JPS5932045A - 情報処理装置 - Google Patents

情報処理装置

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JPS5932045A
JPS5932045A JP57141120A JP14112082A JPS5932045A JP S5932045 A JPS5932045 A JP S5932045A JP 57141120 A JP57141120 A JP 57141120A JP 14112082 A JP14112082 A JP 14112082A JP S5932045 A JPS5932045 A JP S5932045A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
instruction
unit
register
signal line
preparation
Prior art date
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Application number
JP57141120A
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English (en)
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Shunichi Torii
俊一 鳥居
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US06/520,769 priority patent/US4626989A/en
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Priority to DE8383107894T priority patent/DE3380279D1/de
Priority to CA000434547A priority patent/CA1202422A/en
Publication of JPS5932045A publication Critical patent/JPS5932045A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/30Arrangements for executing machine instructions, e.g. instruction decode
    • G06F9/38Concurrent instruction execution, e.g. pipeline, look ahead
    • G06F9/3885Concurrent instruction execution, e.g. pipeline, look ahead using a plurality of independent parallel functional units
    • G06F9/3889Concurrent instruction execution, e.g. pipeline, look ahead using a plurality of independent parallel functional units controlled by multiple instructions, e.g. MIMD, decoupled access or execute
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/30Arrangements for executing machine instructions, e.g. instruction decode
    • G06F9/38Concurrent instruction execution, e.g. pipeline, look ahead
    • G06F9/3836Instruction issuing, e.g. dynamic instruction scheduling or out of order instruction execution

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複数台の命令解読器と複数台の演算器を有す
る一台の計算機において、複数の命令解読器の出力を最
適な演算器に分配することによシ、命令間のオペランド
の競合を解消することを目的としている。
一個のプログラム列を実行する逐次型計算機は1組の命
令制御ユニットと演算ユニットで構成される。同一プロ
グラムをさらに高速に実行する計算機を構成するために
上記ユニットを複数組組込むことが考えられるが、次に
示す様な命令例では正しく動作しない。
Load −Register R1、R2(R14−
R2)Add −Register R3、R1(R3
←R,3+R1)’ Load −Register R3、R2(R34−
R2)R1,R2,R3はレジスタ1.2.3を示す。
上記命令群を複数演算ユニットで独立に実行してしまう
と、最終的な結果(この例ではR3)が保証できない。
なぜならば、3個の命令が全く独立に実行されてしまう
ためである。この様な競合をオペランドコン7リトと呼
ぶ。従来の計算機では、オペランドコンフリクトの集中
管理を行なう命令制御ユニットが1個だけ存在し、上記
命令列においても正しい結果を保証することができる。
すなわち、第2番目の命令Add −Register
の実行開始は、第1番目の命令Load  Regis
terの実行結果が得られるまで遅らせる。また第3番
目の命令Load  Registerの実行結果をR
3に曹込む処理を、第2番目の命令がR3の内容を読出
し、実行結果を再びR3に書込むまで遅らせる。
クレイ社のCR,AY−1においては、同時に動作可能
な演算ユニットを複数個内しているが、命令制御ユニッ
トは1個しか存在せず、1マシンサイクルには1個を命
令しか解読できないので、1サイクルに1命令分の演算
ユニットの起動しかできない。つまり、他の演算ユニッ
トはそのサイクル遊んでしまう。
本発明の目的は、複数個の演算ユニットを独立に動作さ
せた時に生じるオペランドコンフリクトを解消し、複数
個の演算ユニットを効率良く動作させることにある。
本発明では、命令の解読処理において先行する命令との
オペランドコンフリクトを検出し、コンフリクト関係に
ある2命令は同一演算ユニットで実行し、コンフリクト
の存在しない2命令は別々の演算ユニットで実行するこ
とにより、各演算ユニット間は全く独立に実行すること
が可能となり、演算ユニットの増加に応じた処理能力の
向上が期待できる。
以下、実施例の構成及び動作を説明する。以下の実施例
では、オペランドは複数個のレジスタ、命令は論理演算
命令、加算命令9乗算命令の3mであることを前提とし
ている。
第1図は、本発明の実施例の計算機の内部構成を示した
ものである。加算ユニット600は、加算と論理演算を
実行することができる。乗算ユニットは、乗算と論理演
算を実行することができる。
命令記憶ユニット100、解読分配ユニット200.2
つの命令実行準備ユニット300と500(以下準備ユ
ニットと呼ぶ)、レジスタ群400は、全体で従来の命
令制御ユニットに相当する機能を実行する。すなわち命
令語の読出し、命令の種類の解読、演算の実行に必要な
レジスタの読出し、演算ユニットへの起動、演算ユニッ
トからの演算結果のレジスタへの書込み、および本発明
と関係の深い命令間のオペランドコンフリクトの解消で
ちる。外部的な機能としては、2個の演算ユニットを制
御している点に特徴がある。
すなわち、2個の準備ユニット300と500は、各サ
イクル毎に1個づつの命令解読結果を受取シ、各サイク
ル毎に加算ユニット600又は乗算にそれぞれ独立に起
動することができる。
最初に、命令記憶ユニツ)100と準備ユニッ)300
,500の動作について説明し、次に解読分配ユニツ)
200の詳細な構成と動作について述べる。
命令記憶ユニット100は、次に解読すべき命令を含ん
だ2個の連続した命令(最初の命令を第1命令、次の命
令を第2命令と名付ける)を読出し、データ線102と
104を経由してそれぞれ第1命令と第2命令の内容を
解読分配ユニット200に送出する。第1命令の内容を
正しく送出した時(以下第1命令が有効な時と呼ぶ)、
信号線101を11”とし正しく送出できなかった時は
0″とする。信号線103を第2命令の有効性に応じて
、°′1”又は10″とする。信号線101と103の
値の組合せが、’oo”となった時はデータ線上の第1
命令も第2命令も有効ではないことを示す。′10#と
なった時は、第1命令のみ有効である。′″01″とな
った時は、第2命令のみ有効である。611#となった
時には、第1命令も第2命令も有効である。解読分配ユ
ニット200は、有効な第1命令を受取シ第1命令の解
読と命令実行準備ユニット500又は700への分配が
成功した時のみ、信号線201を11”とし次の命令の
読出しを要求する。第2命令についても同様に成功した
時のみ信号線202を′1″として次の命令の読出しを
要求する。したがって、次のサイクルでは命令記憶ユニ
ットは解読分配が成功した命令の分だけ先の命令を読出
すことを試みる。
すなわち、命令記憶ユニットより転送した有効な命令が
すべて解読分配に成功した時、次のサイクルでは命令記
憶ユニットは最大2個の新しい有効な命令を転送する。
命令記憶ユニットよシ転送した有効な命令のうち解読分
配に失敗したものがある時、次のサイクルでは命令記憶
ユニットは必らず失敗した命令をすべて含ヰめて最大2
個の有効な命令を転送する。つまシ、解読分配に失敗し
た命令はくシ返し命令記憶ユニットに転送される。
再転送される時、第1命令は再び第1命令として転送さ
れる必要は無く、第2命令として転送されても良い。同
様に、再転送される時第2蔀令は再び第2命令として転
送されなくても良い。しかし、2個の有効な命令が転送
される時、第1命令は第2命令に対して概念上先行する
命令でなければならない。
命令の解読の進行状況に応じて次のサイクルで読出す命
令語を決定する命令記憶ユニットは、たとえばHITA
CM2O0Hで実現されている。
HでTAC−M2O0Hでは、命令語長が4バイトの命
令の解読が成功すれば、次のサイクルには4バイト先の
命令語を読み出し、命令語長が2バイトの命令の解読が
成功すれば、次のサイクルには2バイト先の命令語を読
み出す機能を有している。
解読分配ユニット200は、加算ユニットで実行すべき
命令の解読に成功した時、信号線203上の準備二二ツ
)I送出信号を′1″とし、データa204上に命令解
読情報(具体的には、演算ユニットで行うべき演算の穐
類と演算ユニットへの入力として読出すレジスタ番号と
演算ユニットからの出力を書込むレジスタ番号)を送出
する。
準備ユニツ)I2O3は、命令解読分配ユニットによ)
信号線203の値が′1nの時データ線204を経由し
て命令の解読情報を受取シ、内部に記憶する。次に、レ
ジスタ群400よシ演算に必要なレジスタを読出し、加
算ユニット600へ実行すべき演算の種類の情報(具体
的には、加算か論理演算かを示す情報)とともにデータ
線302を経由して加算ユニット600へ転送する。こ
のサイクルのみ、信号線303上の加算実行開始信号を
′1Mとする。
加算ユニット600は、加算実行が完了すると信号線6
02上の加算実行完了信号をt(lNとし、実行結果を
データ線601を経由してレジスタ群400に送出し、
結果はレジスタ群400に格納される。
ここで注意すべき信号群は、レジスタ群中のレジスタの
ビジーを示す信号であシ、信号線群301を経由して命
令解読分配ユニットに送られる。準備ユニットエは命令
解読分配ユニットからレジスタiを更新する命令を受取
った時、レジスタiのビジーを示す信号を1#とじ、レ
ジスタiへの結果の書込みによる更新が完了した時、′
Onとする。
さらに、準備ユニッ)Iは先行する命令があるレジスタ
jを更新し、後続の命令が同一のレジスタjを参照する
場でも正しくレジスタjの更新内容が伝えることができ
る。
この様な「1個の準備ユニット」の中にレジスタを更新
する命令が存在するか否かを示す信号の作成と、準備ユ
ニット中の複数の命令間での同一レジスタへの更新命令
と参照命令の制御の機能はオペランドコンフリクト制御
機能としてすでにHiTACM2O0やCRAY−1他
にて実現されている。
以下、レジスタ群400は4本のレジスタ(RO,R1
,R2,R3)から構成される例について説明を進める
。各レジスタのビジーを示す信号線群301は、4本の
信号線よシ構成され、それぞれがレジスタのRO−R3
のビジーと対応する。
第2図の上は、命令記憶ユニット、解読分配ユニット、
実行準備ユニット、加算ユニットが1サイクルピツチの
パイプライン動作を行なう様子を示したものであシ、下
のタイムチャートと時間軸は共通である。
第2図のタイムチャートは、前に述べた動作をレジスタ
iに加算結果を書込む加算命令を例として示したもので
ある。信号線101上の第1命令有効信号が″1”とな
ると、約手サイクル後信号線201上の第1命令解読分
配成功信号が′1”となる。信号線101が′1“とな
ってから1サイクル後に、信号線203上の準備ユニツ
)I送出信号が′1”となる。さらに半サイクル後、信
号線群301中のレジスタiのビジー信号が1”となる
。さ゛らに半サイクル後、信号線303上の加算実行開
始信号が”INとなる。1サイクル後、信号線602上
の加算実行完了信号が@1″となシ、半サイクル後、信
号線群301中のレジスタiのビジー信号が@0”とな
る。
乗算命令の場合も、命令実行準備ユニットエ300の代
りに命令実行準備ユニツ)In2O2、加算ユニット6
00の代シに乗算ユニット700を使用する点を除き、
同一の動作を行なう。
信号線205は準備ユニット■送出信号、信号線206
は命令解読情報、データ線402はレジスタ読み出し情
報、信号線502は乗算実行開始信号、データ線502
は乗算入力データ、信号線702は乗算実行完了信号、
データ線701は乗算実行結果、信号線群501は乗算
実行粘結の書込み待ちを示す各レジスタのビジー信号を
示す。
第3図は、第2図の解読分配ユニットの詳細を示した図
である。2個の命令解読器214゜215はそれぞれ、
データ線102又は104を経由して、第1命令又は第
2命令を入力する。各命令解読器214と215はデー
タ線216と224に、それぞれ第1命令又は第2命令
の解読情報(前述)を巳力する。解読情報は分配判定回
路の指示に従って、選択回路260又は261を経由し
て、準備ユニットエ向は解読情報レジスタ281又は、
準備ユニツ)II向は解読情報レジスタ282に格納さ
れ、次のサイクルにはデータ線204又は205を経由
して、準備ユニットエ300又は準備ユニッ)I[50
0に転送される。
命令解読器214および215の出力線217および2
20は、それぞれ第1命令又は第2命令が加算ユニット
で実行すべき種類の命令であることを示す信号を伝える
。すなわち、加算命令の時″′1nとなる。命令解読器
214および215の出力線219、および223は、
それぞれ第1命令又は第2命令が乗算ユニットで実行す
べき命令であることを示す信号を伝える。すなわち、乗
算命令の時゛′1”となる。
第1命令が論理演算命令の時、信号217と219はと
もに′AO#となり、加算ユニットでも乗算ユニットで
も実行可能な種類の命令であることを示す。第2命令が
論理演算命令の時、信号線220と223はともに@0
#となる。
命令解読器214,215の出力信号線218と221
はそれぞれ第1命令又は第2命令にて読出しを行なうレ
ジスタの番号を示す。たとえば出力信号線218は4本
の信号線よシ構成され、1本1本がそれぞれRO,R1
,R2,R3の読出しが必要な時″1#となり、読出し
が不要の時″″0”となる。
検出器230は、加算ユニットで実行させる予定または
実行中の先行命令と第1命令との間でのオペランドコン
フリクトを検出する。すなわち、先行命令が変更予定ま
たは、変更中のレジスタを第1命令が読出すことがある
かを判定する。
第4図は、検出器230の詳細を示したものである。信
号線301中の信号線801は、レジスタROのビジー
(ROを変更予定の命令が存在する)を示し、以下信号
線802,803,804はR1,R2,R,3のビジ
ーを示す。一方信号線218中の信号線811は、第1
命令がROを読出すことを示す信号線である。以下信号
線812゜813.814はR1,11,2,R3の読
出しと対応している。
アンドゲート821,822,823,824はそれぞ
れ、RO,R1,B2. B、3上でのオペランドコン
フリクトを検出し、オアゲート830の出力線830は
、加算ユニットで実行予定の先行命令と第1命令との間
でのレジスタのコンフリクトが一つでも存在すれば′1
#となるので、オペランドコンフリトの存在を検出する
ことができる。第3図の検出器231,232,233
゜234も同一構造である。
第3図の検出器231は、乗算ユニットで実行予定の先
行命令と第1命令間でのオペランドコンフリクトを検出
する回路である。検出器232゜234はそれぞれ加算
ユニットでの実行予定の先行命令又は乗算ユニットでの
実行予定の先行命令と第2命令との間のオペランドコン
フリクトを検出する回路である。
命令解読器214の出力270は、第1命令で変更する
レジスタ番号を示す信号であり、4本の信号線から構成
されそれぞれRO,R1,R2゜R3の変更を示す。
検出器233は、第1命令で変更するレジスタを第2命
令で読出すか(第1命令と第2命令間でのオペランドコ
ンフリクト)を検出する。
分配判定回路250は、第1命令および第2命令が必要
とする演算ユニット、先行命令とオペランドコンフリク
トの有無、第1命令と第2命令間のコンフリクトの有無
を入力として、第1命令および第2命令を準備ユニット
に送出可能か(解読の成功)を判断する回路である。
次に分配判定回路の入力信号の名称と略号を示す。
O信号線101 :Valid 1       (V
l )O信号線103 :Valid 2      
 (V2)0信号線217 : Request Ad
d from 1(R,AI) O信号線219 :屯eqsest Mult fro
ml(RMI) 0検出器230出カニ Confl ict Add 
& 1(CAI) 0検出器231出カニ Conflict Mult 
& 1(MAL) 0信号線22 Q : Request Muit f
rom 2(RM2) 0検出器232出カニ Conflict Add &
 2(CA2) 0検出器234出カニ Conflict Mulj 
& 2(0M2) 0検出器233出カニ Conflict l & 2
(C12)第1命令を加算ユニットと結合した準備ユニ
ットエに送出して良い条件(3end l to Ad
d 。
8A1と略す)は、下記のすべての条件が成立した時で
ある。
(イ)の条件は、第1命令が有効であることを示してい
る。(ロフの条件は乗算器でなくても実行できる種類の
演算であること、すなわち加算命令が論理演算命令であ
ることを示している。ヒ1の条件は、準備ユニット■で
更新する予定のレジスタを参照することが無いこと、す
なわち準備ユニツ)I[に存在する先行命令とは独立に
実行して良い命令であることを示している。
ゆえに、 SA1=V1−RMI−CMI 第1命令を乗算ユニットと結合した準備ユニット■に送
出して良い条件(F3end l to Multi。
SMIと略す)は、下記のすべての条件が成立し九時で
ある。
ゆえに、 8M 1 =V 1−:E?、AI −CAL第2命令
を加算ユニットと結合した準備ユニットIに送出して良
い条件(5end 2 to Add 。
SA2と略す)は、以下のすべてが成立した場合である
19end l to Multi = 1ゆえに、 SA2=V2−RM2−0M2− (V1+012)”
 (V1+SA1+SM1 ) に)は、第1命令と第2命令の間にコンフリクトが存在
しないことを示す条件である。第1命令と第2命令が有
効でその間にコンフリクトが存在する時、第2命令は第
1命令と同じ準備ユニットに転送する必要がある。第3
図に示した実施例では同一サイクルには1個の命令しか
同一準備ユニットに転送できないため、本条件に)が必
要である。
61=)は、有効な第1命令の解読に英数した時、第2
命令の解読も抑止するだめの条件である。第3図に示し
た¥施例で1は、第1命令と第2命令がともに有効な時
、第2f令だけの解読分配は実行しない。
第2命令を乗算ユニットと結合した準備ユニット■に送
出17て良い条件(3end 2 to Multi 
8M2と略す)も同様に決められる。
8M2=V2−11.A2−CA−(V1+Cl2)・
(V1+SAI+Sλ41) 以上の4つの条件(8A1.SMI、SA2゜5M2)
から、信号線201(第1命令の解読の成功を示す)、
信号線202(第2命令の解読を示す)、FF283 
(加算ユニットと結合した準備ユニットIへの命令の解
読情報の転送を示すFF)への入力信号、FF284 
(乗算ユニットと結合した準備ユニットIfへの命令の
解読情報の転送を示すFF)への入力信号、選択回路2
60及び261を制御する信号線251を作成する。
第5図は、その作成例を示したもので、4個の入力の組
合せ16通シについて、6個の出力例を示している。出
力値を決める原則は次の点である。
(υ 第1命令を優先して転送する。
(2)第1命令が準備ユニットのIへも■へも転送でき
る時は、第2命令が転送できない側へ転送する。
第5図および第3図において、信号線251が0#の時
、選択回路260および261により信号線216と2
24の内容がそれぞれFF281(レジスタ)と282
に入力され、1”の時逆にFF282と281に入力さ
れる。次のサイクルでは、FF281と282に格納さ
れた第1命令または第2命令の解読情報が準備ユニット
エ又は準備ユニットI[へそれぞれ信号線204又は2
06を経由して転送される。FF283およびFF28
4は、正しい解読情報が転送された時のみ′1”となり
、それぞれ信号線204又は206を経由して準備ユニ
ットI又は準備ユニット■に転送される。
第5図において、0/1は0#又はパ1#のいずれの値
でも良いことを示す。
次に(8A1,8M1,8A2,5M2)が(0,1,
1,1)の場合を例として図5を説明する。この場合に
は、SAI以下の意味から、第1命令は乗算ユニットを
制御する準備ユニット■にのみ転送が可能であり、第2
命令は準備ユニットエでも■でも転送可能な状態にある
。前述したた 様に第1命令を優先的に転送する必要があシ、ま八 同−準備ユニットには同時には1個の命令しか転送でき
ないので、第1命令を準備ユニット■に転送し第2命令
を準備ユニツ)Iに転送するスケジュールが最適である
。従って第1命令の解読分配が成功し次のサイクルでは
次の命令を命令解読器214が受付は可能であることを
示す信号線201を@1#とする。同様に第2命令の解
読分配が成功し次のサイクルでは次の命令を解読器21
4が受付は可能であることを示す信号線202をto 
1mとする。第1命令用の命令解読器214の出力21
6をレジスタ282に入力し、第2f?l令用解読器2
15の出力224をレジスタ281に入力するため、選
択回路260と261を制御する信号線251を1”と
する。FF283とFF284への入力は、いずれも@
′1”とする。
次に、(SAI、SMI、SA2.8M2)が(1,0
,1,O)の場合を説明する。この場合には、第1命令
も第2命令も準備ユニットエしか転送できない条件であ
るが、第1命令優先の原則によシ第1命令のみ準備ユニ
ットエに転送し、第2命令はいずれにも転送しない。従
って信号線201と202はそれぞれ11#と0”とな
り、第1命令のみ解読分配に成功したことを示す。信号
線251はuO”として、第1命令用の命令解読器21
6の出力216をレジスタ281に入力する。FF28
3と284の入力はそれぞれパ1”と°゛0”とし、次
のサイクルでは準備ユニット■へのみ解読器の命令が転
送されることを示す。
第5図に訃いて、(SAI、SMI、SA2゜8M2)
が(0110,0111,1001゜1011.110
1,1110,1111)の7通りの場合には、2つの
命令の解読情報が2つの準備ユニットに同時に転送する
ことができる。2つの準備ユニットは互いに全く独立に
動作しても、オペランドコンフリクトによる誤動作は生
じない。
従って1サイクルに2命令を処理する能力を第1図に示
した処理装置は有している。
以上の実施例ではレジスタ1個ごとにコンフリトが存在
するかを正確に判定するオペランドコンフリクト検出回
路を有しているが、たとえば2個のレジスタをまとめて
コンフリクトを検出する様に検出能力を粗くしたもので
も良い。しかし、この場合に実際にはコンフリクトが発
生していない列に2つの演算ユニットで実行可能な命令
を同一演算ユニットに逐次的に分配し性能を低下させる
可能性がある。
以上の実施例では、レジスタ上のコンフリクトのみをオ
ペランドコンフリクトとして示したが、メモリ上のオペ
ランドに対しても同様に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による処理装置の構成図、第2図は第1
図にした処理装置の動作を示すタイムチャート、第3図
は、第1図の解読分配ユニットの詳細構成例を示した図
、第4図は、第3図のオペランドコンフリクト検出回路
の詳細を示した図、第5図は、第3図の分配判定回路の
動作を示した図である。 代理人 弁理士 薄田利幸 第 1 図 第 2 口 第 3 区 1”A      203   tvs      z
o6Y4−図 g3θ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、複数個の互いに独立な演算ユニットと、上記各演算
    ユニットとそれぞれ結合した複数の準備ユニットと、1
    個又は複数の命令語解読器を有し、 解読中の命令が上記複数の準備ユニット中の先行命令に
    より更新されるオペランドを参照する可能性があること
    を検出する検出回路と、上記検出回路の出力に応じて、
    上記1個又は複数の命令語解読器の出力を上記複数の準
    備ユニットに分配することを制御する分配判定回路から
    構成される情報処理装置。 2、分配判定回路は、解読中の命令が準備ユニット中の
    先行命令によシ更新されるオペランドを参照する可能性
    ある時、上記解読中の命令語を保持する解読器の出力は
    、上記先行命令を保持する準備ユニットに転送されるこ
    とを特徴とする第1項の情報処理装置。
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