１２０３，１２０４には“０”が出力
される。通常、分岐成立信号１１００には分岐非成立を
表す“０”が出力されるようにし、各ステージへのアボ
ート信号１４００，・・・，１４０４は非アボートを表
す“０”が出力されるようにする。

【００４１】処理が進み、分岐命令がステージ１０１５
に進んだとする。このとき、ステージ１０１４及びステ
ージ１０１３を実行中の命令は、ステージ１０１５を実
行中の分岐命令のディレイドスロット命令である。ま
た、ステージ１０１０，１０１１，１０１２を実行中の
命令は、同ディレイドスロット命令に続く命令である
が、これはステージ１０１５の分岐命令の判断におい
て、分岐成立した場合、アボートされるべき命令であ
る。

【００４２】そこで、ステージ１０１５で分岐が成立し
た場合を考える。分岐成立信号１１００は“１”とな
り、それを入力するアボート信号生成回路１０２０，・
・・，１０２４のうち、アボート信号生成回路１０２
０，・・・，１０２２はアボート信号１４００，・・
・，１４０２に“１”を出力し、アボート信号生成回路
１０２３，１０２４はアボート信号１４０３，１４０４
に“０”を引き続き出力する。これを受けてステージ１
０１０からステージ１０１２を実行中の命令はアボート
され、ステージ１０１３及びステージ１０１４はそのま
ま実行を継続する。

【００４３】一方、ステージ１０１５で分岐が非成立の
場合は、分岐成立信号１１００は“０”であり、それを
入力するアボート信号生成回路１０２０，・・・，１０
２４についてのすべてのアボート信号１４００，・・
・，１４０４は“０”のままとなる。即ち、各ステージ
はそのまま実行を継続する。

【００４４】処理が進み、エリア１の処理が終り、エリ
ア２の処理が始まると、エリア２の先頭にあるディレイ
ドスロット数設定命令が新たなディレイドスロット数を
ディレイドスロット数保持レジスタ１０３０にセット
し、以下の処理はエリア１の場合と同様となる。

【００４５】尚、上記の例において、ハードウェアリセ
ットがかかった場合にはディレイドスロット数保持レジ
スタ１０３０にディレイドスロット数“１”をセットす
るようにすれば、ディレイドスロット数１でコンパイル
された従来のオブジェクトプログラムを再コンパイルす
る必要なく実行できる。

【００４６】図３，図４及び図５は、本発明の可変長デ
ィレイドスロットパイプライン制御装置における他の実
施の形態を説明するための図であり、図３は本発明の他
の形態に係るパイプライン制御回路であり、図４は本発
明の他の形態に係るコンパイラの処理手順を示す図であ
り、図５は本発明の他の形態に係る分岐命令のデータフ
ォーマットの一例を示す図である。

【００４７】図４を参照して本発明の他の形態に係るコ
ンパイラの処理手順を説明する。この実施の形態におい
て、前述の実施の形態と根本的に異なる点は、分岐命令
ごとに領域を区切ってその領域ごとにディレイドスロッ
ト数を決定することにある。

【００４８】そこで、前述の形態と同様、先ず、ソース
プログラムのデータ依存グラフを作成し、命令の順序関
係に矛盾が生じないためのテーブルを作成する（Ｓ４０
０１）。次に、注目する領域における分岐命令に対し、
分岐命令の後方に移動させることのできる、分岐命令と
依存関係のない命令数を調べる（Ｓ４００２）。ステッ
プＳ４００２において得られた命令数と、ハードウェア
の制約から、その分岐命令のディレイドスロット数を決
定する（Ｓ４００３）。ステップＳ４００３において決
定されたディレイドスロット数に基づいて命令の順序を
入れ換える（Ｓ４００４）。

【００４９】次に、図５に示す分岐命令の命令ビットフ
ォーマットにおけるディレイドスロット情報フィールド
に同分岐命令のディレイドスロット数を書き込む（Ｓ４
００５）。図５において、ビット３１〜２６は命令識別
フィールドであり、命令のタイプ、すなわち分岐命令で
あること及び分岐の種類などが示される。ビット２５〜
２１及びビット２０〜１６のＲＳ及びＲＴはレジスタ番
号指定フィールドで、分岐の種類とこの２つに示された
レジスタ番号のデータとを比較することで、分岐の成立
／非成立が確定される。ビット１５〜１３がディレイド
スロット数指定フィールドである。図３に示した回路か
らこの形態においても最大分岐ペナルティは５であるこ
とから、ディレイドスロット数指定フィールドは３ビッ
トとしている。ビット１２〜０は、分岐先アドレスのた
めのオフセットである。このフィールドにおいては、デ
コードされた形式でデータを保持するようにしても良い
が、命令長との兼ね合いとなる。また、命令の意味付け
も、第１のレジスタ番号指定フィールドＲＳで指定され
たレジスタ番号のデータがゼロかどうかで分岐成立／非
成立を決定し、第２のレジスタ番号指定フィールドＲＴ
で指定されたレジスタ番号のデータとオフセットを加算
した結果を新たな分岐先アドレスにするというような分
岐命令の意味付けもありうる。

【００５０】尚、この形態の場合にはディレイドスロッ
ト数は分岐命令ごとに求められているので、このような
方法によりハードウェアにディレイドスロット数を伝達
することが可能となる。

【００５１】次に、全ての分岐命令、即ち全てのエリア
について処理が終了したか否かを判断し（Ｓ４００
６）、未処理のものがあればステップＳ４００２に戻
る。

【００５２】全てのエリアについて処理が終了すると、
命令の移動によるアドレスの変化を考慮したアドレスの
再割り付けを行う（Ｓ４００７）。

【００５３】次に、上述のコンパイラにより生成された
オブジェクトプログラムに基づき図３に示すパイプライ
ン制御回路が動作する場合の例を説明する。図３に示す
この実施の形態も７段以上のパイプラインを有する装置
の制御回路である。

【００５４】この実施の形態においても、パイプライン
の前半の各パイプラインステージ処理に対応してステー
ジ３０１０，・・・，３０１６が設けられている。この
実施の形態でも、実行結果確定ステージはステージ３０
１５とし、ステージ３０１０からステージ３０１４まで
はステージ３０１５の後続命令となる。従って、ステー
ジ３０１５を実行する命令が分岐命令の場合、ステージ
３０１０からステージ３０１４までは分岐命令結果によ
るアボート判定対象となる。

【００５５】オブジェクトコード内の分岐命令がステー
ジ３０１５で処理される際、その分岐命令内のディレイ
ドスロット数指定フィールドから切り出されたデータが
バス３３００経由でディレイドスロット数デコーダ３０
３０に送られる。また、ディレイドスロット数デコーダ
３０３０は、その値をデコードした結果を信号線３２０
０，・・・，３２０４に出力する。アボート信号生成回
路３０２０，・・・，３０２４は、信号線３２００，・
・・，３２０４からの信号と分岐成立信号３１００とに
基づいて、それぞれ対応するステージ３０１０，・・
・，３０１４に対するアボート信号を生成する。ステー
ジ３０１０からステージ３０１４までの各処理ブロック
は、入力されるアボート信号が真ならば、自ブロック内
で実行中の処理をアボートする。

【００５６】具体例に基づき動作処理を説明する。図３
にはステージ３０１５を実行中の分岐命令のディレイド
スロット数が“２”である場合が示されている。図５に
示す命令フィールドに従うと、この分岐命令のビット１
５〜１３の３ビットに“０１０”に書かれてあり、ステ
ージ３０１５にこの分岐命令がくると、ビット１５〜１
３のフィールドが切り出されて、データ“０１０”がバ
ス３３００に送られる。ディレイドスロット数デコーダ
３０３０は、バス３３００から送られてきたデータ“０
１０”をデコードし、信号線３２００，３２０１，３２
０２には“１”を出力し、信号線３２０３，３２０４に
は“０”を出力する。

【００５７】ここで、ステージ３０１５の分岐成立信号
が分岐非成立、即ち“０”の場合、アボート信号生成回
路３０２０，・・・，３０２４は、アボート信号３４０
０，・・・，３４０４に全て“０”を出力し、それによ
りステージ３０１０，・・・，３０１４はアボートされ
ることなく処理が継続される。

【００５８】一方、ステージ３０１５の分岐成立信号が
分岐成立、即ち“１”の場合、アボート信号生成回路３
０２０，３０２１，３０２２は、アボート信号３４０
０，３４０１，３４０２に“１”を出力し、それにより
ステージ３０１０，３０１１，３０１２における処理は
アボートされる。アボート信号生成回路３０２３，３０
２４は、アボート信号３４０３，３４０４に“０”を出
力し、それによりステージ３０１３，３０１４はアボー
トされることなく処理が継続される。

【００５９】図６及び図７は、本発明の可変長ディレイ
ドスロットパイプライン制御装置におけてスカッシュド
ブランチ及び分岐予測による投棄実行を行うことを可能
にする他の実施の形態を説明するための図であり、図６
はその実施の形態に係るパイプライン制御回路であり、
図７は本発明の他の形態に係るアボート信号生成回路の
構成を示す図である。

【００６０】図６に基づき、この実施の形態の処理動作
を説明する。尚、この実施の形態は図３乃至図５に示し
た態様に対してスカッシュドブランチ及び分岐予測によ
る投棄実行を行うことを可能にするようにしたものであ
るので、コンパイラは基本的にはその態様と同様であ
る。但し、スカッシュドブランチであるかどうかの情報
は分岐命令が保持するものとする。

【００６１】この実施の形態においても、パイプライン
の前半の各パイプラインステージ処理に対応してステー
ジ６０１０，・・・，６０１６が設けられている。この
形態においては各ステージを更に具体的に定義する。即
ち、ステージ６０１０は、命令フェッチ第１ステージと
する。このステージにおいては、図示していないが、プ
ログラムカウンタから実行する命令のアドレスを受けと
り、キャッシュメモリへアクセスし、同時にＴＡＧ，Ｔ
ＬＢ（Translation-Lookaside Buffer）を読む。ステー
ジ６０１１は、命令フェッチ第２ステージとし、キャッ
シュメモリから命令を読み出し、キャッシュヒット判定
を行う。ステージ６０１２は、命令デコード及びレジス
タファイルアクセス第１ステージとする。ステージ６０
１３は、レジスタファイルアクセス第２ステージとし、
データ及びリソース依存解析を行う。ステージ６０１４
は演算処理第１ステージとする。ステージ６０１５は演
算実行ステージとし、分岐命令にあっては、分岐判定完
了及び分岐先アドレス計算完了ステージとする。ステー
ジ６０１６は、データキャッシュアクセスその他の、ス
テージ６０１５に続くパイプラインステージとする。
尚、各ステージはパイプラインであるので、同回路の実
行サイクルごとに、各ステージの命令は次のステージに
進む。

【００６２】アボート信号生成回路６０２０，・・・，
６０２４は、ステージ６０１０，・・・，ステージ６０
１４に対応して設けられ、それらを実行中の命令をアボ
ートさせるアボート信号６４００，・・・，６４０４を
出力する。このアボート信号生成回路の詳細な構成は図
７に示されており、ここではアボート信号生成回路６０
２４を例として示している。ディレイドスロット数デコ
ーダ６０３０は、オブジェクトコード内の分岐命令がス
テージ６０１５で処理される際にその分岐命令内のディ
レイドスロット数指定フィールドから切り出されたデー
タをバス６３００経由で入力し、デコードする。

【００６３】投棄実行開始判断回路６０４０は、ＢＴＢ
（Branch Target Buffer）や分岐確率判定回路等を含ん
だ回路である。即ち、処理パイプラインの第１番目のス
テージ６０１０に送られるプログラムカウンタの値、即
ち命令アドレスから、もし既に一度そのアドレスの命令
を実行しており、かつ、その命令が分岐命令である場
合、即ちＢＴＢがヒットした場合、ＢＴＢには、その分
岐命令の過去の分岐先アドレス、あるいは分岐先アドレ
スに加えて分岐先命令が格納されており、投棄実行開始
判断回路６０４０は、その回路内の分岐確率判定回路に
基づき、分岐先を実行するか非分岐先を実行するかを決
め、分岐先アドレスを出力する。また、この実施の形態
では、一度実行した分岐命令についてはそのディレイド
スロット数も分岐先アドレスとともに判明するため、分
岐先アドレスと共にディレイドスロット数も保持し、そ
のディレイドスロット数に対応したステップ数がステー
ジ６０１０で実行された後、分岐先アドレスをステージ
６０１０に与える。

【００６４】投棄実行認識フラグ保持レジスタ６０５
０，・・・，６０５４は、ステージ６０１０，・・・，
６０１４に対応して設けられ、各ステージが実行中の命
令が、投棄実行として発行された、先に実行された分岐
命令の分岐先命令か否かを示す１ビットのフラグを保持
する。投棄実行認識フラグ保持レジスタ６０５０への入
力は投棄実行開始判断回路６０４０が行う。尚、この実
施の形態では、投棄実行の深さは１とする。即ち、発行
された分岐命令に対して投棄実行を行うが、更に分岐命
令が現れた場合には発行は行わないとする。

【００６５】分岐成立信号６１００は、ステージ６０１
５で処理された分岐命令について、分岐が成立したか否
かを示す信号線である。例えば分岐成立の場合に１を出
力するようにする。バス６３００は、ステージ６０１５
を実行中の分岐命令のディレイドスロット数指定フィー
ルドに格納されているディレイドスロット数をディレイ
ドスロット数デコーダ６０３０に送る３ビットの信号線
である。信号線６２００，・・・，６２０４は、ディレ
イドスロット数デコーダ６０３０によりデコードされた
結果の信号であり、各ステージがディレイドスロットで
あるか否かを示す信号線である。信号線６５００は、ス
テージ６０１５を実行中の分岐命令がスカッシュドブラ
ンチ命令であるか否かを示す信号線である。信号線６７
００は、投棄実行開始判断回路６０４０より出力され、
処理ブロック６０１０で実行を開始する命令が投棄実行
であるかどうかを示すフラグを投棄実行認識フラグ保持
レジスタ６０５０に送る信号線である。信号線６６０
０，・・・，６６０４は、投棄実行認識フラグ保持レジ
スタ６０５０，・・・，６０５４の情報をアボート信号
生成回路６０２０，・・・，６０２４に送る信号線であ
る。信号線６４００，・・・，６４０４は、アボート信
号生成回路６０２０，・・・，６０２４から出力される
アボート信号のための信号線である。

【００６６】信号線６８００は、ステージ６０１０が実
行を開始するために必要なデータを投棄実行開始判断回
路６０４０から送る信号線である。必要なデータの例と
しては、ステージ６０１０で命令フェッチが開始される
ための命令アドレスがあり、投棄実行の場合には、分岐
先アドレスあるいは分岐先命令そのものとなる。信号線
６９００は、投棄実行開始判断回路６０４０が予測した
投棄実行の分岐先アドレスと分岐命令に基づき計算した
分岐先アドレスとが一致しているかどうかを表す投棄実
行アドレス一致信号のための信号線である。ここで、こ
れらの信号が一致していない場合には、信号線６９００
に係る信号は“０”としている。

【００６７】図６に基づいてある分岐命令での動作処理
を具体的に詳細に説明する。先ず、分岐命令がある命令
アドレスがステージ６０１０に与えられる。ステージ６
０１０は、命令フェッチを開始するが、同時に、同アド
レスは投棄実行開始判断回路６０４０に送られる。投棄
実行開始判断回路６０４０は、そのアドレスに基づいて
ＢＴＢを検索し、ヒットした場合には、そのアドレスの
命令が分岐命令であること、その命令が既に一度実行さ
れた命令であること、その命令のディレイドスロット
数、前回の分岐アドレス、及びその分岐命令の分岐確率
を認識する。投棄実行開始判断回路６０４０は、その分
岐確率に従い、投棄実行を行うか否かを決定する。投棄
実行を行うと判断した場合には、その分岐命令のあとに
ディレイドスロット数分プログラムカウンタが進んだ
後、すなわち同分岐命令のディレイドスロット命令が全
てステージ６０１０で処理を開始された後、分岐先アド
レスがステージ６０１０に送られ、ステージ６０１０で
分岐先命令の命令フェッチが開始される。また、同時
に、投棄実行開始判断回路６０４０は、ステージ６０１
０でフェッチを開始した命令が分岐先命令であることを
示す信号を投棄実行認識フラグレジスタ６０５０に送
り、投棄実行認識フラグレジスタ６０５０は、投棄実行
であることを示すフラグを保持する。同分岐命令のディ
レイドスロット数が２であったとすると、この時点で、
同分岐命令はステージ６０５３を実行中であり、ステー
ジ６０５１及びステージ６０５２は同分岐命令のディレ
イドスロット命令を各々実行中であり、ステージ６０５
０では、分岐先命令のフェッチを行っていることにな
る。また、投棄実行認識フラグ保持レジスタ６０５１，
６０５２，６０５３には“０”が保持され、投棄実行認
識フラグ保持レジスタ６０５０には“１”が保持されて
いることとなる。

【００６８】その後、処理が２サイクル進み、分岐命令
がステージ６０１５に進むと、ステージ６０１３及びス
テージ６０１４ではディレイドスロット命令が実行中で
あり、ステージ６０１０，ステージ６０１１及びステー
ジ６０１２では分岐先命令が実行中である。そのとき、
投棄実行認識フラグ保持レジスタ６０５３，６０５４に
は“０”が保持され、投棄実行認識フラグ保持レジスタ
６０５０，６０５１，６０５２には“１”が保持されて
いることとなる。

【００６９】ステージ６０１５においては、同分岐命令
の分岐判定結果を信号線６１００に出力される。また。
ＢＴＢから送られたアドレスと今回計算した分岐先アド
レスとが一致するか否かの結果が信号線６９００に出力
される。更に、同分岐命令がスカッシュドブランチか否
かを示す信号が信号線６５００に出力され、同分岐命令
のディレイドスロット数がバス６３００に出力される。
アボート信号生成回路６０２０，６０２１，６０２２，
６０２３，６０２４は、分岐成立信号線６１００、スカ
ッシュドブランチであるか否かを示す信号線６５００、
ディレイドスロット数デコーダから送られる各ステージ
のディレイドスロットの情報を示す信号線６２００〜６
２０４、ＢＴＢアドレスと一致したか否かを示す信号線
６９００、各ステージが投棄実行であるか否かを示す信
号線６６００〜６６０４の各信号に基づいて、各ステー
ジに対するアボート信号を生成する。

【００７０】図７を参照しつつ、各種の場合を説明す
る。先ず、分岐命令の分岐が成立、即ち信号線６１００
が“１”で、ＢＴＢアドレスが分岐アドレスと一致、即
ち信号線６９００が“１”、分岐命令がスカッシュド命
令、即ち信号線６５００が“１”であったと仮定する。
この場合、分岐命令のディレイドスロットにあたるステ
ージ６０１３及びステージ６０１４を実行中の命令に対
しては、分岐命令がスカッシュドブランチであるが、分
岐成立であるため、アボート信号を発しない。ステージ
６０１０，・・・，６０１２を実行中の３命令に対して
は、投棄実行であるが、分岐成立であるため、アボート
信号を発しない。

【００７１】上記条件で、分岐不成立の場合は、ＢＴＢ
アドレスが一致しても、ステージ６０１０からステージ
６０１４までの全てのステージに対してアボート信号を
発する。

【００７２】また、分岐成立でＢＴＢアドレスが不一致
の場合には、投棄実行のステージ、即ちステージ６０１
０，・・・，６０１２に対してはアボート信号を発し、
ディレイドスロット命令のステージ、即ちステージ６０
１３，６０１４に対してはアボート信号を発しない。

【００７３】分岐命令がスカッシュドブランチでない場
合には、ディレイドスロット命令のステージに対しては
如何なる場合もアボート信号を発せず、投棄実行のステ
ージに対しては上記各条件でアボート／非アボートが決
定される。

【００７４】尚、ＢＴＢにヒットしなかった場合、ある
いは分岐確率において分岐非成立の確率が高い場合に
は、投棄実行を行わない。この場合、上述の実施の形態
におけるステージ６０１０からステージ６０１２におい
ては、分岐命令に後続する命令が実行中となる。また、
この場合のアボート／非アボートの決定は、分岐成立／
非成立のみに依存し、分岐成立時にアボート、分岐非成
立時に非アボートとなる。

【００７５】尚、この実施の形態においては、スカッシ
ュドブランチの特性を分岐命令内に付加したが、ディレ
イドスロット命令にその特性を乗せれば、ディレイドス
ロット命令内においてある命令は通常の命令、ある命令
はスカッシュド命令という具合に混在できる。その場
合、スカッシュド命令か否か示す信号線６５００につい
て、各ステージごとに独立に設け、それらを対応する各
アボート信号生成回路６０２０，・・・，６０２４に入
力させるようにすればよい。

【００７６】また、この実施の形態では、ディレイドス
ロットの特性が判明するのはステージ６０１２であるの
で、ディレイドスロット数が最大の５である場合、分岐
判定確定から全ディレイドスロット命令の特性が判明す
るまでの間、即ちこの形態では、２サイクルの間、分岐
判定結果を保持し、ディレイドスロット命令の処理を行
う。

【００７７】更に、この形態においては、投棄実行の深
さを１としたが、投棄実行認識フラグを複数ビット化す
ることで深さ２以上の投棄実行にも応用できる。また、
投棄実行認識フラグを制御することで、分岐確率に応じ
て、ディレイドスロット命令に続く命令について分岐先
命令と非分岐先命令とを混在させることも可能である。

【００７８】ステージ数も上述した実施の形態に限定さ
れることはない。

【００７９】この実施の形態により説明したように、本
発明は、分岐ペナルティを削減するスカッシュドブラン
チ等の静的分岐予測や投棄実行等の動的分岐予測という
ような従来の手法に対して併せて用いることができ、性
能を更に高めることができる。

【００８０】最後に、上述した実施の形態のうち２番目
の形態でアプリケーションソフトウェアを実行した場合
の本発明による性能向上について述べる。アプリケーシ
ョンソフトウェアとしては、近年の標準的ベンチマーク
プログラムであるＳＰＥＣｉｎｔ’９２の１つであるｃ
ｏｍｐｒｅｓｓを採用した。

【００８１】同ソフトウェアをコンパイルした結果、デ
ィレイドスロットに移動可能な確率、即ち各ディレイド
スロットに有効命令がおける確率は以下の通りとなっ
た。スロット−１８７％スロット−２３７％スロット−３３０％スロット−４２２％スロット−５１５％スロット−６１３％スロット−７１％

【００８２】上記データの意味は、全ての分岐命令のう
ち、分岐命令のすぐ次のスロット、即ちスロット１に命
令を移すことのできた分岐命令が８７％、分岐命令の次
の２つのスロット、即ちスロット１及び２に２命令移せ
た分岐命令が３７％あったということである。スロット
３以下同様である。従って、例えばディレイドスロット
数を２としたとき、第１スロットにＮＯＰが入ることと
なった分岐命令は全分岐命令の１３％であり、第２スロ
ットにＮＯＰが入ることとなった分岐命令は６３％とな
る。

【００８３】また、次に、この実施の形態の分岐ペナル
ティ５のモデルで、ディレイドスロット数が固定の１，
２，３，４，５でコンパイルしたものと、この実施の形
態で示すディレイドスロット数可変でコンパイルしたも
のとを実行した結果の比較を下に示す。

【００８４】ｃｏｍｐｒｅｓｓを実行した結果、分岐成
立確率は７０％であった。このとき、分岐ペナルティ５
のパイプラインモデルでの、分岐命令に続く命令の非ア
ボート確率は次のようになった。ディレイドスロット数１４１％ディレイドスロット数２４３％ディレイドスロット数３４３％ディレイドスロット数４４１％ディレイドスロット数５３８％ディレイドスロット数可変５７％

【００８５】ここで、例えばディレイドスロット数１の
場合の４１％の意味は、ディレイドスロット数１でコン
パイルしたオブジェクトコードをこの実施の形態のモデ
ルで実行した場合、ステージ６０１５で分岐命令を実行
する際にステージ６０１０からステージ６０１４を実行
中の命令で実行を継続することのできた命令の平均確率
は４１％であったことを意味している。即ち、１つの分
岐命令実行につき５命令×５９％の命令がアボートされ
ることになる。

【００８６】上記結果から、分岐命令の非アボート確率
は１４％〜１９％の性能向上となった。全体の処理速度
向上としては、ロードレイテンシやその他のシステムの
構成にもよるが、実験では５％程度向上した。

【００８７】また、本発明の効果として、ディレイドス
ロットのＮＯＰを削除することで、オブジェクトコード
の縮小が行えることが挙げられるが、ｃｏｍｐｒｅｓｓ
において、その効果を比較すると、各ディレイドスロッ
ト数のコードに対し、ディレイドスロット数２では１０
％、ディレイドスロット数５では３１％、ディレイドス
ロット数７では４２％ものオブジェクトコードサイズの
縮小が可能となった。これによりストーレッジリソース
の節約、キャッシュのヒット率の向上にも貢献する。

【００８８】

【発明の効果】以上のように本発明の可変長ディレイド
スロットパイプライン制御装置によれば、ソフトウェア
に応じてディレイドスロットの数を可変にして分岐命令
を命令シーケンスの中で可能な限り前倒しで実行できる
ようにすることにより、特に、分岐ペナルティの大きい
パイプラインにおいてパイプラインの段数に拘らず分岐
によりアボートとなってしまう命令数を削減することが
できる。また、オブジェクトコードのサイズの縮小化も
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変長ディレイドスロットパイプライ
ン制御装置における実施の一形態を説明するための図で
ある。

【図２】本発明の一形態に係るコンパイラの処理手順を
示す図である。

【図３】本発明の可変長ディレイドスロットパイプライ
ン制御装置における実施の他の形態を説明するための図
である。

【図４】本発明の他の形態に係るコンパイラの処理手順
を示す図である。

【図５】本発明の他の形態に係る分岐命令のデータフォ
ーマットの一例を示す図である。

【図６】本発明の可変長ディレイドスロットパイプライ
ン制御装置におけてスカッシュドブランチ及び分岐予測
による投棄実行を行うことを可能にする他の実施の形態
を説明するための図である。

【図７】本発明の他の形態に係るアボート信号生成回路
の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０１０〜１０１４ステージ３０１０〜３０１４ステージ６０１０〜６０１４ステージ１０２０〜１０２４アボート信号生成回路３０２０〜３０２４アボート信号生成回路６０２０〜６０２４アボート信号生成回路１０３０ディレイドスロット数保持レジスタ３０３０ディレイドスロット数デコーダ６０３０ディレイドスロット数デコーダ６０４０投棄命令実行開始判断回路６０５０投棄実行認識フラグ保持レジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パイプライン処理においてディレイドス
ロット数を可変にする手段を備えることを特徴とする可
変長ディレイドスロットパイプライン制御装置。
【請求項２】前記手段は、コンパイラの処理によるオ
ブジェクトコードから得られる前記ディレイドスロット
数を格納する格納手段と、その格納手段に格納されたデ
ィレイドスロット数と分岐の成立／非成立とに基づきパ
イプラインの各ステージに対するアボート信号を生成す
るアボート信号生成手段で構成される請求項１に記載の
可変長ディレイドスロットパイプライン制御装置。
【請求項３】前記格納手段は、前記コンパイラの処理
により最適に区切られたソフトウェアの区間ごとのディ
レイドスロット数を格納するようにした請求項２に記載
の可変長ディレイドスロットパイプライン制御装置。
【請求項４】前記ディレイドスロット数は、ディレイ
ドスロット数設定命令により前記格納手段に格納される
請求項３に記載の可変長ディレイドスロットパイプライ
ン制御装置。
【請求項５】前記格納手段は、前記コンパイラの処理
により分岐命令ごとに得られるディレイドスロット数を
格納するようにした請求項２に記載の可変長ディレイド
スロットパイプライン制御装置。
【請求項６】前記ディレイドスロット数は、分岐命令
の命令コード内に含まれてそれを読み込むことにより前
記格納手段に格納される請求項５に記載の可変長ディレ
イドスロットパイプライン制御装置。
【請求項７】分岐命令の履歴に基づきステージに分岐
先又は非分岐先の命令を与える投棄命令実行開始判断手
段と、各ステージに対応して設けられ、各ステージが前
記分岐先の命令についての処理を行っているか否かを示
す投棄実行認識情報保持手段とを更に有し、前記アボー
ト信号生成手段は、更に、スカッシュド命令であるか否
かの情報、投棄実行であるか否かの情報及び投棄実行に
基づく分岐アドレスと分岐命令に基づく分岐アドレスと
が一致したか否かの情報に基づき、アボート信号を生成
するようにした請求項２に記載の可変長ディレイドスロ
ットパイプライン制御装置。