JPH10506739A - スーパースカラプロセッサにおけるトラップを検出して実行する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数のパイプライン化された命令を操作するスーパースカラプロセッサにおいて、トラップを発生させたプログラム命令を検出し、実行する装置は、命令キャッシュ（２１０）または主メモリから連続命令を取り出す取り出し段と、取り出し段から取り出された命令を記憶する命令ＦＩＦＯメモリ（２２０）と、ＦＩＦＯメモリ（２２０）内に記憶された命令の相対的な年齢に従ってＦＩＦＯメモリ（２２０）から命令を取り出す命令デコード段（２３０）とを含む。デコード段は、トラッピング条件に関してＦＩＦＯメモリ（２２０）から取り出された命令を調べ、ある命令内のあるトラップの識別に応答してより若い全ての命令をＦＩＦＯメモリ（２２０）からフラッシュする。デコード段（２３０）は、ハードウェアトラップとソフトウェアトラップとを区別する。ソフトウェアトラップを発生させた命令は実行段へ転送されて実行される。デコード段（２３０）は直ちに取り出しアドレスを適切なトラップハンドラアドレスへ変化せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】 スーパースカラプロセッサにおけるトラップを検出して実行する装置 発明の背景 本発明は、デコード段においてトラッピング条件を識別し、パイプライン化さ れたスーパースカラプロセッサにおける動作を促進するような改善されたプロセ ッサのアーキテクチャ及び動作に関する。 従来のプロセッサ設計は、一般に３段階の命令、即ち取り出し（フェッチ）、 デコード、実行の制御を含んでいる。第１段階では、命令は、最後に取り出され た命令を指し示している、そしてそれによって次の命令を取り出すことができる ようになっているプログラムカウンタによって識別されたメモリ位置から取り出 される。取り出しに続いて命令は、考え得るデータ従属性についてチェックされ 、もしその試験を通れば、命令及びそのオペランドが実行のために発行される。 （データ従属性とは、ある命令のためのデータが未だに使用不能であるために、 その命令を実行することができない環境である。）発行された命令は、仮想発行 プログラムカウンタによって識別することができる。一旦命令がデコードされ、 発行されるとそれは実行段へ送られ、実行段においてそれはある結果を発生し、 この結果はレジスタファイルまたはメモリの何れかの中へ書き込まれ、それによ ってプロセッサの状態が変更される。 より最新のプロセッサは、ある命令を実行するのに必要な資源が使用可能であ るか否かを決定するために、その命令のための資源をチェックするレジスタスコ アボードと呼ばれる要素を含んでいる。もし使用可能であれば、実行段において その命令が終了前であってもその命令が発行され、out-of-order実行がもたらさ れる可能性がある。レジスタスコアボードは、発行時に命令によって変更された であろう資源を記録（ロック）する。始めに資源をロックした命令が、その後に それらを更新することによってそれらをアンロックし、それをプロセッサに通知 するまで、これらの資源にアクセスすることを欲するその後の如何なる命令も発 行されることはできない。 これらの既知のプロセッサ設計は、典型的には命令間の資源従属性に起因する 命令の発行の何等かの停止が、命令の取り出しをも停止させてしまうという欠陥 を持ちながら動作する。この停止は、実行のために発行される命令を少なくする ので、性能が損なわれる。 更に、コンピュータシステムは、多くの型の命令についてハードウェアトラッ ピング条件を定義している。ハードウェアトラッピング条件とは、現在の状態の 下でその命令のための実行の有意味の結果を発生することが許されない状態のこ とである。ハードウェアトラッピング条件は、典型的には、違法命令、特権命令 、保護侵害、ページフォルト、無効結果、オプションの浮動小数点プロセッサが ない時の浮動小数点命令、及びレジスタセットオーバフローを含む。 ハードウェアトラッピング条件は、毎命令実行の前後にコンピュータシステム によって自動的に試験される。もしトラッピング条件が見出されれば、トラップ が取り除かれる。トラップを取り除くのは、トラップを発生させた命令及びそれ に続く全ての命令がマシンの状態に影響を与えるのを防ぐ段階と、トラップを発 生させた命令をコンピュータ設計者には公知の指定されたトラップアドレスレジ スタ内に保管する段階と、マシンのモードをスーパバイザ（特権的）モードにセ ットする段階と、トラップハンドラから取り出し命令へスイッチする段階とから なる。トラップハンドラのアドレスは、典型的には、トラッピング条件の型に依 存する定数を、特別な状態レジスタ、即ち「トラップベースレジスタ（ＴＢＲ） 」の内容に連結することによって決定される。 別の形状のトラップは、ソフトウェアトラップである。多くのコンピュータシ ステムは、特別な命令を有しており、その副作用はトラップを強制することであ る。これらはユーザモードプログラムによって使用され、オペレーティングシス テムのサービスを要求する（「システム・コール」）。ソフトウェアトラップを 検出した時に遂行される段階は、ハードウェアトラップに関して上述したものと 同一であるが、トラップハンドラのアドレスが定数ではなく、トラップ命令自体 によって計算される変数である点が異なっている。 殆ど全てのコンピュータシステムインプリメンテーションは、パイプライン化 されている。パイプライン化されたインプリメンテーションでは、各命令を完全 に実行するには最小５乃至７クロックサイクルを必要とする。典型的なシーケン スは、命令キャッシュから命令を取り出す段階と、命令をデコードしてその資源 要求を決定する段階と、命令のオペランド値をレジスタファイルから読み出す段 階と、命令を実行してある結果を発生する段階からなり、これには１乃至３クロ ックを要し、その結果をレジスタファイルにライトバックする。 ハードウェアの利用率を最大に維持するために、可能な場合には毎クロックサ イクルに新しい命令がパイプラインに入る。このようにして、各個々の命令の実 行を完了させるのに数サイクルを必要としたとしても、命令完了レートを１／ク ロックサイクル程度に高めることができる。 若干のトラッピング条件は実行の結果に依存するので、実行段の後まで試験す ることはできない。これらの命令に関して、試験は、レジスタファイルが無効結 果で更新されるのを防ぐのに間に合うように、ライトバックサイクル中に行われ る。トラッピング条件が検出された時、トラップがライトバック段を通過した、 従ってそれらの結果がレジスタファイルを更新した命令より前の全ての命令は実 行されている。トラッップを発生させた命令の後の全ての命令は、未だパイプラ イン内にある。パイプライン化されたマシンにおいてあるトラップを取り除くこ とは、パイプラインから全ての命令をフラッシュし、取り出し段をトラップハン ドラアドレスへスイッチさせるという簡単な問題である。 ライトバック段階でトラップを取り除くことは、そのトラップを発生させた命 令の後のフラッシュされた命令に対してハードウェアが使用されたことに基づく 非効率の程度を表している。普通のプロセッサでは、トラップを取り除くために フラッシュされた命令の数は、パイプラインの長さにほぼ等しい。このペナルテ ィは簡易化の目的に対しては小さいものであり、全てのトラップは同じように処 理される。例えばそれが認識されないか、または特権を与えられたために実行で きない命令は、パイプラインのある早期段階におけるトラッピングとして単にマ ークされるだけである。このトラッピングマークは、その命令が認識され、ライ トバック段において操作されるまで、パイプラインを通る命令のために便宜を図 る。 しかしながら、スーパースカラ out-of-order プロセッサでは、ライトバック 段階においてトラップを取り除くことが原因の非効率性はかなり大きくなる。簡 単に言えば、このようなプロセッサは、デコード段の後にバッファ（「命令シェ ルフ」）が挿入され、実行段の後に別のバッファ（「結果シェルフ」）が挿入さ れていることが普通のパイプラインとは異なっている。各バッファは幾つかの命 令を保持することができ、各命令は不確定時間の間バッファ内に保持されて、そ れを次の段へ移動させる条件が正しい組合わせとなるのを待機する。 1990年12月５日付米国特許出願第 07/622,893 号“Processor Architecture H aving Decoupled Fetching，Issuing and Updating Operations and Speculativ e Branching "に開示されているようなスーパースカラプロセッサでは、パイプ ラインの最初の段階（取り出し）と最後の段階（ライトバック）との間のこれら のバッファ内に 64 命令までを保持することができる。従って、ライトバック段 階においてトラップを検出し、操作することは、フラッシュされる命令の実行帯 域幅において数ダースのクロックを無駄使いすることになりかねない。若干の型 のトラップは、実行段の後まで検出することはできない。これらの場合、努力が 浪費されることは不可避である。しかしながら、多くの型のトラップは、取り出 し段またはデコード段において検出することができる。 従来の out-of-order プロセッサでは、取り出し段またはデコード段において 検出されたトラップは、伝統的なパイプライン化されたマシンにおけるのと全く 同じように処理される。その命令はトラップを発生させたものとしてマークされ 、次いで他の何れかと同様にマシン内に送り出す。その命令は命令シェルフに着 座してそれが結果シェルフへ移動できるような自由実行ユニットを待機し、そこ で早めに取り出された全ての命令がライトバック段階を通って行ってしまうまで 待機しなければならない。この時間の全ての間、取り出し及びデコード段は、た とえ後続する命令が全てフラッシュされることをデコード段が知っていても、そ のトラップを発生させた命令の後の命令を送り続ける。 デコード段階において検出される多くの型のハードウェアトラップは、違法命 令、特権または保護侵害のような「発生する筈がない」取り合わせである。取り 出し段において検出されるページフォルトのような他のトラップ型は、たとえ無 駄使いされる命令が数ダースになルとしても、それを些細なものにしてしまうよ うな大きいオーバヘッドをトラップハンドラ内に必要とする。しかしながら、プ ログラム作成上の誤りではなく、発生することが予測される、そしてトラップハ ンドラ内にそれ程のオーバヘッドを必要としないあるクラスのトラップ、即ちソ フトウェアトラップ及びレジスタセットオーバフローが存在する。スーパースカ ラ out-of-order プロセッサのライトバック段においてこのクラスのトラップが 取り除かれるのを待機しながら、累積努力を無駄使いすることは重大な問題であ る。 発明の概要 本発明は、複数のパイプライン化された命令で動作するスーパースカラプロセ ッサにおけるプログラム命令ハードウェア及びソフトウェアトラップを検出して 実行する装置を包含する。本装置は、命令キャッシュから、または主メモリから 命令を取り出す取り出し手段と、取り出し手段から取り出された命令を記憶する 命令ＦＩＦＯメモリと、記憶された命令の相対的年齢に従ってＦＩＦＯメモリか ら命令を取り出してそれらの命令をトラッピングに関して調べる命令デコード手 段とを含んでいる。ある命令内のトラップの識別に応答して、デコード手段は全 ての若い命令をＦＩＦＯメモリからフラッシュする。 本発明においては、ある命令に対するハードウェアトラッピング条件をデコー ド段が検出すると、その命令を命令シェルフへ送る代わりに、その命令及びその 命令の後に取り出された全ての命令をフラッシュする。ソフトウェアトラップの 場合には、計算されたトラップハンドラアドレスを入手するためにそのトラップ を発生させた命令だけを送り、その後の全ての命令をフラッシュする。そのトラ ップを発生させた命令のアドレスは、指定されたトラップアドレスレジスタのコ ピー内に保管される。モードがセットスーパバイザモードにされ、新しいレジス タセットにスイッチされ、そしてトラップハンドラのアドレスが分かり次第、取 り出し段にトラップハンドラから命令の取り出しを開始させる。トラップハンド ラのアドレスは、トラップベースレジスタＴＢＲと、ハードウェアトラップの場 合には一定のトラップ型の数、またはソフトウェアトラップ命令の実行の結果の 何れかとの連結によって与えられる。 本発明では、デコード段において検出されたハードウェアトラップを取り除い たことによる唯一のペナルティは、命令が命令シェルフ内に配置されない小さい タイムウィンドウである。しかしながら、命令シェルフは待ち行列デバイスであ るから、この間隔の開始時には既に充分な命令がその中にあることが見込まれの で、デコード段が命令の発行を再開するまで実行段は使用中（ビジー）に維持さ れる。ソフトウェアトラップに対するペナルティは、トラップ命令が実行段に到 着するのを待機しなければならないので大きめではあるが、それでもトラップ命 令がライトバック段に到着するのを待機するよりは遙かに小さい。 デコード段における特権侵害を検出できるようにするために、本発明は、実行 段においてではなく、デコード段においてトラップハンドラの入口及び出口にお けるスーパバイザモードへの、及び該モードからの変化を実行する。同様に、デ コード段におけるレジスタセットオーバフロートラップを検出できるようにする ために、本発明は、実行段においてではなく、デコード段においてサブルーチン 呼出し及び復帰のためになされるレジスタセット変化を実行する。 本発明、及びその目的及び特色は以下の添付図面を参照しての詳細な説明及び 請求の範囲から明白になるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を使用することができるスーパースカラプログラムのアーキテ クチャの簡易化した図の主データ流れを示す図である。 図２は、アーキテクチャの付加的な成分を含むブロック線図である。 図３は、分岐実行動作を示すブロック線図である。 図４は、本発明による障害を処理するための装置の回路図である。 好ましい実施例の説明 図１及び２のブロック線図、及び図３のチャートは前記系属出願 07/622,893 に開示されているプログラムのアーキテクチャの概要を示している。命令フェッ チャ９（図２及び３参照）を公知の命令キャッシュメモリ（図示してない）に結 合し、キャッシュメモリから命令８を受けることが好ましい。種々の機能の中か ら、フェッチャ９は「スロットリング」機能を遂行する。例えば、もしある命令 を命令キャッシュから取り出すことができなければ、フェッチャ９は主命令メモ リ（図示してない）から命令を持ってきて命令キャッシュへ転送するように動作 する（１００）。フェッチャ９によって遂行される他の「スロットリング」機能 の例は、ディスパッチするために複数のクロックサイクルを必要とする命令を管 理し、また例えば命令に割当てるために使用できない識別コードのような、ある 理由のために取り出すことができない命令を管理する（１０３）ことを含む。 図２に示すように、フェッチャ９は、キャッシュから取り出した命令を動的レ ジスタファイル１１に供給する。動的レジスタファイルは、プロセッサ内でペン ディングの全ての非分岐命令を保持する。命令８がキャッシュから取り出される につれて、それらには識別コード２９、即ちＩＤが割当てられる。これは、順番 に取り出される各命令に、厳格に順次のＩＤ値を割り当てるカウンタ（図示して ない）によってなされる。これらの順次ＩＤは、大きさの比較のために使用され る最も重要な「カラー」ビットを含んでいる。カラービット、及びもし必要なら ば２つの命令ＩＤの大きさを比較することによって、早めに取り出された命令を 決定することができる。これは、２つの命令の間の「年齢」比較を、即ち、命令 ８がメモリから取り出された時の相対的な順番を与える。 図２に示すように、フェッチャ９は、もし分岐を実行することができなくても フェッチャ９が停止しないような手法で、分岐の実行をも管理する。実行すべき 分岐に関して、それは有効条件コードを有していなければならない（１０９）。 これらの条件コードは、条件コードを変更する命令によってセットされる。従っ て、条件コードを変更する命令がディスパッチされる時点に、フェッチャ９はロ ックされたビットを配置することによって条件コードレジスタを無効にする（１ １７）。フェッチャは、条件コードをロックした命令のＩＤを記憶する。条件コ ードは、その命令が実行を終了して条件コードレジスタを更新し（１１３）、そ れによって条件コードをアンロックする（１２０）まで、ロックされたままであ る。 レジスタファイル及びメモリのように、順次に更新された時にそれがプロセッ サの状態を反映していない場合の条件コードレジスタの内容を、ここでは「狂気 」 と名付ける。条件コードがロックされた時点（１１７）に関して、条件コードを 変更する必要があることを指示する命令が存在する。これは、後続分岐がその条 件コードを使用して決定を行うことを防いでいる。従って、フェッチャは、この 後続分岐命令を、条件コードをロックした命令のＩＤと共に分岐シェルバ(shelv er)１３内に配置する（１１２）。そのロッキング命令の唯一の結果は、その分 岐に関する有効条件コードを発生することである。 分岐シェルバ１３内の分岐命令は、条件コードをロックした命令が実行を完了 して条件コードを更新するまで待機する。分岐がシェルフに入れられると、フェ ッチャ９は、予測ビットに基づいて、その位置から命令ストリームを下って進行 する方向、換言すれば、プログラムの連続実行に関して最も可能性のある方向を 決定する（１１２）。フェッチャ９は、予測した経路に沿って命令を「投機的に 」取り出し続ける。シェルフに入れられた分岐命令が待っている条件コードが有 効になると、分岐決定が再評価され（１１５）、始めの決定と比較される（１１ ６）。もしその比較が、分岐が適正に実行されたことを指示すれば、それはシェ ルフから除去される（１１８）。もし決定が比較と異なれば（１１８）予測した 決定が悪いのであり、プロセッサは予測した分岐ではない別の分岐に沿って進ま なければならない。従って、プログラムは別の方向の分岐命令から実行を再開し なければならない。 プロセッサにとって、不正確に予測した分岐決定（１１８）を辿っている方向 を変化させるためにはプロセッサは如何なる点においても再始動可能でなければ ならない。例えば、プロセッサ内にはＮ命令が許容され、取り出されてはいるが 実行されていない命令が存在しているものとする。プロセッサは、動的レジスタ ファイル内にあるどの命令からも、即ち未だにメモリの状態を更新していないど の命令からも再始動できなくてはならない。再始動と呼ぶこの機能は、ここでは 「正気」プログラムカウンタファイル１５と名付けるプログラムカウンタファイ ルの援助を得て達成される。プログラムカウンタファイルは、動的レジスタファ イル１１内の命令のアドレス（それらのＩＤによって索引される）を含むＮエン トリレジスタファイルである。もしプロセッサが、分岐命令を再取り出しするこ とによって再始動する必要があれば、その分岐のＩＤを使用して正気プログラム カウンタファイル１５を索引し、そのプログラムカウンタを入手する（１１９） 。このプログラムカウンタは、その点からプロセッサを順方向へ再始動するのに 使用される。 分岐が不正確であると予測された場合（１１８）、若干数の命令が実行ストリ ーム内に配置されており、動的レジスタファイル１１内に存在する結果を生成す ることはできるが、未だにレジスタファイル１７を更新していない。それらは、 それらが投機的であるために、正気状態コントローラ１９によって完了に到達す ることを許されない。ある分岐が不正確に予測されたことが決定されると、フラ ッシングメカニズムが全ての命令、及び不正確予測を信頼して実行されたそれら の結果を、動的レジスタファイル１１からフラッシュする（１１９）。 正気状態コントローラ１９は、シェルフに入れられた分岐命令のＩＤ、または シェルフに入れられた分岐が複数の場合には、シェルフに入れられた全ての分岐 の最古のＩＤ（それらが取り出された順番によって決定される）を分岐シェルバ １３から受ける。正気状態コントローラ１９は、最古のシェルフに入れられた分 岐のＩＤよりも新しいＩＤを有する命令がプロセッサの状態を更新することを許 さず、従ってその点において命令の完了を停止させる。これは、投機的結果がプ ロセッサの状態を変更することができないようにすることによって、プロセッサ がその正気条件を維持することを可能にする。 プロセッサは、トラップ条件または外部割り込みに遭遇した後にも再始動する ことができる。プロセッサは、トラップ条件との遭遇点におけるプロセッサの状 態を発生するトラップロジック２１を含んでいる。トラップを発生させた命令の ＩＤは、正気プログラムカウンタファイル１５からプログラムカウンタを入手す るために使用される。 図４に、本発明による障害処理装置の概要ブロック線図で示す。主要成分は、 取り出し段２１０、命令ＦＩＦＯ ２２０、デコード段２３０及び後続する「状 態レジスタ」、スーパバイザレジスタ２６１、イネーブル浮動小数点（ＥＦ）レ ジスタ２６２、現ウインドウポインタ（ＣＷＰ）２６３、ウィンドウ無効マスク （ＷＩＭ）２６４、トラップベースレジスタ（ＴＢＲ）２６５、及びトラップ型 レジスタ２６６を含む。 前述したように、取り出し段は、命令キャッシュまたは主メモリ（図示してな い）の何れかから命令を取り出す。取り出し段は、取り出しアドレス２６０から 開始される連続アドレスから取り出された４命令／クロックサイクルまでをワイ ヤ２１１Ａ−Ｄ上に出力する。取り出し段は、メモリ管理ユニット（ＭＭＵ）機 能をも実現している。ＭＭＵ機能は、主メモリアドレス空間をページに分割する 。それは各ページに若干の属性を割当てる。本発明に直接関係のあるものは、 １．この命令を取り出そうとした時に遭遇した物理的メモリエラーが存在した か？ ２．ページのコピーは現在主メモリ内にあるか？ ３．そのページから命令を取り出すことが許されるか？ ４．スーパバイザモードではない時に（即ち、スーパバイザビット２６１が０ である時に）そのページから取り出された命令を実行することが許されるか？ を含む。 あるクロックサイクルに、取り出し段によって出力される４つの命令は全て同 一ページ上にあることが制約付けられているから、取り出し段は単一の組の４つ のアクセスビット２１２を出力し、これらのビットはこれらの命令を含むページ に関する上記各質問への答を指示している。 命令ＦＩＦＯ ２２０は、５命令までを、各命令毎のアクセスビット及びアド レスと共に保持する。ＦＩＦＯ内の命令は「年齢」によって順序付けられている ものと考えられる。即ち、最初に取り出されるＦＩＦＯのヘッドの命令が「最古 」であり、他の何れの命令の前にも取り出されることがないテールの命令が「最 も若い」。デコード段２３０は、各クロックサイクルにヘッド（最古の命令）か ら０乃至４命令を取り出す。取り出し段が使用できる命令の数、及びヘッドから 取り出された後のＦＩＦＯのテールにおける空位置の数を考えて、取り出し段２ １０はそれが各クロックサイクルに可能な数の命令を書き込む。 アドレスが取り出しアドレス２６０である取り出し段における命令２１１Ａは 最古であると見做され、もし１つだけが追加されるのであればＦＩＦＯに追加さ れる命令である。もし第２の命令がＦＩＦＯに追加されるのであれば、それは次 に高いアドレスにおける命令２１１Ｂであり、等々である。ＦＩＦＯは、完全に フラッシュして全てのエントリを除去することも可能である。あるクロックサイ クルに追加される全ての命令は、ワイヤ２１２上の４つのアクセスビット入力の コピーを入手する。また命令ＦＩＦＯは、それに記憶される各命令のアドレスを 追跡する。 デコード段は、命令デコードＦＩＦＯ ２２１Ａ−Ｄ内の４つの最古のエント リを並列に調べる。ある命令を含む各エントリ毎に、デコーダ段は幾つかの考え 得るトラッピング条件の何れかの存在を決定する。またそれは、デコード段が従 属している状態レジスタ、即ち、スーパバイザビット、ＥＦビット、ＣＷＰ、Ｗ ＩＭ、またはＴＢＲの１つを変更するトラップを発生させない命令を探す。 これらの状態レジスタは、２つのクラスの命令によって変更される。状態レジ スタ書き込み命令は、任意汎用レジスタの内容に対する動作を遂行し、その動作 の結果を状態レジスタの１つに書き込む（好ましい実施例では、スーパバイザ、 ＥＦ、及びＣＷＰレジスタ２６１−２６３の３つの全ては、単一の状態レジスタ 書き込み命令によって書き込まれる）。状態レジスタを変更する第２のクラスの 命令は、増分（または、インクリメンタル）変更子である。これらは、レジスタ を定数にセットするか、または定数によって現在値を変更する。 詳しく述べれば、好ましい実施例では、スーパバイザビット２６１は、そのビ ットを０にセットする「トラップからの戻り」（ＲＥＴＴ）命令の副作用として 変更される。レジスタセットが使用中であることを表す３ビットの索引である現 ウィンドウポインタ２６３は、保管命令（典型的にはサブルーチン呼出しに対し て遂行される）の副作用として１つだけデクレメントされる。サブルーチン戻り において実行される復元命令は、ＲＥＴＴ命令と同じように、ＣＷＰ ２６３を １つだけインクリメントさせる副作用を有している。 デコード段２３０は、４つの各命令２２１Ａ−Ｄを調べて、それが状態レジス タの１つの変更するのか否かを決定する。もし何れかの命令がこれらの状態レジ スタの若干に書き込むのであれば、その１つの命令の後の他の若干の命令は、状 態レジスタ書き込み命令の結果が分かるまで、それらのトラッピング条件を評価 することはできない。従ってデコード段は、状態レジスタ書き込み命令の結果が 実行段の出力において使用可能になるまでは、状態レジスタ書き込み命令の後の どの命令も発行することはない。 本発明は、上述したように、デコード段が各命令に命令ＩＤを割当てるという 事実を利用することによって、それが待機している状態レジスタ書き込み命令の 結果の可用性及び値を検出する。このＩＤは、デコード段はクリアしたが、未だ に実行段はクリアしていない各命令毎に独特であることが保証されている。デコ ード段は、状態レジスタ書き込み命令を発行すると、書き込まれるレジスタがロ ックされること、即ちその正しい内容が未知であるのでそのレジスタにアクセス することはできないことを記録する。デコード段は、その状態レジスタのロッカ ーＩＤとして知られる状態レジスタ書き込み命令のＩＤをも記録する。 更新バス２５１は、実行段の出力から到来する。更新バスは、それが命令の結 果、その命令のＩＤ、及びその命令を実行した結果を担持している時に１になる 有効ビットからなる。デコード段は、更新バス２５１上に有効ビットの１を見出 すと、そのバス上のＩＤと、何れかの状態レジスタのロッカーＩＤとを比較する 。もし一致が検出されれば、デコード段は、更新バスの適切なビットからの新し い修正値を、ロックされた適切な状態レジスタ内にコピーし、ロックされた状態 をリセットする。 もしデコード段によって調べられた４つの命令２２１Ａ−Ｄの何れかが状態レ ジスタの増分変更子であれば、デコード段自体がその命令を実行する。デコード 段は、対応する物理的状態レジスタ２６１または２６３の現在の値を読み取り、 命令によって指示された変更を施すことによってそれを行う。変更された値は、 このクロックサイクル中の４つの命令の中の何れかの若い命令に関して潜在的な トラッピング条件を評価するためと、その命令が発行されたクロックサイクルの 終わりに物理的レジスタ２６１または２６３を更新するためとに使用される。 例えば、もし３番目に古い命令２２１Ｃが、スーパバイザモード中以外では実 行することができない特権的命令であり、物理的スーパバイザレジスタ２６１が １を含んでいれば、その命令は、より古い命令（２２１Ａまたは２２１Ｂ）がス ーパバイザモードを０にセットする副作用を有するＲＥＴＴ命令である場合の他 は、トラッピング条件を有してはいない。もし、例えば２２１ＡがＲＥＴＴ命令 であれば、命令２２１Ａがそれを発行することによってＦＩＦＯから取り除かれ る時点まではＦＩＦＯ内により古いＲＥＴＴが存在しているので、２２１Ｃのト ラッピング条件が指示される。その最古のＲＥＴＴ命令が取り除かれるクロック において、物理的スーパバイザレジスタ２６１はワイヤ２３１を介して０にセッ トされるので、その後のクロックにおいて、その特権的命令は、物理的レジスタ ２６１の内容が０であることによってトラッピング条件を有しているものと見ら れる。 もしデコーダ段が２２１Ａ−Ｄの中に、同一の状態レジスタ２６１または２６ ３を増分的に変更する１つ以上の命令を検出すれば、デコーダ段はそれらを一時 に１つ処理する。例えば、もしＣＷＰレジスタ２６３が数４を含み、２２１Ａが 保管命令であり、そして２２１Ｃが復元命令であれば、２２１Ｃ及びその後の全 ての命令は、２２１Ａ内の命令が除去されるまで無視される。これは、２２１Ｄ 内の命令に対するＣＷＰの修正値が４であるからであり、レジスタ２６３内の値 は２２１Ｃ内の「保管命令」によって１だけデクレメントされ、次いで２２１Ｃ 内の「復元」によって１だけインクリメントされる。しかし命令２２１Ｄによっ て見られる実際の値は５であり、レジスタ２６３内の値は２２１Ｃ内の「復元」 によって１だけインクリメントされる。 所与の状態レジスタを増分的に変更する多くとも１つの命令を、毎クロックサ イクルに発行することができる。上記の例では、２２１Ａが発行され、ワイヤ２ ３２を介して物理的ＣＷＰレジスタ２６３を３に更新するまでは、２２１Ｃを発 行することはできない。その後のクロックにおいて、回復命令はＣＷＰレジスタ ２６３の新しい内容３に１を加え、回復命令の後の命令のために修正値４を発生 させる。 デコード段において検出されたトラッピング条件は、同じ命令によって１つよ り多い条件を満足させることができるように優先付けしなければならない。検出 された条件を、優先権の降順に、それらが決定された手法と共に以下に列挙する 。状態レジスタの値に依存する何等かの理由から、使用される値は、その状態レ ジスタがロックされていない限り、４つの命令の中のより古い命令によって増分 的に変更された対応する物理的レジスタ２６０−２６４内の値である。もし、調 べられた命令が従属している状態レジスタがロックされていれば、従属命令及び そ れに続く命令は、状態レジスタがアンロックされるまでＦＩＦＯ内に保持される 。 １．物理的メモリアクセスエラー。 これは、取り出し段、及びその命令が取 り出される時のアクセスワイヤ２１２の１つの出力によって検出される。 ２．ページフォルト。 これは、取り出し段、及びその命令が取り出される時 のアクセスワイヤ２１２の別の１つの出力によって検出される。 ３．特権侵害。 これは、取り出しロジックが出力する第３アクセスビット２ １２によって信号され、スーパバイザモード以外では、即ちスーパバイザビット が０であれば、命令をそのページ上で実行できないことことを指示する。 ４．保護侵害。 これは、取り出し段、及び命令が取り出される時のアクセス ワイヤの４番目の出力によって検出される。 ５．特権的命令。 これは、その命令をデコードし、それがスーパバイザモー ド以外では（その命令を取り出したページには無関係に）、即ちスーパバイザビ ットが０であれば、決して実行することができない命令の１つであることを決定 することによって検出される。 ６．違法命令。 これは、その命令をデコードし、それが定義された命令では ないことを決定することによって検出される。 ７．浮動小数点不能化。 これは、その命令を浮動小数点命令としてデコード し、ＥＦビット２６２が０であることによって検出される。 ８．ウィンドウオーバフロー。 これは、ＣＷＰレジスタ２６３の内容に１を 加え、その結果をＷＩＭレジスタ２６４へのビット索引として使用することによ って検出される。トラッピング条件は、ＷＩＭの索引されたビット位置が１であ ることによって指示される。 ９．ウィンドウアンダフロー。 これは、ＣＷＰレジスタ２６３の内容から１ を差し引き、その結果をＷＩＭレジスタ２６４へのビット索引として使用するこ とによって検出される。トラッピング条件は、ＷＩＭの索引されたビット位置が １であることによって指示される。 １０．ソフトウェアトラップ。 デコード段２３０が、最古の命令ではない命令２２１Ｂ−Ｄの何れかに上述し たトラッピング条件の１つを検出すると、デコード段はその、または何れの若い 命令も発行しない。デコード段は、正常の態様で最古のトラップを発生させた命 令よりも古い全ての命令を発行する。 最古の命令２２１Ａがハードウェアトラッピング条件を有していることをデコ ード段が検出すると、デコード段は直ちに以下の動作の遂行を開始する。 １．もし必要ならば、ＣＷＰレジスタがアンロックされるのを待機し、ワイヤ ２３２を介してその現在値を１だけデクレメントさせ、ワイヤ２３１を介してス ーパバイザレジスタ内容２６１を１に強制する。 ２．ＦＩＦＯ内のその最古の命令のアドレスを含む擬似命令を公式化し、発行 する。この擬似命令が実行されると、そのトラップを発生させた命令アドレスが 汎用レジスタ位置内に保管される。 ３．命令ＦＩＦＯ ２２０全体をフラッシュし、それによってそのトラップを 発生させた命令と、それに続く全ての命令を削除する。 ４．最古の命令の代わりに保持する最高優先順位のトラッピング条件のための 修正コードを決定し、そのコードをワイヤ２３３を介してトラップ型レジスタ内 へ書き込む。 ５．もし必要ならば、トラップベースレジスタがアンロックされるのを待機し 、次いでワイヤ２３４を介して取り出しアドレス２６０をワイヤ２６７上の値（ これはトラップベースレジスタ２６５の内容とトラップ型レジスタ２６６の内容 とを連結したものである）に等しくなるように更新することを取り出し段に信号 する。 最古の命令２２１Ａがソフトウェアトラッピング条件を有していることをデコ ード段が検出すると、直ちにデコード段は上述した段階１及び２と同一の段階を 遂行し、それに続いて以下の段階を遂行する。 ３．最古の命令２２１Ａを発行し、その命令ＩＤを記録し、残余の命令を命令 ＦＩＦＯからフラッシュする。 ４．更新バス２５１を監視して、命令ＩＤと一致するトラップを発生させた命 令の記録されたＩＤに伴う有効信号を待機する。それが発生した時に、更新バス のデータ部分から修正コードを入手し、ワイヤ２５２を介してそれをトラップ型 レジスタ２６６内へ書き込み、上記段階５と同一の段階を遂行する。 デコード段において命令内のトラップ条件を識別し、トラップ条件を識別する ために状態レジスタを使用することは、トラップの処理を促進し、しかもトラッ ピング条件に続く命令（フラッシュされなければならない）に関して浪費される 実行帯域幅を減少させる。以上に、本発明を特定の時に関連して説明したが、本 発明の説明は例示に過ぎず、本発明を限定する意図はない。当業者ならば、請求 の範囲に記載の本発明の真の思想及び範囲から逸脱することなく種々の変更及び アプリケーションを考案できよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 (1) パイプライン化されたコンピュータ内のトラッピング条件に応答する方法で あって、上記コンピュータは、各クロックサイクルにおいて命令のシーケンスか らの１つまたはそれ以上の命令を調べるデコード段と、上記デコード段に結合さ れ上記デコード段によって供給されるデコードされた命令を受け、上記デコード された命令の何れかがトラッピング条件の集合の何れかを満足するか否かを評価 し、そして上記集合の何れかを満足する何れかの命令に関して指定されたトラッ プ動作を遂行する実行段とを含む幾つかの処理段を備え、 上記方法は、 ａ）上記デコード段において調べられる何れかの命令が、上記トラッピング 条件の集合の部分集合である発行・時間トラッピング条件の集合の何れかを満足 するか否かを評価する段階と、 ｂ）上記デコード段においてそのように評価された何れかの命令があるトラ ッピング条件を満足することが決定された場合、 (i) 上記シーケンス内の第１のそのような命令、及び上記第１のそのよ うな命令に続く上記シーケンス内の１つまたはそれ以上の命令の全てが上記実行 段に供給されるのを防ぐ段階と、 (ii)指定されたトラップ動作を遂行する段階と、 を備えていることを特徴とする方法。 (2) 上記コンピュータは、各クロックサイクルにおいて、取り出しアドレスレジ スタ内に含まれているアドレスから始まる連続アドレスを用いて命令メモリから １つまたはそれ以上の命令を読み出すための取り出し段を含み、 上記指定されたトラップ動作は、上記取り出しアドレスレジスタ内に含まれ ているアドレスがトラップハンドラアドレスとなるように強制することを含んで いる請求項(1)に記載の方法。 (3) 上記取り出し段は、上記命令メモリと上記デコード段とに結合されている命 令バッファを含み、 上記取り出し段は、あるクロックサイクルにおいてそれが上記命令メモリか ら読み出した１つまたはそれ以上の命令を、そのサイクルの終わりに上記命令バ ッファ内に書き込み、 各クロックサイクルにおいて上記デコード段によって調べられる上記シーケ ンスからの上記１つまたはそれ以上の命令は、上記命令バッファ内に含まれる命 令の中にあり、 上記トラップ動作は、上記命令バッファを空にし、上記取り出しアドレス強 制段階が完了してしまう前にそれ以上の命令が上記命令バッファ内へ書き込まれ るのを防ぐ段階を更に含む、 請求項(2)に記載の方法。 (4) 上記トラッピング条件の集合の各メンバーは相対的な優先順位を有し、 上記トラップハンドラアドレスは、上記シーケンス内の上記第１のそのよう な命令によって満足された全てのトラッピング条件の中の最高優先順位の関数で あり、 上記シーケンス内の上記第１のそのような命令が、何れかの発行・時間トラ ッピング条件を満足した場合、上記第１のそのような命令によって満足された全 てのトラッピング条件の中の最高優先順位が発行・時間トラッピング条件である 、 請求項(2)に記載の方法。 (5) 上記指定されたトラップ動作は、上記シーケンス内の上記第１のそのような 命令によって満足された全てのトラッピング条件の中の最高優先順位を独特に識 別する数をトラップ型レジスタ内に書き込む段階を更に含む請求項(4)に記載の 方法。 (6) 上記指定されたトラップ動作は、上記第１のそのような命令を読み出した上 記命令メモリアドレスをトラップアドレスレジスタ内に書き込む段階を更に含む 請求項(2)に記載の方法。 (7) 上記デコード段は、上記命令メモリアドレスを含む擬似命令を作成して上記 実行段へ供給することによって上記さらなる段階を遂行し、上記擬似命令は上記 実行段に上記命令メモリアドレスを上記トラップアドレスレジスタ内へ書き込ま せるようになっている請求項(6)に記載の方法。 (8) 上記コンピュータは、上記デコード段に結合されていて上記コンピュータの 動作状態を指示する複数の状態レジスタを含み、各発行・時間トラッピング条件 は上記状態レジスタの若干内の値に依存し、 上記評価段階は、上記状態レジスタの内容を調べることを含む、 請求項(1)に記載の方法。 (9) 上記各状態レジスタに関して、上記命令のシーケンス内の若干の命令が上記 状態レジスタを変更し、上記シーケンス内の何れかの命令について上記トラッピ ング条件を評価するのに使用された上記状態レジスタ内の値は、上記状態レジス タを変更する上記シーケンス内の上記命令の直前の命令の実行の結果のみに依存 するようになっている請求項(8)に記載の方法。 (10)ｃ）何れかの発行・時間トラッピング条件が依存している上記状態レジスタ の何れかを変更する上記デコード段において調べられた上記命令の中の全ての命 令を認識する段階と、 ｄ）そのように認識された何れかの変更命令に関して、トラッピング条件が 上記認識された変更命令によって変更された何れかの上記状態レジスタに依存す る上記シーケンス内の上記変更命令に続く何れかの命令を、上記変更命令の結果 が上記状態レジスタ内へ書き込まれてしまう時点まで、上記デコード段から上記 実行段へ供給するのを拒絶する段階と、 を更に含んでいる請求項(9)に記載の方法。 (11)ｅ）上記認識された変更命令に関して、上記デコード段によって上記命令が 上記実行段へ供給される時点より遅くなく、上記命令によって指定された状態レ ジスタ変更を遂行する段階、 を更に含んでいる請求項(10)に記載の方法。 (12)ｆ）上記デコード段において調べられた上記１つまたはそれ以上の命令の中 から、何れかの発行・時間トラッピング条件が依存している上記状態レジスタを 変更する若干の命令を認識する段階、 を更に含み、 上記評価段階は、上記調べられた命令の何れかに関して、上記状態レジスタ 値に及ぼす上記シーケンス内の上記評価された命令に先行していると認識され た何れかの変更命令の効果を考慮することを含む 請求項(9)に記載の方法。 (13)複数のパイプライン化された命令を操作するスーパースカラプロセッサにお いてプログラム命令トラップを検出し、実行する装置であって、 命令キャッシュ及び主メモリから連続命令を取り出す取り出し手段と、 上記取り出し手段から取り出された上記命令を記憶する命令ＦＩＦＯメモリ と、 上記ＦＩＦＯメモリ内に記憶された命令の相対的な年齢に従って、上記ＦＩ ＦＯメモリから命令を取り出す命令デコード手段と、 を備え、 上記デコード手段は、トラッピング条件に関して上記ＦＩＦＯメモリから取 り出された上記命令を調べ、ある命令内のあるトラップの識別に応答してより若 い全ての命令を上記ＦＩＦＯメモリからフラッシュする ことを特徴とする装置。 (14)上記プロセッサの動作状態を表す複数の状態レジスタを更に含み、上記デコ ード手段は、上記命令を調べて上記状態レジスタを変更して上記状態レジスタ変 更命令が実行されてしまうまでより若い命令の発行を阻止し、上記状態レジスタ は、上記命令の実行によって更新されるまでロックされてアクセス不能になる請 求項(13)に記載の装置。 (15)上記状態レジスタは、スーババイザレジスタと、イネーブル浮動小数点（Ｅ Ｆ）レジスタと、現ウィンドウポインタ（ＣＷＰ）レジスタと、ウィンドウ無効 マスク（ＷＩＭ）とを含んでいる請求項(14)に記載の装置。 (16)連結されることによりトラップを発生させた命令がアクセスする上記取り出 し手段のアドレスを形成するトラップベースレジスタ及びトラップ型レジスタを 更に含んでいる請求項(15)に記載の装置。 (17)上記取り出し手段は、主メモリのページングを支援するメモリ管理手段を含 んでいる請求項(16)に記載の装置。 (18)上記デコード手段は、ハードウェアトラップとソフトウェアトラップとを区 別する請求項(16)に記載の装置。 (19)ハードウェアトラップ命令に応答して、上記デコード手段は、 ａ）上記ＣＷＰレジスタがアンロックになるのを待機し、上記ＣＷＰレジス タの現在の値を１だけデクレメントし、そして上記スーパバイザレジスタを１に なるように強制し、 ｂ）上記ＦＩＦＯメモリ内の最古の命令のアドレスを含む擬似命令を公式化 して発行し、 ｃ）上記ＦＩＦＯメモリの全ての内容をフラッシュし、それによって上記ト ラップを発生させた命令及びより若い全ての命令を削除し、 ｄ）上記ハードウェアトラップを発生させた命令に関して、最高優先順位ト ラッピング条件のための修正コードを決定して上記コードを上記トラップ型レジ スタ内へ書き込み、そして ｅ）上記トラップベースレジスタの内容と上記トラップ型レジスタの内容と の連結として上記取り出しアドレスを更新することを上記取り出し手段に信号す る、 ようになっている請求項(18)に記載の装置。 (20)ソフトウェアトラップ命令に応答して、上記デコード手段は、 ａ）上記ＣＷＰレジスタがアンロックになるのを待機し、上記ＣＷＰレジス タの現在の値を１だけデクレメントし、そして上記スーパバイザレジスタを１に 強制し、 ｂ）上記ＦＩＦＯメモリ内の最古の命令のアドレスを含む擬似命令を公式化 して発行し、 ｃ）上記最古の命令を実行段へ発行し、上記最古の命令の識別を記録し、そ して残された全ての命令を上記ＦＩＦＯ手段からフラッシュし、 ｄ）ある命令識別と上記記録された識別とが一致することを表す有効信号に ついて上記実行手段からの更新バスを監視し、 ｅ）上記実行手段からデータ部分のためのコードを入手して上記コードを上 記トラップ型レジスタ内へ書き込み、そして ｆ）上記トラップベースレジスタの内容と上記トラップ型レジスタの内容の 連結として上記取り出しアドレスを更新するように上記取り出し手段に信号す る、 請求項(18)に記載の装置。 (21)連結されることによりトラップを発生させた命令がアクセスする上記取り出 し手段のアドレスを形成するトラップベースレジスタ及びトラップ型レジスタを 更に含んでいる性(13)に記載の装置。 (22)上記取り出し手段は、主メモリのページングを支援するメモリ管理手段を含 んでいる請求項(13)に記載の装置。