JPS61101834A - 半導体集積回路プロセツサ - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、指数部可変長表現による浮動小数点演算を少
ないハードウェア量で高速に行う１チツプ半導体集積回
路プロセッサに関する。

〔発明の背景〕

浮動／Ｉ＼数点表現は大きな数も小さな数も同じ精度で
取扱うことが可能なため、特に科学技術計算において利
用されている表現方式である。

しかしながら、従来の指数部固定長浮動小数点表現では
指数部のビット長が固定であったため、表現される数の
範囲が狭いという欠点があるとともに、指数部の値が小
さく、指数部に割り当てられたビット長を全て使い切っ
ていない場合にそのスペースを仮数部の精度を上げるこ
とに利用するというような柔軟性もないという欠点も指
摘されていた。　　　−゛ 一例として、デジタル信号処理の分野においては、音声
、楽音処理の場合のように、データの数′（値の振幅は
大きいが、データ値が小さいときは演算精度が必要とさ
れ、データ値が大きいときはそれ程演算精度が必要とさ
れないといった情報を扱うことも多い。したがって、こ
ういった場合には、従来の指数部固定長の浮動小数点表
現では、上記の２つの要求事項を満足させるためには、
データの全体のビット長が非常に長くなってしまい、ハ
ードウェアの量が増加するとともに、その増加に伴って
演算速度の低下が生じてしまう。

特に、近年進展の著しい、半導体集積回路によるプロセ
ッサでは、データのビット長の増加は、１チツプ上に搭
載可能なハードウェア量の制約の観点から可能な限り避
けなければならない事項である。

このため、従来の指数部固定長表現に代わる指数部可変
長表現による浮動小数点のデー多形式と−して、特開昭
５９−１１４４４号、実開昭５７−１６６２４０号に記
載されているような、指数部可変長表現による浮動小数
点データ形式が提案・されている。

指数部可変長表現による浮動小数点データ形式の場合に
問題となるのは、 （１）そのままの表現形式では演算処理が不可能なので
、演算処理のために指数部固定長の浮動小数点データ形
式も用意する必要がある。このため、プロセッサ内に２
種のデータ形式が存在し、データの転送、格納等におけ
るデータ管理が煩雑になる。

（２）また、従来開発された指数部固定長表現によるデ
ータ形式のプログラムもそのまま実行するために、プロ
セッサ内に両方の表現形式によるデータを有し、演算モ
ードを切換えるような方式は、大形のプロセッサでは可
能であるが、半導体集積回路によるプロセッサでは、ハ
ードウェア量の観点から、実現が非常に田辺であるとい
う問題点があった。

〔発明の目的〕　　　　　′ 本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を除去する
ものであって、半導体集積回路によるプロセッサにおい
ても容易に指数部可変長表現によるデータ形式を取扱う
ことを可能とするプロセッサの方式を提供する二とにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、プロセッサ内の指数部固定長表現のデータ形
式を取扱う個所をを限定するプロセッサの構成法を採用
することにより、指数部可変長表現のデータ演算が可能
が半導体集積回路プロセッサを実現したものである。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を述べるに当って、本発明で扱う指数部
可変長表現のデータ形式は、特開昭５９−１１４４４号
、実開昭５７−１６６２４０号で記載されている指数部
可変長表現のデータ形式とし、本発明では単↓；指数部
可変長データと呼称することとする。

第１図は本発明の第１の実施例を示す図である。

第１図において、１００は半導体集積回路プロセッサで
あり、１０１は外部からプロセッサへの入力データ、１
０２はプロセッサから外部への出力データである。１１
０はプロセッサ内のデータ記憶部−１２０はプロセッサ
内の演算部及び演算結果保持部とデータ記憶部を結ぶデ
ータバス（以下単にデータバスと呼称する。）１３０は
データバス上の指数部可変長データを指数部固定長デー
タに変換し、データ演算部へ出力するデータ変換部１．
１４０は１３０のデータ、あるいは１５０からのデータ
を受けて演算を行うデータ演算部、１５０はデータ演算
部からの出力を受けて、データを保持することと、保持
しであるデータ１４０と１６０へ出力するデータ保持部
、１６０は、１５０からの入力を受けて指数部固定長デ
ータから指数部可変長データへ変換し、データバスへ出
力を行うデータ変換部２，１７０は命令制御部、１８０
は外部データ入出力部である。

本発明のプロセッサでは、プロセッサ内に扱うデータ形
式と次のようにする。

（１）入出力データ１０１，１０２、データ記憶部１１
０、データバス１２０、命令制御部１７０は、指数部可
変長データを扱うとする。

（２）データ演算部１４０（演算器及び演算器間を直結
する演算部内部バスを含む）と演算結果保持部１５０は
指数部固定長データを扱うとする。

ここで命令制御部におけるデータとは、イミデイエイト
命令におけるデータを意味している。

第１図に示した本発明のプロセッサの基本的な動作は以
下のようである。

命令制御部１７０に蓄積されたプログラムにより、プロ
セッサは動作し、命令制御部からの信号により （１）指数部可変長表現のデータをデータバス１２０上
に取込むか、データバス上の指数部可変長表現のデータ
を外部へ出力する。

（２）データ記憶部１１０中のデータをデータバス１２
０へ出力するか、データバス上のデータをデータ記憶部
へ入力する。

（３）データバス１２０上のデータを演算部】４０へ入
力し、演算を行い演算結果を演算結果保持部１５０へ保
持する。また、演算結果保持部のデータをデータバスへ
出力する。あるいは、演算保持部のデータを演算部へ入
力し、演算結果を再度演算結果保持部で保持する。ある
いは、演算部中に複数の演算器を有する場合は、入力さ
れたデータの処理すべき演算器を選択する。　　　　　
　６゛□また。演算部１４０内部バスによる演算器間の
データ転送を制御する。ここで、データバス１２０と演
算部１４０との間に指数部可変長データから固定長デー
タへのデータ変換部１３０を配置し、データバス上のデ
ータを自動的に指数部固定長データへ変換する。

また、演算結果保持部１５０とデータバス１２０との間
に指数部固定長データから可変長データへのデータ変換
部１６０を配置し、演算結果保持部のデータを自動的に
指数部可変長データへ変換する。

このデータ変換は公知のプライオリティエンコーダとシ
フト回路を組合せて指数部と仮数部の境界を見つけて分
離することによって可能となる。また逆変換も、プライ
オリティエンコーダ等を用いて指数部の有効桁数を検出
して、シフト量を決定し、指数部と仮数部を結合するこ
とによって可能となる。

（４）命令制御部１７０のイミデイエイトデータは、指
数部可変長データとしてデータバス１２０へ出力する。

以上述べたように、本発明のプロセッサの構成上及び動
作形態上の特徴は、データ演算部と演算結果保持部だけ
指数部固定長表現のデータを扱い。

これらの部分のデータ入出力部にデータ変換部を設け、
指数部可変長表現との間のデータ変換を自動的に行って
いることである。このようなプロセッサの構成をεるこ
とにより、以下に述べるような数々の利点が得られる。

（１）データ記憶部、データバスを指数部可変長表現の
データ形式とすることにより、ハードウェア量の低減を
図ることが可能になる。

前述したように、扱う情報のデータ数値の振幅が大きく
、データ値が小さいときは演算精度が必要とされ、デー
タ値が大きいときはそれ程演算精度が必要とされない場
合には、データ記憶部とデータバスを指数部可変長表現
のデータ形式にするとデータ値の大小に応じて仮数部の
ビット長が自動的に変化するのでハードウェア量の低減
が可能になる。とくに、半導体集積回路においては、１
チツプに搭載可能なハードウェア量の制限から集積面積
が大きくなるデータ記憶部、データバスのビット長を極
力少なくするために本発明のようなプロセッサ構成とす
ることが有利である。

（２）演算結果保持部を指数部可変長表現のデータ形式
とすることにより、演算速度の向上を図ることが可能に
なる。

演算結果保持部を指数部固定長表現のデータ形式とする
ことも考えられるが、この場合には、演算部と演算結果
保持部の間にデータ変換部を設ける必要がある。

このような構成をとった場合には演算結果保持部のデー
タ同志での演算あるいは演算結果保持部のデータとバス
上のデータとの演算あるいは演算部が複数の演算器（例
えば加減算器−と乗算器）で構成されていて１つの演算
器の演算結果データをそのまま他の演算器への入力デー
タとするような演算（例えば積和演算）においても、必
ずデータはデータ変換部を通過する必要があるために演
算速度が低下する。しかも、こういった種類の演算は非
常に頻繁に生じる。

したがって１本発明のように演算結果保持部を指数部固
定長表現のデータ形式にしておくことにより、上述した
ような種類の演算を行う場合には、演算結果保持部のデ
ータがデータ変換部を通過することがないので高速な演
算が可能となる。

（３）命令制御部１７０中のデータを指数部可変長デー
タとすることによって、イミデイエイトデータを直接に
データバス１２０へ出力できるため、ハードウェア量の
低減が可能である。もし命令制御部１７０中のデータを
指数部固定長データとした場合には、演算部１４０へ直
接に接続線を配線しなければならないためにハードウェ
ア量が多くなってしまう。

（４）プロセッサ内で指数部固定長データを扱う部分を
演算部１４０と演算結果保持部１５０に限定したことに
より、ハードウェア量の低減、演算速度の向上が図られ
る。

プロセッサ内において、データバス上、データ記憶部で
指数部可変長と固定長のデータを扱えるようにした場合
には、指数部固定長表現で作成された従来のプログラム
をそのまま用いることができる反面、次のような問題点
も生じる。

その１つは、指数部可変長データと指数部固定長データ
の他にもう一つの指数部固定長データ表現を設け、これ
を共通表現として演算部、演算結果保持部でこの共通表
現を用いることになる。このため、データ変換部として
は、指数部可変長データと共通表現データとの間の変換
、及び、指数部固定長データと共通表現データとの間の
変換が必要になり、ハードウェア量が増加する。また、
指数部可変長データを扱うか。

固定長データを扱うかでプロセッサのモード切換えが必
要になり、演算速度が低下する場合も生じる。

さらに、指数部可変長と固定長の両データを扱えるとし
ても、データバスを藺表現で共通に用いる場合には、指
数部固定長データのビット長は指数部可変長データのビ
ット長で制限されてしまう。このことは、指数部固定長
データでの演算では常に指数部可変長データでの演算よ
りもデータ値の振幅が低く抑制されてしまい、［［部可
変長データプロセッサのメリットを生かし切れなくなる
。

データバスを両表現で独立に持たせた場合には、ハード
ウェア量が非常に多くなり、半導体集積回路プロセッサ
のような場合にはプロセッサの実現が困難になる。

加えて、指数部可変長データは短かいビット長で大きな
数を表現できるため、指数部固定長データと同一のデー
タ値範囲を扱う場合には指数部固定長データより短いビ
ット長で済む。このため、従来の指数部固定長データの
ビット長に合せてハードウェアを構成すると、そのプロ
セッサは指数部可変長データに対しては余分なハードウ
ェアを多数持つことになる恐れがある。

とくに、プロセッサ内のデータ記憶は、プロセッサ内に
占める集積面積が大きいために上述のような余分なハー
ドウェア量が増加することは避ける必要がある。

こういったことから、本発明のプロセッサ構成のように
、指数部固定長データを扱う部分を演算部と演算結果保
持部に限定した構成がハードウェア量低減と演算速度向
上のうえで大きな効果がある。

第２図は本発明による第２の実施例である。

第２図は、第１図で示した本発明の実施例のプロセッサ
構成に加えて、プロセッサ外部とのデータ人出部にデー
タ変換部１９０を配置し、データ変換の種類を制御する
端子１０３を備えた構成としている。その他の構成は、
第１図と同一である。

この新たに追加したデータ変換部は、次のような動作を
行う。

外部からの制御信号１０３により、プロセッサへ入力さ
れたデータが指数部可変長データか、指数部固定長デー
タか、あるいは固定小数点データかを識別し、プロセッ
サ内部で用いている指数部可変長データへ変換する。ま
た逆に、外部制御信号によりプロセッサ内部で用いてい
る指数部可変長データを外部に必要なデータ形式（指数
部可変長データか、指数部固定長データか固定小数点デ
ータ）へ変換して出力する。

その他の動作は、第１図の実施例のプロセッサと同一で
ある。

本実施例で示したようなプロセッサ構成の場合には、第
１図で述べたプロセッサ構成の利点に加えて、プロセッ
サの外部とのインタフェースで、種々のデータ形式とプ
ロセッサ内のデータ表現形式（指数部可変長表現）との
変換を行っているので、従来の表現形式である指数部固
定長データや固定小数点データの演算を直接に扱うこと
は可能になる。しかも、種々のデータ形式を扱いながら
そのデータ形式の指定は外部制御信号で行うことができ
るため、プロセッサとしては取扱っているデータの形式
を意識してプログラムを組む必要がない。またプロセッ
サの内部のデータ記憶部、データバス、命令制御部を指
数部可変長データ表現□−５ｆ、２、−１つ、ア、ｔう
：８カ、イ、−う。　　　ｉ゛・なお、データ変換部１
９０は、データ変換が可能なデータ形式の種類の数を必
要に応じて増減できることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、少ないハード
ウェア量で指数部可変長データを容易に取扱えるプロセ
ッサを構成できるので、半導体集積回路による指数部可
変長データ用プロセッサを実現することが可能になる。

また本発明による半導体集積回路プロセッサの実現によ
り、高速、高精度なデータ演算をより低コストで行うこ
とができ、デジタル信号処理やその他汎用のデータ処理
の分野において、大きな経済上の利点と科学技術上の進
歩に大きな貢献をすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例、第２図は本発明の第２
の実施例を示す集積回路構成の平面図である。 １１０・・・プロセッサ内のデータ記憶部、１２０・・
・データバス、１３０・・・データ変換部１，１４０・
・・演算部、１５０・・・演算結果保持部、１６０・・
・データ変換部２，１７０・・・命令制御部、１８０・
・・外部データ入出力部、１９０・・・データ変換部、
１０１・・・外部からのデータ入力、１０２・・・外部
へのデータ出力、１０３・・・外部データの内部データ
形式への変換及び内部データの外部データ形式への変換
第　１　　口 第　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、データ記憶部、演算部、演算結果保持部、命令制御
   部、外部データ入出力部、データバス、データ変換部１
   ，２を有し、データ記憶部へのデータの入出力は該デー
   タバスを介して行い、外部データ入出力部は該データバ
   スに接続して外部とのデータの入出力を行い、データ変
   換部１は該データバスから入力を受けて演算部へデータ
   を出力し、演算部はデータ変換部１と演算結果保持部か
   ら入力を受けて演算結果保持部へデータを出力し、演算
   結果保持部は演算部より入力を受けて演算部とデータ変
   換部２へデータを出力し、データ変換部２は演算結果保
   持部より入力を受けてデータ変換した後にデータバスへ
   出力し、命令制御部のイミデイエイトデータはデータバ
   スへ出力するプロセッサ構成を有し、データ記憶部中、
   データバス上、命令制御部中のデータは指数部可変長浮
   動小数点データとし、演算部と演算結果保持部中のデー
   タは指数部固定長浮動小数点データとし、データ変換部
   １は指数部可変長浮動小数点データから指数部固定長浮
   動小数点データへデータ変換を行う機能を有し、データ
   変換部２は該データ変換部１と逆のデータ変換を行う機
   能を有することを特徴とする半導体集積回路プロセッサ
   。 ２、特許請求の範囲第１項記載のプロセッサにおいて、
   外部データ入出力部にデータ変換部３、及びデータ変換
   の種類を選択する外部制御端子を備え、データ変換部は
   、外部からのデータのデータ形式を該外部制御端子の信
   号により識別し、上記外部データをプロセッサ内部のデ
   ータ形式である指数部可変長浮動小数点データに変換す
   る機能とプロセッサ内部データを該外部信号に応じて外
   部に必要なデータ形式に変換する機能を有することを特
   徴とする半導体集積回路プロセッサ。