JPH0640311B2 - レジスタ保存方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は電子計算機システムにおいて、プログラムによ
るコンテキストの切替え時に必要なレジスタの内容を効
率的に保存することのできるレジスタ保存方法に関す
る。

（従来の技術） 電子計算機のＣＰＵでは、通常、計算中のデータや、そ
のプログラムの実行に必要な情報、例えば計算機の動作
状態やスタックのポインタ等を汎用または専用のレジス
タを用いて保持している。レジスタに保持されるこれら
の情報は、その時点で実行されているプログラムの状態
を再現する上で必要なものである。特にマルチプログラ
ミングの環境下では、例えば割り込み等によって起動さ
れるコンテキストの切替えが行われることから、その切
替えが行われる直前のレジスタの内容をメモリ上の所定
の領域に格納することが行われる。そして、コンテキス
トが再開された場合には上記メモリに格納されている情
報を用いてレジスタの内容を復元することで、プログラ
ム実行の連続性を保つことが行われる。

このようなコンテキストの切替えに伴うレジスタ内容の
保存とその読出しは、一般的にはストア・マルチプル命
令やロード・マルチプル命令等を用いたソフトウェア手
続きにより、コンテキストの切替え指令が与えられた時
に実行される。これらの命令はプログラマに対する処理
負担を軽減する上で非常に有効なものであり、比較的簡
単に実行できる。しかし一般的にはデータバス上での制
約等からレジスタ内容の保存とその読出しには、レジス
タ数に比例した処理時間が掛かる。これ故、多数のレジ
スタを用いてプログラムを実行しているような場合、コ
ンテキストの切替え処理に時間が掛かり、その処理速度
が大幅に低下することが否めない。従って数多くの汎用
レジスタを備えたマイクロプロセッサにとっては、コン
テキストの切替えに伴うレジスタ内容の保存とその読出
しを如何にして効率的に行うかと云う点で深刻な問題と
なりつつある。

そこで従来では予めＣＰＵ内に多数のレジスタを準備し
ておき、コンテキストの切替え時には使用中のレジスタ
とは別のレジスタを新たなコンテキストの実行用に割り
当て、これによってレジスタ内容の保存処理時間を見掛
け上なくする方式が考えられている。然し乍ら、この方
式を採用するにしても、ＣＰＵに内蔵可能なレジスタ数
には実質的に限りがあるので、その数を越える複数のコ
ンテキストを取り扱う場合には同様な問題がある。しか
もレジスタの数を越えるコンテキストを取り扱う場合に
は、上述した例と同様にソフトウェアの助けが必要とな
り、かえってソフトウェアでの処理負担が重くなった
り、処理速度が低下する等の不具合が生じた。更には多
数のレジスタを備えているにも拘らず、プログラミング
・モデルとしては限られた少数のレジスタしか使用する
ことができないので、プログラムのメモリ・アクセス回
数が増え、この結果、その処理速度が低下する等の問題
も生じた。

一方、特開昭63-208128号公報にはＣＰＵにレジスタ退
避エリアを設けておき、複数のレジスタ毎にその内容が
上記レジスタ退避エリアに退避されたか否かを示すフラ
グを持たせ、このフラグを参照することでレジスタの回
復時に上記レジスタ退避エリアから破壊前のレジスタ内
容を求める手法が開示されている。このような手法によ
れば、コンテキストの切替え時に先のコンテキストの実
行状態を示すレジスタ内容を非常に効果的に復元するこ
とができると云う利点がある。

しかしレジスタ退避エリアに対してどのようにしてレジ
スタ内容を効率的に退避させておくかと云う点で、上述
した複数のレジスタを選択的に用いる場合と同様な問題
が残されている。

（発明が解決しようとする課題） このように従来にあってはコンテキストの切替えを効率
的に行うべく、実行中のレジスタの内容を保存し、また
保存されているレジスタの内容を読出して先のコンテキ
ストの実行におけるレジスタ内容を復元再生する上で、
如何にして効率的にレジスタの内容を保存しておくかと
云う点で問題が残されている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、取り扱い得るレジスタの数に事
実上制限がなく、しかもこれらのレジスタの内容を効率
的に保存してコンテキストの切替え処理を高速に行うこ
とを可能とするレジスタ保存方法を提供することにあ
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、サブルーチンを含むプログラムの最初でバッ
クグラウンド保存命令及び保存領域アドレスが指定さ
れ、前記プログラム内での前記サブルーチンの直前でマ
ルチプル保存命令及び保存領域アドレスが指定されたプ
ログラム命令列を順次実行する計算機のレジスタ保存方
法であって、プログラムの実行に必要な情報を保持する
ための複数のレジスタに、プログラムの実行によって前
記レジスタの内容が更新されたときにリセットされるフ
ラグを夫々付属させて設け、前記バックグラウンド保存
命令を実行する際には、リセットされたフラグの有無を
順次調べ、リセットされたフラグが有る場合に当該レジ
スタの内容を前記保存領域アドレスに従ってメモリへ格
納し、この格納に成功したときに当該フラグをセットす
る各処理を、前記バックグラウンド保存命令の直後から
前記マルチプル保存命令の直前までのプログラムの実行
と並行して、該プログラムの実行を妨げることのない空
き時間を利用して行ない、前記マルチプル保存命令を実
行する際に、リセットされたフラグの有無を順次調べ、
リセットされたフラグが有る場合に当該レジスタの内容
を前記保存領域アドレスに従って前記メモリへ格納し、
この格納に成功したときに当該フラグをセットすること
を特徴とするものである。

（作用） このようなレジスタ内容の保存制御を行う本発明によれ
ば、サブルーチンを含むプログラムの最初でバックグラ
ウンド保存命令及び保存領域アドレスを指定すること
で、このバックグラウンド保存命令の直後から前記マル
チプル保存命令の直前までのプログラムの実行と並行し
て、例えばメモリバスの空きを検出してバックグラウン
ド処理にてレジスタの内容を逐次保存していくことがで
きるので、コンテキストの切替え時に改めてレジスタ内
容の保存処理を行う必要がなくなり、その処理負担を軽
減することができ、またその処理時間の短縮化を図るこ
とが可能となる。しかもプログラムの実行を妨げること
のない空き時間を利用して行なわれることから、本来の
プログラムの実行に悪影響を及ぼすことなくレジスタ内
容の保存を行わせることができるので、コンテキストの
切替え処理に必要な処理時間を大幅に軽減することがで
きる。

またレジスタに付属させたフラグを用いてそのレジスタ
内容の保存が完了しているか否かを表し、このフラグを
参照することで保存が行われていないレジスタの内容に
対してのみ保存処理を行うので、内容保存が完了してい
るレジスタに対する無駄な保存処理を実行することがな
くなり、その処理効率の向上を図ることが可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例に係るレジスタ
保存方法について説明する。

第１図は実施例方式を適用して構成される中央演算処理
装置（ＣＰＵ）の概略的な内部構成を示す図である。こ
のＣＰＵは基本的には内部バス１，２に、例えば１６個
のレジスタを備えたレジスタファイル（ＲＦ）３や算術
演算ユニット（ＡＬＵ）４等を接続して構成される。Ａ
ＬＵ４はコントローラ（ＣＯＮＴ）５の制御を受け、与
えられたプログラムに従って上記レジスタファイル３を
用いながら所定の演算処理を実行する。

しかしてメモリ（ＭＲＹ）６に対するデータの書き込み
とその読出しは、前記コントローラ５の制御を受けて動
作するメモリコントローラ（ＭＣＯＮＴ）７の管理の下
で、メモリバス８の空きを検出して行われる。即ち、上
記メモリ６に対するデータの書き込みは、メモリアドレ
スレジスタ（ＭＡＲＮ）９にセットされたメモリアドレ
スに従ってメモリ６に対する書き込みアドレスを指定
し、該当アドレスにメモリデータレジスタ（ＭＤＲＮ）
10に格納されているデータを上記メモリバス８を介して
転送し、前記メモリ６に書き込むことにより行われる。
またメモリ６からのデータの読出しは、前記メモリアド
レスレジスタ（ＭＡＲＮ）９により指定されるアドレス
に書き込まれているデータを前記メモリバス８を介して
読出し、メモリレジスタ（ＭＳＲ）11に格納することに
よって行われる。このメモリレジスタ（ＭＳＲ）11に格
納されたデータを前記内部バス１，２を介してＡＬＵ４
やレジスタバッファ３にデータを取り込むことにより、
前記メモリ６に書き込まれていたデータを用いた情報処
理が実行される。

ここでこの実施例が特徴とするところは、前記レジスタ
ファイル３に準備される複数のレジスタのそれぞれに本
発明を特徴付けるフラグをそれぞれ設け、カウンタ（Ｃ
ＴＲ）12の制御の下で前記レジスタファイル３に格納さ
れているデータをバックグラウンド処理にて前述したＡ
ＬＵ４によるプログラムの実行と並行して次々に前記メ
モリ６に格納保存するようにした点にある。

このバックグラウンド処理による前記レジスタファイル
３のデータ保存は、後述するようにバックグラウンド処
理が指定されたとき、上記カウンタ12によるレジスタの
選択指定によって当該レジスタに格納されているデータ
を前記内部バス２を介してメモリデータレジスタ（ＭＤ
ＲＲ）13に転送して格納し、同時にアドレスコントロー
ラ（ＡＣＯＮＴ）14の制御の下でメモリアドレスレジス
タ（ＭＡＲＲ）15にセットすべきアドレスデータを設定
して行われる。そしてこのメモリアドレスレジスタ（Ｍ
ＡＲＲ）15にセットされたアドレスデータに従って前記
メモリ６をアドレス指定し、指定されたメモリ６のアド
レスに前記メモリデータレジスタ（ＭＤＲＲ）13に格納
されているデータを書き込むことによって行われる。

このバックグラウンド処理は、例えば第２図に示すよう
なプログラム命令を用いてバックグラウンド保存の機能
を起動することによって行われる。このバックグラウン
ド保存は、ソフトウェア的な観点からはプログラムの実
行プロセスと同等なものであるが、この実施例における
バックグラウンドでのレジスタ内容の保存プロセスは前
述したプログラムの実行と並行してハードウェア的に制
御・実行されるものとなっている。

即ち、この実施例ではユーザが自らのプログラム内でサ
ブルーチンをコールし、これによってコンテキストの切
り替えを行うようになっており、第２図に示すようにそ
のプログラムの最初でバックグラウンドでのレジスタ内
容の保存を指定するものとなっている。

つまりここでは『save-background命令』によりレジス
タ内容を保存する為の前記メモリ６における保存領域ア
ドレス［SAVE-ADDRESS］を指定する。この第２図に示す
例では、汎用レジスタの全てをデータ保存対象とするレ
ジスタとして暗黙の内に指定するものとなっているが、
例えば商用のマイクロプロセッサのように保存対象とす
るレジスタをビットマップ等によって選択的に指定可能
な場合には、オペランドを用いてレジスタを指定するよ
うにすることも可能である。

また第２図に示すソフトウェアでは、コンテキストの切
り替えが行われる前に『save-multiple命令』が与えら
れ、前述した『save-background命令』でバックグラウ
ンド保存がなされたレジスタ以外のレジスタに残された
データを強制的に保存するものとなっている。

尚、レジスタの全てに対してのバックグラウンド保存が
完了している場合には、上述した『save-multiple命
令』は『no-operation命令』として看做される。

その後、コンテキストの切り替えによって再び制御が戻
ってきた場合には、『load-multiple命令』によって前
記メモリ６に退避格納されていたレジスタ内容の読出し
が行われ、前記レジスタファイル３の復元が行われる。
この場合にもメモリ６に対する保存領域アドレス［SAVE
-ADDRESS］の指定により、どのコンテキストのレジスタ
内容を復元するかが指定される。

次に上記第２図に示すプログラムの実行に伴う前述した
第１図に示すＣＰＵ内部回路での動作について第３図を
参照して説明する。

『save-background命令』によってバックグラウンド処
理が指定された場合、バックグラウンド処理の為のコン
トローラ５が起動され、バックグラウンド処理に関連す
る各部の動作がそれぞれ制御される。しかしてこのバッ
クグラウンド処理の起動により、先ず前記『save-backg
round命令』により指定される前記メモリ６における保
存領域アドレス［SAVE-ADDRESS］がＡＬＵ４から内部バ
ス２を介してアドレスコントローラ（ＡＣＯＮＴ）14に
セットされる。同時にカウンタ12に対する初期化が行わ
れ（ステップａ）、前記レジスタファイル３に準備され
た複数のレジスタを順次指定する為のカウンタ動作が開
始される。

このカウンタ12により生成されるデータによるレジスタ
ファイル３のアクセスは、ＡＬＵ４にて実行中のプログ
ラムによってレジスタファイル３がアクセスされていな
い期間を利用して行われる。換言すればＡＬＵ４による
レジスタファイル３のアクセスの方が、カウンタ12によ
るレジスタファイル３のアクセスに優先して定められて
おり、ＡＬＵ４はレジスタファイル３を優先的に使用し
て所定のプログラムを実行するものとなっている。そし
てカウンタ12はレジスタファイル３の空き状態が検出さ
れている場合にのみレジスタファイル３をアクセスする
ことで、上述したプログラムの実行と並行してレジスタ
保存処理を起動するものとなっている。

しかしてカウンタ12によるレジスタファイル３のアクセ
スが行われると、先ずそのカウンタ値がアドレスコント
ローラ（ＡＣＯＮＴ）14に読み込まれる（ステップ
ｂ）。同時に前記レジスタファイル３から前記カウンタ
値によって指定されるレジスタに付属して設けられてい
るフラグの情報を前記内部バス２を介して読み出す。前
記アドレスコントローラ14は当該レジスタに付属して設
けられているフラグを参照し、そのレジスタの内容のメ
モリ６への格納保存が完了しているか否かを調べる（ス
テップｃ）。即ち、レジスタに付属して設けられている
フラグは、当該レジスタの内容がバックグラウンド処理
によって後述するようにメモリ６に格納保存されたとき
にセットされ、プログラムの実行によってレジスタ内容
が更新されたとき、或いは上記バックグラウンド処理に
よるレジスタ内容のメモリ保存が成功する以前にレジス
タ内容が破壊（更新）されたときにリセットされるもの
で、フラグ“１”によりレジスタ内容の格納保存が完了
したことを示すものとなっている。

アドレスコントローラ（ＡＣＯＮＴ）14は、このような
フラグを参照することで当該レジスタの内容をメモリ６
に保存するか否かを制御する。ちなみにフラグが既に
“１”にセットされている場合には、そのレジスタ内容
のメモリ６への保存処理を再度行うことは全くの無駄で
あることから、フラグ“１”の情報に従って当該レジス
タ内容の格納保存処理が禁止される。そして前記コント
ローラ５の制御の下でカウンタ12の値の更新が行われ
（ステップｄ）、次のレジスタに対する内容保存処理が
起動される。

しかして前記カウンタ12によって指定されたレジスタの
フラグが“０”であった場合には、前記アドレスコント
ローラ（ＡＣＯＮＴ）14は前記ＡＬＵ４によって指定さ
れた前記保存領域アドレス［SAVE-ADDRESS］に上記カウ
ンタ12によって指定される値を加算し、これによって求
められるメモリ６のアドレス値をメモリアドレスレジス
タ（ＭＡＲＲ）15にセットする（ステップｅ）。つまり
保存領域アドレス［SAVE-ADDRESS］に前記カウンタ12に
よって指定されるレジスタに対する相対アドレスを加算
することでメモリ６に対するレジスタデータ格納の為の
絶対アドレスを求め、これをメモリアドレスレジスタ
（ＭＡＲＲ）15にセットする。このメモリアドレスレジ
スタ15へのアドレスデータのセットに伴い、前記レジス
タファイル３から前記カウンタ12によって指定されるレ
ジスタの内容が前記内部バス２を介して読出され、メモ
リデータレジスタ（ＭＤＲＲ）13に格納する（ステップ
ｆ）。

しかしてメモリアドレスレジスタ（ＭＡＲＲ）15にメモ
リ６に対するアドレスデータがセットされ、このアドレ
スに書き込むべきレジスタ内容がメモリデータレジスタ
（ＭＤＲＲ）13に格納されると、前記メモリコントロー
ラ（ＭＣＯＮＴ）７に対してメモリ６のアクセス要求が
発せられる。メモリコントローラ７はこのアクセス要求
に対してメモリバス８の空きを待ち、前記メモリ６への
前記レジスタ内容の書き込みを許可する。このメモリ６
への前記レジスタ内容の書き込みを行うためのアクセス
要求の順位は、プログラムの実行を妨げることのないよ
うに最低に設定される。従ってメモリバス８に空きがあ
る場合にのみ、前記メモリコントローラ（ＭＣＯＮＴ）
７の制御の下で前記メモリアドレスレジスタ（ＭＡＲ
Ｒ）15にによって指定されるメモリ６のアドレスへの前
記メモリデータレジスタ（ＭＤＲＲ）13に格納されてい
るレジスタ内容の書き込みが行われる（ステップｇ）。

尚、このようなレジスタ内容のメモリ６への書き込みは
所定時間に亘って行われる。そしてその書き込みに成功
した場合には（ステップｈ）、前記コントローラ５の制
御の下でレジスタファイル３に対して保存成功の通知が
なされ、当該レジスタに付属して設けられているがフラ
グが“１”にセットされる（ステップｉ）。その後、前
述したようにしてカウンタ12のカウント値をアップし
（ステップｄ）、次のレジスタ内容の保存処理に移行す
る。

このようなレジスタ内容のメモリ６への格納保存処理を
前述したカウンタ12によるレジスタの選択指定と、指定
されたレジスタに付属するフラグの値に応じて順次繰り
返して実行する。しかもプログラムの実行と並行して、
該プログラムの実行を妨げることのない空き時間を利用
したバックグラウンド処理にてレジスタ内容の保存処理
が行われる。

一方、このようなバックグラウンド処理が実行されてい
るとき、このバックグラウンド処理とは無関係に、その
メインルーチンではプログラムの実行が行われる（ステ
ップＡ）。しかして前記コントローラ５ではプログラム
の実行に伴ってレジスタの内容が変更されたか否かを監
視しており（ステップＢ）、レジスタ内容に変更が生じ
た場合には当該レジスタに付属して設けられているフラ
グがセットされているか否かを調べている（ステップ
Ｃ）。そして当該レジスタのフラグが“１”である場
合、既にメモリ６に保存された内容と現にレジスタに格
納されている内容とに違いが生じることから、その新た
な内容をメモリ６に保存するべく前記フラグをリセット
する（ステップＤ）。

以上のような処理手続きによりレジスタにそれぞれ付属
されたフラグのセット・リセットが制御され、フラグが
セットされているレジスタを除いて、つまりメモリ６へ
の内容保存がなされていないレジスタについてだけ、フ
ラグ“０”の情報に従ってメモリ６への保存処理が行わ
れる。しかもコンテキストの切替え指示とは独立に、プ
ログラムの実行過程においてバックグラウンド的に、プ
ログラムの実行によりレジスタファイル３へのアクセス
が行われていない期間や、メモリバス８の空き時間等を
利用してレジスタ内容のメモリ６への保存が行われる。
更には内容保存がなされていないレジスタに対しての
み、或いは内容の更新があったレジスタに対してのみ、
その内容のメモリ６への保存が行われる。

この結果、コンテキストの切替え指示が与えられた場合
には、上述したバックグラウンド処理によってメモリ６
への内容保存が完了していないレジスタだけを前記フラ
グから調べ、このフラグによって示されるレジスタの内
容だけを前述した『save-multiple命令』に従って保存
するだけで、その全てのレジスタ内容を短時間に効率的
に保存してしまうことが可能となる。従ってコンテキス
トの切替えに伴うレジスタ内容の保存処理を非常に効率
良く実行し、その切り替え処理の高速化を図ることが可
能となる。

またこのようなレジスタ内容の保存処理によれば、プロ
グラムを実行しながらバックグラウンド処理にてレジス
タ内容を逐次メモリ６に保存していくので、ＣＰＵに準
備されたレジスタ数が多い場合であっても、コンテキス
トの切り替え時に保存すべきレジスタの内容がさほど増
大することがない。従ってレジスタの数に拘らず、コン
テキストの切り替え処理を効率的に行うことが可能とな
る。

また従来のように複数のレジスタを選択的に用いてコン
テキストを実行するものとは異なるので、取り扱い得る
コンテキストの数に事実上制限が加わることがなく、メ
モリ６を有効に利用してコンテキストのそれぞれに対応
したレジスタ内容の保存を行うことが可能となる等の利
点がある。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。ここでは『save-background命令』を全ての汎用レ
ジスタを対象として実行するものとして説明したが、保
存対象とするレジスタを指定した上で『save-backgroun
d命令』を与えることで、その保存対象レジスタをセレ
クトするようにすることも可能である。また実施例では
レジスタ保存用のメモリアドレスレジスタ13と通常のデ
ータ保存用のメモリアドレスレジスタ10とを別々のもの
とし、またレジスタ保存用のデータレジスタ15と通常の
データ保存用のデータレジスタ９についても別々のもの
としたが、これらを或る制約条件の下で共用すること
で、そのハードウェア量を少なくするようにしても良
い。またレジスタファイル３からデータとフラグとを読
出し、当該フラグによってデータ保存を制御する処理
を、レジスタに対応する連想メモリを用いて行うように
することも勿論可能である。また汎用レジスタを対象と
してそのレジスタ内容の保存を行うことのみならず、コ
ンテキストを回復するための種々のレジスタ群を対象と
してその保存処理を行っても良いことは云うまでもな
い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、プログラムの実行
に対してバックグラウンド処理にてレジスタの内容を逐
次保存していくので、コンテキストの切り替え時におけ
るレジスタ内容の保存処理を非常に簡単なものとし、ま
た実質的にその処理を不要とすることができる。これ
故、コンテキストの切り替えを非常に効率的に実行する
ことが可能となる。またフラグを用いてレジスタ内容の
保存を制御するので、処理の無駄を招くことなく効率的
にレジスタ内容の保存を行ない得ると云う実用上多大な
る効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係るレジスタ保存方法につき示
すもので、第１図は実施例方法を適用して構成される中
央処理装置の内部構成を概略的に示す図、第２図は実施
例方法で用いられるレジスタ保存処理の為のプログラム
例を示す図、第３図は実施例方法におけるレジスタ保存
処理の手続きの流れを示す図である。 ３……レジスタファイル（ＲＦ）、 ４……算術演算ユニット（ＡＬＵ）、 ５……コントローラ（ＣＯＮＴ）、 ６……メモリ（ＭＲＹ）、 ７……メモリアドレスコントローラ（ＭＣＯＮＴ） 12……カウンタ（ＣＴＲ）、 13……データレジスタ（ＭＤＲＲ）、 14……アドレスコントローラ（ＡＣＯＮＴ）、 15……アドレスレジスタ（ＭＡＲＲ）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サブルーチンを含むプログラムの最初でバ
   ックグラウンド保存命令及び保存領域アドレスが指定さ
   れ、前記プログラム内での前記サブルーチンの直前でマ
   ルチプル保存命令及び保存領域アドレスが指定されたプ
   ログラム命令列を順次実行する計算機のレジスタ保存方
   法であって、 プログラムの実行に必要な情報を保持するための複数の
   レジスタに、プログラムの実行によって前記レジスタの
   内容が更新されたときにリセットされるフラグを夫々付
   属させて設け、 前記バックグラウンド保存命令を実行する際には、リセ
   ットされたフラグの有無を順次調べ、リセットされたフ
   ラグが有る場合に当該レジスタの内容を前記保存領域ア
   ドレスに従ってメモリへ格納し、この格納に成功したと
   きに当該フラグをセットする各処理を、前記バックグラ
   ウンド保存命令の直後から前記マルチプル保存命令の直
   前までのプログラムの実行と並行して、該プログラムの
   実行を妨げることのない空き時間を利用して行ない、 前記マルチプル保存命令を実行する際に、リセットされ
   たフラグの有無を順次調べ、リセットされたフラグが有
   る場合に当該レジスタの内容を前記保存領域アドレスに
   従って前記メモリへ格納し、この格納に成功したときに
   当該フラグをセットすることを特徴とするレジスタ保存
   方法。