JPS6148737B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデータ処理装置におけるループ処理の
先取り方式に関するものである。更に詳しく言え
ば、命令の取り出しと実行とが各、並列／非同期
に処理されるデータ処理装置においてプログラム
で指示される手続きの繰り返し動作を高度に先取
りしようとした場合に必要とされる命令先取り制
御方式に関するものである。

通常の大型計算機においては、命令実行速度の
高速化を図るために１命令の実行はいくつかのス
テツプに分散されて処理されるのが普通である。
各処理ステツプは一般に結線論理回路で構成され
た専用ハードウエアにより実行され、あるステツ
プの処理結果は、次のステツプの入力となるよう
に構成されている。従つて、１つの命令は順次、
各処理ステツプを経過して処理されてゆく。一
方、各処理ステツプを構成しているハードウエア
回路は１命令分の処理を完了した後、直ちに次の
命令の処理を開始することが可能であり、結果と
して、分解したステツプの数とほぼ同数の命令を
同時に処理できることになる。このような命令の
処理方式は一般にパイプライン処理方式と呼ば
れ、命令の取り出し動作と、実行とが独立かつ並
列に処理されるため、命令実行に先立つて、命令
の先取り処理が効率良く行われる。

しかしながら、このような従来の命令先取り処
理方式ではループ処理を効率良く先取りすること
ができない。詳しく説明するために、ループ処理
を実行する簡単なプログラムを例に挙げて説明す
る。

第１図ａはFORTRANで記述された簡単なル
ープ処理プログラムの例で、配列Ａの全要素をゼ
ロ・クリアすると共に、配列Ｂの各要素を順次、
１から100までの整数を設定する初期化プログラ
ムである。変数はDo文に含まれる手続きの繰
り返し回数を制御する制御変数であると同時に、
手続き内で参照される通常の変数でもある。第１
図ｂは通常の汎用計算機において第１図ａのプロ
グラムを処理する場合の一般的な処理手順を示し
たものである。１から５までの番号を付与した各
基本処理は１機械語命令（以後単に命令とする）
で実行される場合もあるし、複数の命令の組合せ
で実行されることもある。しかしながら、処理２
の命令（列）を先取りしようとした場合、配列要
素Ａ（）の記憶位置は処理５の実行が完了しな
いと求めることができないため、先取り処理が行
えない。このように、従来の命令先取り処理方式
でループ処理を効率良く扱えないのは、手続きの
繰り返しを制御する制御変数と通常の変数との区
別がつけられないこと、及び命令を先取りする機
構の中に、該制御変数の値を更新する手段を持た
ないことに起因している。

本発明の目的は、このような従来の命令先取り
処理方式の欠点を無くし、ループ処理を効率良く
先取り可能とすることにある。

本発明によればプログラムの実行における命令
の取り出しを行う第１の処理部と、取り出した命
令を実行する第２の処理部とを含み、１つの命令
の取り出しと実行とが互に独立に処理されるデー
タ処理装置において任意の手続きを繰り返し実行
せしめる場合に、繰り返し動作の開始と該手続き
を構成する機械語命令列の終端を指示する情報と
を該データ処理装置に通知せしめる機械語命令を
設けると共に、該第１の処理部内に、取り出した
命令が該繰り返し動作の開始を指示する命令であ
ることを識別する手段と、該繰り返し動作を制御
するために必要な制御情報を格納する手段と、取
り出した命令の任意のオペランドが該繰り返し動
作の終了を制御するために用いられる制御変数と
同じものであることを識別する手段と、繰り返さ
れる該手続きを構成する機械語命令列の終端を検
出する手段と、該終端を検出した場合に該制御変
数の値が該繰り返し動作の終了条件を満足させる
か否かの判定及び該制御変数の更新を行う手段と
を設けることによつて該制御変数の読み出しと更
新処理を該第１の処理部において独立に実行可能
とし該制御変数が繰り返し動作の対象となる該手
続きの中で通常のオペランドとして用いられた場
合の先取りを可能とした命令先取り制御方式が得
られる。

以下、本発明について実施例を用いて詳細に説
明する。

第２図は本発明の概念を説明したもので、従来
の計算機における命令の処理を大きく２つに分
け、各々を命令取出部と命令実行部と呼ぶことと
し、図示してある。命令取出部によつて先取りさ
れた命令は実行部に送られて実行されるが、この
命令の流れを命令ストリームとして表現してあ
り、図において下端が実行すべき命令の先頭を示
している。本発明の要旨は、従来の命令先取り処
理方式に、手続きの繰り返し動作と、繰り返しを
制御する制御変数を指示する命令を設けると共
に、命令取出し部に該制御変数を識別する機構
と、該制御変数の値を更新する機構と、繰り返し
動作終了を判定する機構とを備えることによりル
ープ処理の効率の良い先取りが可能になるという
ことである。第１図ａの例を用いて説明すれば、
変数が制御変数であることを命令取出部は認識
しておりそれによつてを１から100まで順次１
ずつ更新してゆくと共に、100になつた時点で、
Do文の次の命令の取り出しを開始することが可
能である。更に、Ａ（），Ｂ（）で示される
ような手続きの中に出てくる配列要素の番号を示
す変数が命令取出部で保存している制御変数
と同じものであることを認識することによつて、
その値を記憶装置から読み出すことなく保存して
いる値で代替することが可能である。従つて、Ａ
（），Ｂ（）の記憶位置は命令取出部で単独に
決定することができ、第１図ｂで述べたように実
行部での命令実行結果を待ち合わせる必要が無
い。代入文の右辺に現われる変数についても同
様である。本発明の命令先取り方式では、結果と
して第２図に示した命令ストリームを命令取出部
が実行部と独立に生成することが可能である。

第３図は本発明の一実施例である計算機の機械
語命令形式を説明したものである。

本計算機の命令は、命令コード部と、オペラン
ド・データを表現するためのオペランド部によつ
て構成されている。オペランド部は更にデータの
属性（データ・タイプ、配列等のデータ構造な
ど）とデータの格納されている主記憶装置上の記
憶位置を示す主記憶アドレスとから成つているオ
ペランド記述子により構成されている。オペラン
ドが配列要素の場合、オペランド部は配列の先頭
を指すオペランド記述子と指標／添字を指すオペ
ランド記述子により構成されている。

第４図は本計算機のブロツク図である。本実施
例は命令取出部１、バツフア・メモリ２、命令実
行部３、メモリ・インタフエース装置４、主記憶
装置５、命令の内部形式を命令取出部１からバツ
フアメモリ２へ転送するパス６、バツフア・メモ
リ２から命令実行部３へ転送するパス７、命令取
出部１が命令及びオペランド・データを主記憶装
置５から読み出すためのパス８、命令実行部３が
主記憶装置５へ処理結果の書き込みを行うための
パス９より構成される。

次に本計算機の動作を説明する。命令及びオペ
ランド・データは主記憶装置５に格納されてい
る。命令取出部１は主記憶装置５よりメモリ・イ
ンタフエース装置４及びパス８を介して命令を取
り出し、内部で統一的に扱うための固定長の内部
形式を生成し、パス６を介してバツフア・メモリ
２に格納する。読み出した命令がオペランド・デ
ータを必要とする場合には、更にメモリ・インタ
フエース装置４及びパス８を介してデータを読み
出し内部形式に付加してバツフア・メモリ２に格
納する。命令実行部３は命令取出部１とは独立／
非同期にパス７を介してバツフア・メモリ２をア
クセスし、命令が格納されていればそれを取り出
す。この時、バツフア・メモリ２が空であれば命
令が格納されるまで待ち合わせる。命令実行部３
は、取り出した命令の種類に応じて、更に、後続
するオペランド・データもしくはオペランドの記
憶位置情報を示す内部形式をパス７を介してバツ
フア・メモリ２より必要な数だけ取り出し、指定
された演算を行う。演算結果はパス９により、メ
モリ・インタフエース装置４を介して主記憶装置
５に書込まれる。例えば命令が２つのオペラン
ド・データ間での演算を行い、その結果をある主
記憶アドレスへ格納することを指示するものであ
れば、命令実行部３は命令取出部１よりバツフ
ア・メモリ２及びパス６，７を介して命令、第１
オペランド・データ、第２オペランド・データ、
格納先主記憶アドレスの順に内部形式を受けと
る。

第５図は命令取出部１のハードウエア構成を示
したもので、命令の読み出しを管理するバツフ
ア・アドレス・レジスタ１０１、命令バツフア・
レジスタ１０２、命令解読器１０３、各命令に対
応した内部形式を生成する内部形式生成部１０
４、生成した内部形式を一時的に保存するデイス
クリプタ・レジスタＡ１０５及びデイスクリプ
タ・レジスタＢ１０６、処理中の命令の主記憶ア
ドレスを保存する命令アドレス・レジスタ１０
７、命令の命令コード部を格納する命令コード・
レジスタ１０８、読み出そうとするデータの主記
憶アドレスを格納するメモリ・アドレス・レジス
タ１０９、読み出したデータを格納するデータ・
レジスタ１１０、すべての演算及びデータ変換を
実行する演算論理部１１１、作業用レジスタとし
て、またループ処理における制御変数の格納に用
いるワーク・レジスタ・フアイル１１２及び全体
の制御を行うシーケンス制御部１１３より構成さ
れる。

以下に命令取出部の動作を詳細に説明する。

命令はバツフア・アドレス・レジスタ１０１で
指示される主記憶アドレスに従つて第４図の主記
憶装置５よりパス８を介して読み出され命令バツ
フア・レジスタ１０２に置かれる。読み出された
命令の命令コード部は命令コード・レジスタ１０
８に格納され、パス６を介して第４図のバツフ
ア・メモリ２に転送される。命令のオペランド部
は内部形式生成部１０４へ送られ、内部形式に変
換された後、デイスクリプタ・レジスタＡ１０５
へ置かれる。ここで生成される内部形式は、第３
図に示したオペランド部のデータ属性と主記憶ア
ドレスとが、内部で扱い易いように固定長形式に
整理されたものである。本計算機の命令は、演算
対象となるオペランド・データを必要とするのが
普通で、その場合、デイスクリプタ・レジスタＡ
１０５に置かれたオペランドの主記憶アドレスを
メモリ・アドレス・レジスタ１０９に転送し、対
応するオペランド・データの読み出しを行う。読
み出されたデータは一担、データ・レジスタ１１
０に格納された後前記デイスクリプタ・レジスタ
Ａ１０５中のデータ属性に応じて演算論理部１１
１で必要なデータ変換を施されデイスクリプタ・
レジスタＢ１０６に送られる。デイスクリプタ・
レジスタＢ１０６の内容は、命令コード・レジス
タ１０８に格納された命令コード部と同様にパス
６を介して第４図のバツフア・メモリ２に転送さ
れる。デイスクリプタ・レジスタＡ１０５に生成
された内部形式が、演算結果の移送先のような主
記憶アドレスを表わすオペランドに対応する場合
には、オペランド・データの読み出しは不要で、
そのままデイスクリプタ・レジスタＢ１０６に送
られ、パス６を介してバツフア・メモリ２に転送
される。

オペランドが配列要素に関するものである場
合、第３図に示したように、デイスクリプタ・レ
ジスタＡ１０５に初めに生成されるものは配列の
先頭を示す主記憶アドレスを持つた内部形式であ
る。目的の配列要素の主記憶アドレスを求めるた
めには後続の指標／添字データを用いて該配列要
素の配列先頭位置からの相対値を加算する必要が
ある。この処理を行うために、デイスクリプタ・
レジスタＡ１０５の内容を一時的にワーク・レジ
スタ・フアイル１１２に退避する。次に後続する
指標／添字を示すオペランド記述子を命令バツフ
ア・レジスタ１０２より取り出し、通常のオペラ
ンド・データの読み出しと同様の処理によりその
値をデータ・レジスタ１１０に読み出す。最後
に、ワーク・レジスタ・フアイル１１２に格納し
てあつた配列先頭を示す内部形式の主記憶アドレ
スに、読み出した指標／添字の値を加算し、目的
とする配列要素の内部形式としてデイスクリプ
タ・レジスタＢ１０６に格納し、パス６を介して
バツフア・メモリ２へ転送する。

このようにして、命令コード部と、必要な数の
オペランド部の内部形式をバツフア・メモリ２に
転送して一命令の処理が完了するが、上記手順は
すべて、シーケンス制御部１１３によつて制御さ
れている。

命令実行部３は命令取出部１と同様に、第４図
のバツフア・メモリ２よりパス７を介して取り出
される命令コード部を格納する命令コード・レジ
スタ、オペランド部の内部形式を格納するデイス
クリプタ・レジスタ、第４図の主記憶装置５にメ
モリ・インタフエース装置４及びパス９を介し演
算結果を書き込むためのメモリ・アドレス・レジ
スタ、データ・レジスタ、汎用ワーク・レジス
タ・フアイル等（以上図示せず）から構成されて
いる。最終的な命令実行を司る部分として、算述
演算論理部等の演算機能が強力になつているが、
本発明要件には直接関係しないので詳細は省略す
る。

次に、第１図ａのプログラム例が本計算機によ
つて、どのように処理されるかを示すことにより
命令取出部１の動作を具体的に説明する。

第６図は、第１図ａのプログラムを実行するた
めの本計算機の機械語命令列を示したものであ
る。DO命令は、本計算機に対し以下に続く命令
列を繰り返し実行することを指示する命令であり
第１オペランド部では繰り返しを制御する制御変
数、第２オペランド部では制御変数の初期値、第
３オペランド部では制御変数の終値を指示してい
る。本DO命令において制御変数の更新は暗黙に
１ずつ増加するものとされている。また、本プロ
グラム例では、制御変数の初期値、終値が共に小
さい数であるため命令のオペランド部内に直接そ
の値を持つ形式として実現されている。

MOVE命令は本計算機に対し、データの移送
を行うことを指示する命令で、第１オペランド部
では移送すべきデータを表わす変数、第２オペラ
ンド部では移送先の主記憶位置を表わす変数を指
示する。本プログラム例では、データの移送先が
配列要素であるため、第３図に示したように２つ
のオペランド記述子によつて第２オペランド部が
表現されている。CONT命令は本計算機に対し
DO命令によつて繰り返される命令列の最後を指
示する制御用命令であり、それ自身は何もしない
命令である。以下に命令取出部１の動作を詳しく
説明する。

命令取出部１では、第５図の命令バツフア・レ
ジスタ１０１に読み出した命令を命令解説器１０
３により解説した結果DO命令であることを認識
すると、第１オペランド部で指示されるオペラン
ド（）の主記憶アドレスをワーク・レジスタ・
フアイル１１２に格納し、その初期値として第２
オペランド部で指示されるオペランド・データ(1)
を、終値として第３オペランド部で指示されるオ
ペランド・データ（100）を共に、ワーク・レジ
スタ・フアイル１１２に格納する。

更に、次の命令の主記憶アドレスＬ１をDO文
によつて繰り返される命令列の先頭位置として、
ワーク・レジスタ・フアイル１１２に格納する。
DO命令についての処理はこれで完了し命令実行
部３へは何も転送されない。次の命令は単なるデ
ータ移送の命令であるが、命令中に含まれるオペ
ランドの主記憶アドレスがワーク・レジスタ・フ
アイル１１２に格納されている制御変数（）の
主記憶アドレスに一致するかが常に比較される。
これはデイスクリプタ・レジスタＡ１０５とワー
ク・レジスタ・フアイル１１２の比較を演算論理
部１１１を用いて行うことにより実現される。比
較の結果一致した場合には、オペランド・データ
としてワーク・レジスタ・フアイル１１２に格納
されている値(1)がとられる。ここでは命令に含ま
れるオペランドの主記憶アドレスのうち、第２オ
ペランド部の添字のものがワーク・レジスタ・
フアイル１１２に格納されている制御変数（）
と一致するので、ワーク・レジスタ・フアイル１
１２に格納されている値(1)が添字の値として用い
られる。同様にして、次の命令でも、第１オペラ
ンド部の変数と、第２オペランド部の添字の
主記憶アドレスが格納されている制御変数と一致
する。第１オペランド部のに対しては格納され
ている制御変数の値が、デイスクリプタ・レジス
タＢ１０６に読み出されて命令実行部３に転送さ
れる。添字については前と同様に処理される。
次に制御命令であるCONT命令が命令解読器１０
３によつて識別されると命令取出部１は、DO文
によつて繰り返される命令列の終端に達したと判
断し、DO文の繰り返し終了条件をチエツクす
る。制御変数の現在値(1)と終値（100）はワー
ク・レジスタ・フアイル１１２に格納されている
のでこれを読み出し演算論理部１１１によつて比
較する。この時、まだ結果は一致しないので制御
変数の現在値を１増やし再びワーク・レジスタ・
フアイル１１２に格納する。その後ワーク・レジ
スタ・フアイル１１２に格納されている、繰り返
し手続きの先頭、記憶位置Ｌ１から命令を読み出
すことにより手続きの繰り返し実行が達成され
る。

以上の処理を繰り返すことにより制御変数
（）の値はやがて100に達する。この時、CONT
命令の処理において、制御変数の値はワーク・レ
ジスタ・フアイル１１２に格納されている終値
（100）と一致するので、命令取出部１はCONT命
令の次の命令（記憶位置Ｌ２）の読み出しを行う
ことにより手続きの繰り返しを終了する。

以上の説明より、制御変数がDO文によつて繰
り返される手続きの中で通常の変数として利用さ
れる場合の処理と、手続きの繰り返し及び繰り返
し動作の終了の各処理が命令実行部３の動作と無
関係に命令先取部１だけで処理できることが明ら
かである。即ち、このような手続の繰り返し処理
において、命令取出部１は命令実行部３に先行し
て、命令／オペランド・データの準備を行うこと
が可能である。

本実施例の計算機では、本発明請求範囲におけ
る繰り返し動作の開始を指示する命令としてDO
命令を、繰り返し手続きの終端を指示する命令と
してCONT命令を設け、取り出した命令が該繰り
返し動作の開始を指示する命令であることを識別
する手段として命令解読器１０３によるDO命令
の検出を用い、繰り返し動作を制御するために必
要な情報を格納する手段としてワーク・レジス
タ・フアイル１１２を設け、取り出した命令の任
意のオペランドが該繰り返し動作の終了を制御す
る制御変数であることを識別する手段としてデイ
スクリプタ・レジスタＡ１０５とワーク・レジス
タ・フアイル１１２の内容を演算論理部１１１を
用いて比較する方法を用い、繰り返される手続き
の終端を検出する手段として命令解読器１０３に
よるCONT命令の検出を用い、該終端を検出した
場合に該制御変数の値が該繰り返し動作の終了条
件を満足させるか否かの判定手段として演算論理
部１１１によるワーク・レジスタ・フアイル１１
２に格納されている該制御変数の値と終値の比較
を用い、該制御変数を更新する手段として演算論
理部１１１によるワーク・レジスタ・フアイル１
１２に格納されている値への１の加算を用いてい
る。

本実施例は本発明を説明するための一例にすぎ
ず、本発明の特許請求範囲を制限するものではな
い。即ち、本実施例におけるDO命令のような手
続きの繰り返し実行を指示する命令としては種々
の形式が考えられ、オペランドとして複数の制御
変数を持たせる形式、１回の繰り返し動作に対す
る制御変数の増分、もしくは減少分を指示するオ
ペランドを持たせる形式、あるいは繰り返す命令
列の終端記憶位置アドレスを持たせる形式でも良
い。また、制御変数を格納するために専用のレジ
スタを設けても良い。更に、取り出した命令の任
意のオペランドが、繰り返し動作の終了を制限す
る制御変数であることを識別するために専用の比
較器を設けても良い。

以上の説明より明らかなように、本発明によつ
て手続きの繰り返し処理を効率良く先取りするこ
とが可能である。

本発明の説明のためには手続きの繰り返し処理
としてFORTRANにおけるDO文を取り挙げた
が、COBOLにおけるSEARCH文、PERFORM文
等も本発明における手続きの繰り返し処理に含ま
れる。また、本実施例では比較的簡単なDO文に
よる繰り返し処理を扱つたが、実際のプログラム
で使われるDO文は複雑かつ多様である。
COBOLにおけるSEARCH文等の他プログラム言
語における手続きの繰り返し処理では異なつた制
御情報が必要になる。

従つて、手続きの繰り返しを制御するために保
持しておかなければならない情報量は、本実施例
より増加し得るが、本発明の要件を損うものでは
ない。

本発明の応用としては機械語命令を高級なプロ
グラミング言語に近づけた計算機（高級見語マシ
ン）への適用が効果的である。本発明ではある手
続きを繰り返すという、プログラム中に含まれる
マクロ的な情報を有効に利用しており、高級言語
マシンのような、機械語のレベルが高い場合に、
このようなマクロ的情報を把握しやすい。

半導体技術の進歩により、複雑なハードウエア
が低コストで容易に構築可能になつてきており、
データ処理装置の機械語レベルは今後、増々高度
になつてゆくと考えられるため、本発明の効果が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはループ処理の簡単なプログラム例と
してFORTRANにおける配列を初期化するプロ
グラムを示す図、第１図ｂは同ａのプログラムを
汎用計算機で処理する場合の一般的な処理手順を
示す図、第２図は本発明の概念を説明するため
の、命令取出部から命令実行部への命令の流れを
示す図、第３図は本発明の命令先取り制御方式を
採用した計算機の機械語命令の形式を説明する
図、第４図は本発明を用い実施した一例である計
算機のブロツク図、第５図は本発明を用いた計算
機の命令取出部１を説明するためのハードウエア
構成図、第６図は本発明によつて第１図ａのプロ
グラムが効率良く先取りできることを説明するた
めの本発明を用いた計算機における第１図ａのプ
ログラムのオブジエクト命令列を示す図。 図において１は命令取出部、２はバツフア・メ
モリ、３は命令実行部、４はメモリ・インタフエ
ース装置、５は主記憶装置、６は命令取出部１か
らバツフア・メモリ２への命令の内部形式転送用
データ・パス、７はバツフア・メモリ２より命令
実行部３への命令の内部形式転送用データ・パ
ス、８は命令もしくはオペランド・データ読み出
し用データ・パス、９はオペランド・データ書込
み用データ・パス、１０１はバツフア・アドレ
ス・レジスタ、１０２は命令バツフア・レジス
タ、１０３は命令解読器、１０４は内部形式生成
部、１０５はデイスクリプタ・レジスタＡ、１０
６はデイスクリプタ・レジスタＢ、１０７は命令
アドレス・レジスタ、１０８は命令コード・レジ
スタ、１０９はメモリ・アドレス・レジスタ、１
１０はデータ・レジスタ、１１１は演算論理部、
１１２はワーク・レジスタ・フアイル、１１３は
シーケンス制御部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プログラムの実行における命令の取り出しを
   行う第１の処理部と、取り出した命令を実行する
   第２の処理部とを含み、１つの命令の取り出しと
   実行とが互に独立に処理されるデータ処理装置に
   おいて任意の手続きを繰り返し実行せしめる場合
   に、繰り返し動作の開始と該手続きを構成する機
   械語命令列の終端を指示する情報とを該データ処
   理装置に通知せしめる機械語命令を設けると共
   に、該第１の処理部内に、取り出した命令が該繰
   り返し動作の開始を指示する命令であることを識
   別する手段と、該繰り返し動作を制御するために
   必要な制御情報を格納する手段と、取り出した命
   令の任意のオペランドが該繰り返し動作の終了を
   制御するために用いられる制御変数と同じもので
   あることを識別する手段と、繰り返される該手続
   きを構成する機械語命令列の終端を検出する手段
   と、該終端を検出した場合に該制御変数の値が該
   繰り返し動作の終了条件を満足させるか否かの判
   定及び該制御変数の更新を行う手段とを設けるこ
   とによつて該制御変数の読み出しと更新処理を該
   第１の処理部において独立に実行可能とし、該制
   御変数が繰り返し動作の対象となる該手続きの中
   で通常のオペランドとして用いられた場合の先取
   りを可能としたことを特徴とする命令先取り制御
   方式。