JPH02157939A - 命令処理方法及び命令処理装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、計算機命令の先取り、解読及び実行をバイブ
ライン処理により行なう命令処理方法及び命令処理装置
に関する。

（従来の技術） 計算機命令のブリフェッチ、解読及び実行をバイブライ
ン処理していく命令処理方式は、連続した番地に格納さ
れた命令を順次実行する場合に、命令の入力、解読が留
まることなく行われ処理効率の向上が図れる。しかし、
分岐命令が実行されると、先取りされた命令は無効にな
り、新たに飛び先の番号が先取り及び解読されるまで処
理を中断しなければならないため、実行時間の遅延を招
くという問題があった。特に条件分岐命令を含む繰返し
処理の場合には、繰返し数が増えれば増えるほど実行時
間の遅延の影響が大きく現われてくるという問題があっ
た。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のバイブライン方式の命令処理方式で
は、分岐命令が含まれている場合に処理が中断され実行
時間の遅延を招くという問題があった。

本発明は、分岐命令が含まれている場合にも処理が中断
されることがなく、実行時間の短縮化が図れる命令処理
方法及び命令処理装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明では、従来の命令セットに加えて、次の２つの命
令を新たに用いている。

第１の命令：複数のプリフェッチバッファのうちの１つ
を指定して分岐先の命令をそのプリフェッチバッファに
先取りする命令。

第２の命令：複数のプリフェッチバッファのうちの１つ
と分岐先とを指定する分岐命令。

更に本発明は、プリフェッチバッファ、命令解読部及び
命令実行部が順次バイブライン処理する命令処理方式に
おいて、先取りされた命令を格納するためのプリフェッ
チバッファを複数備えている。そして、第１の命令が命
令実行部で実行されたら、当該分岐先の命令を指定され
たプリフェッチバッファに格納し、第２の命令が命令解
読部で解読されたら指定されたプリフェッチバッファに
格納された分岐先の命令を前記命令解読部に送出するよ
うにしている。

また、例えば複数のプリフェッチバッファの入力側及び
出力側にはそれぞれ入力選択部及び出力選択部が備えら
れる。人力選択部は、解読された命令が第２の命令であ
る場合、命令実行部の指示に基づきプリフェッチバッフ
ァを選択する。また、出力選択部は、解読された命令が
第１の命令である場合、命令解読部の指示に基づきプリ
フェッチバッファの１つを選択する。

（作用） 本発明によれば、分岐命令に先立って第１の命令を実行
させることにより、複数のプリフェッチバッファのうち
の指定された１つ（通常の先取り処理では用いられない
プリフェッチバッファ）に予め分岐先の命令をブリフェ
ッチしておくことができる。そして、分岐命令として上
記第２の命令を用いることにより、既に命令が先取りさ
れているプリフェッチバッファを指定して、直ちに分岐
先の命令を命令解読部に送出すことができる。

このため、本発明によれば分岐命令実行時に処理が中断
することなく連続した命令処理が行われ処理速度の向上
が図れる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る命令処理装置の構成を
示す図である。

プログラムカウンタ１は、図示しない命令記憶部から取
出すべき命令が格納されたアドレスを指定する。プログ
ラムカウンタ１で指定されたアドレスは命令入力部２に
与えられている。命令入力部２は命令記憶部からプログ
ラムカウンタ１で指定されたアドレスの命令を先取りす
る。先取りされた命令は、プリフェッチバッファ入力選
択部３に与えられている。プリフェッチバッファ入力選
択部３は、プリフェッチバッファ４１　＋　４２　＋４
３、・・・＋４ｎのうちの一つを選択して上記先取りさ
れた命令を出力する。プリフェッチバッファ４１〜４ｎ
はそれぞれがブリフェッチされた命令を格納し得るもの
である。これらプリフェッチバッファ４１〜４ｎのうち
、例えばプリフェッチバッファ４１は、分岐先の命令以
外の通常の命令を格納し、最も頻繁に用いられる。また
、プリフェッチバッファ４２〜４ｎは、分岐先の命令を
それぞれ格納し、分岐命令の実行時等に適宜選択されて
用いられる。これらプリフェッチバッファ４１〜４ｎの
出力はプリフェッチバッファ出力選択部５に与えられて
いる。このプリフェッチバッファ出力選択部５は各プリ
フェッチバッファ４１〜４ｎに先取りされた命令のうち
の一つを選択して取出し、命令解読部６に出力する。命
令解読部６は入力された命令をデコードしその結果を命
令実行部７に出力する。またこの命令解釈部６はデコー
ドされた命令がブランチ（分岐）命令である場合には、
プログラムカウンタ１の内容を書替えるとともにプリフ
ェッチバッファ出力選択部５に第１の選択信号としての
識別子を出力する。命令実行部７は命令解釈部６でデコ
ードされた命令を実行するとともに、命令実行終了に伴
ってプログラムカウンタ１の値を更新する。また、命令
実行部７は、実行された命令が分岐先の命令の先取り命
令である場合には、プリフェッチバッファ入力選択部３
に第２の選択信号としての識別子を出力していずれか一
つのプリフェッチバッファ４２〜４ｎを選択し、分岐先
の命令をロードする。

以上の構成において、複数のプリフェッチバッファ４１
〜４ｎの入力及び出力を選択するための入力選択部３及
び出力選択部５は、例えば第２図及び第３図に示すよう
に構成することができる。

なお、ここでは−例としてプリフェッチバッファが４つ
の例を示している。

プリフェッチバッファ人力選択部３は、第２図に示すよ
うに、命令人力部２から与えられる命令を通過させるた
めの４つのゲート１１１，１１□。

１１３．１１４と、命令実行部７から与えられる２ビツ
トの識別子をデコードして上記ゲート１１、〜１１４の
うちの１つのみを“開゛状態にさせるためのインバータ
１２１．１２２及びＡＮＤゲー）１３１，１３２，１３
３，１３４からなるデコーダ１４とから構成されている
。

また、プリフェッチバッファ出力選択部５もプリフェッ
チバッファ入力選択部３とほぼ同様の構成となっており
、第３図に示すように、プリフェッチバッファ４１〜４
ｎから取出された命令を通過させるための４つのゲート
２１１，２１２゜２１３．２１４と、命令解読部６から
与えられる２ビツトの識別子をデコードして上記ゲート
２１１〜２１４のうちの１つのみを“開”状態にさせる
ためのインバータ２２１．２２２及びＡＮＤゲート２３
１．２３２．２３３．２３４からなるデコーダ２４とか
ら構成されている。

次に上記のように構成された本実施例の命令処理装置の
動作について説明する。

第４図は、条件分岐を含む繰返し処理を実行するための
プログラム例であり、同図（ａ）は従来のプログラム例
、同図（ｂ）は（ａ）に対応した本発明におけるプログ
ラム例である。このプログラムはＳで表わされる位置か
ら連続する文字列をｄで表わされる位置にコピーするた
めのプログラムで、コピーする文字列はＯで終了してい
る。つまり、Ｓで表わされる位置から１文字ずつコピー
を行ない、もしその文字が０であったら、処理を終了す
るプログラムである。第４図（ａ）における各命令の意
味は次の通りである。

命令（１）：コピーする文字列の先頭番地Ｓをレジスタ
Ｒ１にロードする。

命令（２）二叉字列がコピーされる位置の先頭番地をレ
ジスタＲ２にロードする。

命令（３）：レジスタＲ１に格納されている番地のデー
タをレジスタＲ３にロードし、その後レジスタＲ１の内
容に１を加える。

命令（４）：レジスタＲ３の内容をレジスタＲ２に格納
されている番地に格納し、その後レジスタＲ２の内容に
１を加える。

命令（５）：レジスタＲ３の内容と０とを比較し、もし
両者が等しかったらコンデイションコードとしてゼロフ
ラグをセットする。

命令（Ｂ）：ゼロフラグがセットされていなければ″　
１ｏｏｐ”に飛ぶ。

次にこの従来例の処理を第５図（ａ）に基づいて説明す
る。なお図中Ｆはブリフェッチ、Ｄは解読、Ｅは実行の
各サイクルを示し、添字は命令番号に対応している。

第１クロツクでは命令（１）がブリフェッチされ、第２
クロツクでは命令（１）の解読と命令（２）のブリフェ
ッチとが同時に行われる。第３クロツクでは、命令（１
）の実行と命令（２）の解読と命令（３）のブリフェッ
チとが同時に行われる。以下同様にしてパイプライン処
理が行われる。ここで命令（３）はメモリアクセスを伴
う命令であり、その結果ロードされる値を直後の命令（
４）で使用するため、その実行には２クロツクかかるが
、他の命令は全て１クロツクで終了する。また、第８ク
ロツクで命令（６）が解読されると、この命令（６）が
分岐命令であることが判明し、次の第９クロツクで分Ｕ
の命令（３）をフェッチし直さなければならない。した
がって、この従来例では初期状態でのフェッチと解読に
２クロツクを要し、後は６クロツクの繰返しとなる。こ
のため、ｍ文字の文字列をコピーする際に費やされるク
ロック数は、６ｍ＋２クロツクということになる。

これに対し、第４図（ｂ）に示した本発明のプログラム
では、以下のような新たな命令　（２）′　が追加され
、命令（６）を命令（６）′に変更している。

命令（２）’　　ニプリフェッチバッファ入力選択部３
に識別子“２”を与え、これにより選択されたプリフェ
ッチバッファ４２に、１ｏｏｐで表わされる番地の命令
（命令（３））をロードする。

命令（６）’　　：ゼロフラグがセットされていなけれ
ばプログラムカウンタ１が“　Ｉｏｏｐ＋　４　”　　
（命令（４）のアドレス）にセットされるとともに、プ
リフェッチバッファ出力選択部５に対し、識別子“２”
を与える。

さて、このプログラムを実行する場合、まず初期状態で
はプリフェッチバッファ入力選択部３及び出力選択部５
はプリフェッチバッファ４１を選択する。続いて第５図
（ｂ）に示す如く、第１クロツクで命令入力部２により
命令（１）をブリフェッチし、これをプリフェッチバッ
ファ入力選択部３を介してプリフェッチバッファ４１に
格納する。

第２クロツクでは、命令（２）がプリフェッチバッファ
４１に格納され、命令（１）が命令解読部６で解読され
る。第３クロツクでは、命令（２）′がプリフェッチバ
ッファ４１に格納され、命令（２）が命令解読部６で解
読され、命令（１）が命令実行部７で実行される。以後
同様にバイブライン処理が行われる。第５クロツクでは
、命令（２）′が実行され、命令実行部７からプリフェ
ッチバッファ入力選択部３に識別子“２”が与えられ、
これによりプリフェッチバッファ４２に命令（３）が格
納される。第９クロツクで分岐命令（Ｂ）′が解読され
ると、命令解読部６は、プログラムカウンタ１を１ｏｏ
ｐ＋　４にセットするとともに、プリフェッチバッファ
出力選択部５に識別子“２°を出力する。

これにより、プリフェッチバッファ４２に格納されてい
る命令（３）が命令解読部６に取出され、次の第１０ク
ロツクで、直ちにその解読を行なうことが可能となる。

この実施例によれば、第５図（ｂ）に示すように、命令
（２）′が追加され分だけ最初の処理に３クロツクを要
しているが、分岐命令解読後に分岐先の命令をプリフェ
ッチバッファ４２から直ちに取出せるので、第１０クロ
ツク以後の繰返し処理は５クロツクしか必要としない。

このため、ｍ文字の文字列をコピーするのに要するクロ
ック数は５　（ｍ−１）＋６＋３＝５ｍ＋４となる。し
たがって文字数が３文字以上であれば本実施例の処理時
間は従来の処理時間よりも短くなり、文字数が増加すれ
ばするほど処理時間は短縮されることになる。

次に第６図に示したＣ言語記述によるプログラム例につ
いて本発明と従来例とを比較する。このプログラムは、
サイズＮＸＮの２次元配列ａの全要素を０に初期化する
ための関数１ｎ１ｔ１ａｌｌｚｃ（）を定義したプログ
ラムである。但し、ここでＮ−２０とする。

第７図（ａ）はこのプログラムのアセンブラによる従来
のプログラム構成例である。

命令（２１）　〜（２３）　：レジスタｒｚ、　ｒａ、
　ｒｌにそれぞれ配列データの初期値０、配列名ａ１配
列添字ｉの初期値０をロードする。

命令（２５）〜（２７）　：命令（１５）に相当する部
分で、配列添字ｉがＮ以上の場合にはＥｌにブランチし
、そうでなければレジスタｒｊに配列添字ｊの初期値を
ロードする。

命令（２９）〜（３６）　：命令（１１３）、　（１７
）に相当する部分で、配列添字ｊがＮ以上の場合にはＥ
Ｊにブランチし、そうでなければ配列添字ｉ、３に基づ
き１次元配列に変換された配列ａの該当箇所にレジスタ
「２の値（０）を格納する。そして配列添字ｊに１を加
算してＢＪにブランチする。

命令（３８）〜（３９）　：命令（１４）の一部に相当
し、配列添字ｉに１を加算してＢ１にブランチする。

このプログラム例では繰返し処理の度にブランチする分
岐命令として命令（３６）と命令（３９）、その他の分
岐命令として命令（２Ｂ）、命令（３０）を備えている
が、これらを含めて条件が成立しない場合の必要クロッ
ク数は、（９Ｎ＋６）Ｎ＋３となる。

これに対し、第７図（ｂ）に本発明によるプログラムを
示す。この例では、新たに命令（２０）ａと命令（２０
）ｂとを追加し、命令（３６）と命令（３９）をそれぞ
れ命令　（３６）　　と命令　（３９）　　とに変更し
ている。これにより、命令（２０）ａでプリフェッチバ
ッファ４２に分岐先Ｂ１の命令がロードされとともに、
命令（２０）ｂでプリフェッチバッファ４３に分岐先Ｂ
Ｊの命令がロードされ、更に分岐命令（３８）　’でプ
リフェッチバッファ４３から分岐先ＢＪの命令を直ちに
命令解読部６に取込み、分岐命令（３９）　’でプリフ
ェッチバッファ４２から分岐先Ｂ１の命令を直ちに命令
解読部６に取込める。

従って、本実施例によれば、最初の処理に５クロツクを
要するものの、ＢＪ−ＥＪの処理を８クロツク、ＥＪ−
Ｅｌの処理を２クロツクとすることができるので、全体
の処理に要するクロック数は、（８Ｎ＋５）Ｎ＋５とす
ることができる。因みに、Ｎ　−１２８とした場合、第
６図（ａ）の従来の処理では１４８２２７クロツクかか
っていたものが、同図（ｂ）の本実施例の処理では１３
１７１７クロツクと大幅に処理クロック数を短縮するこ
とができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えばプリフェッチバッファに格納されている命令
のアドレスを格納する連想記憶装置を設け、ブランチ命
令実行時にはプリフェッチバッファ出力選択部によりプ
リフェッチバッファを選択すると同時に連想記憶装置に
格納されているアドレスをプログラムカウンタにセット
するようにしても良い。

［発明の効果コ 以上述べたように、本発明によれば、プリフェッチバッ
ファを複数設け、計算機命令に従って分岐先の命令を指
定されたプリフェッチバッファに格納するとともに、分
岐命令実行時には次に読出すプリフェッチバッファを指
定するようにしているので、分岐命令時の待ち時間が発
生せず連続した処理が行なえる。このため、特に繰返し
の度に分岐が発生するようなプログラムの処理を従来に
比べて大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る命令処理装置のブロッ
ク図、第２図は同装置におけるプリフェッチバッファ人
力選択部の詳細ブロック図、第３図は同装置におけるプ
リフェッチバッファ出力選択部の詳細ブロック図、第４
図は同装置に適用されるプログラムを従来と比較して示
す図、第５図は同プログラムの処理状況を従来例と比較
して示す図、第６図は同装置に適用される他のプログラ
ムのＣ言語による表記を示す図、第７図は同プログラム
のアセンブラプログラムを従来と比較して示す図である
。 １・・・プログラムカウンタ、２・・・命令入力部、３
・・・プリフェッチバッファ入力選択部、４１〜４ｎブ
リフエツチバツフア、 ５・・・ブリフェッチ フ ァ出力選択部、 ・・・命令解読部、 命令実行部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）先取りされた命令を格納する複数のプリフェッチ
   バッファと、これらプリフェッチバッファに格納された
   命令を解読する命令解読部と、この命令解読部で解読さ
   れた命令を実行する命令実行部とをパイプライン動作さ
   せて命令処理を行なう命令処理方法において、 前記複数のプリフェッチバッファのうちの１つを指定し
   て分岐先の命令をそのプリフェッチバッファに先取りさ
   せるための命令が前記命令実行部で実行されたら、当該
   分岐先の命令を指定されたプリフェッチバッファに格納
   し、 前記複数のプリフェッチバッファのうちの１つと分岐先
   とを指定する分岐命令が解読されたら指定されたプリフ
   ェッチバッファに格納された分岐先の命令を前記命令解
   読部に送出すことを特徴とする命令処理方法。
2. （２）先取りされた命令を格納する複数のプリフェッチ
   バッファと、 これらプリフェッチバッファのうち命令を格納すべきプ
   リフェッチバッファを選択する入力選択部と、 前記複数のプリフェッチバッファのうち先取りされた命
   令を取出すべきプリフェッチバッファを選択する出力選
   択部と、 この出力選択部で選択されたプリフェッチバッファから
   取出された命令を解読するとともに、解読された命令が
   前記複数のプリフェッチバッファのうちの１つと分岐先
   とを指定する分岐命令である場合、指定されたプリフェ
   ッチバッファに格納された分岐先の命令を取出すべく前
   記出力選択部に第１の選択信号を出力する命令解読部と
   、この命令解読部で解読された命令を実行するとともに
   、解読された命令が前記複数のプリフェッチバッファの
   うちの１つを指定して分岐先の命令をそのプリフェッチ
   バッファに先取りする旨の命令である場合、当該分岐先
   の命令を指定されたプリフェッチバッファに格納すべく
   前記入力選択部に第２の選択信号を出力する命令実行部
   とを具備したことを特徴とする命令処理装置。