JPH08263289A

JPH08263289A - 複数命令流パイプライン計算機

Info

Publication number: JPH08263289A
Application number: JP8883895A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Hotta; 正利堀田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】パイプライン計算機の演算処理能力を向上さ
せる。【構成】命令流識別タグ生成ユニット３１は、複数の
命令流を識別するための命令流識別タグを生成する。Ｐ
Ｃユニット３２は、命令流の個数分のプログラムカウン
タを備えており、タグで示された命令流のプログラムカ
ウンタを選択する。デコーダ３は、プログラムカウンタ
で指定された命令をデコードする。リネーミングレジス
タ３３は、命令流識別タグに基づき、命令流を区別して
レジスタ名前替えを行う。各リザベーションステーショ
ン１０〜１３は、デコードされた命令と、命令流識別タ
グとリネーミングレジスタ３３のエントリ値等を保持す
る。各演算ユニット２０〜２３は、命令を実行し、実行
結果をリネーミングレジスタ３３の対応するエントリに
送る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の命令列の実行機
能を備えた複数命令流パイプライン計算機の、特に、汎
用レジスタの使用の制御構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単一命令流を処理するパイプライン計算
機において、その処理性能を向上させるために同時に複
数の命令を実行するスーパースカラ方式や、命令の発行
順序を変えて実行するアウトオブオーダ発行が用いられ
ている。

【０００３】その際に、性能低下の原因となる命令間の
データ依存を回避するための技術としてレジスターリネ
ーミング（register renaming ：レジスタ名前替え）が
用いられる。このレジスターリネーミングを用いること
により、命令依存のうち、先行の命令がそのレジスタの
値をリードしてからでないとレジスタに新しい値を書き
込めないといった逆依存と、同じレジスタに同時に書き
込もうとしたという出力依存という二つの依存を取り除
くことができる。これにより依存による性能の低下を抑
えることが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような単一命令流を処理するパイプライン計算機が実行
中にデータの真の依存のためやメモリへのストア、キャ
ッシュのミスヒット等により実行が待たされたりして、
プロセッサの演算資源が使われずに無駄になることがあ
る。

【０００５】特にスーパースカラ方式の場合、プロセッ
サの演算資源として、例えば４命令が同時に演算できる
にもかかわらず、命令間の依存のために２命令しか実行
できずに、残りの演算資源が使われない場合があった。
このような点から、演算ユニットの有効利用が図れ、演
算処理能力を向上させることのできるパイプライン計算
機の実現が望まれていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複数命令流パイ
プライン計算機は、複数の命令流を識別するためのタグ
を生成する命令流識別タグ生成ユニットと、命令流の個
数分のプログラムカウンタを備え、命令流識別タグに基
づき対応するプログラムカウンタを選択するＰＣユニッ
トと、命令流識別タグに基づき、命令流毎にレジスタ名
前替えを行うリネーミングレジスタとを備えている。そ
して、演算ユニットは、リネーミングレジスタの値を用
い、ＰＣユニットから選択されたプログラムカウンタに
よって指定された命令を実行するよう構成されているも
のである。

【０００７】

【作用】本発明の複数命令流パイプライン計算機におい
ては、命令流識別タグ生成ユニットは、複数の命令流の
うちの一つを選択する信号を送出する。これにより、Ｐ
Ｃユニットは、対応するプログラムカウンタを選択し、
その結果、いずれかの命令流が選択される。また、リネ
ーミングレジスタは、命令流識別タグに基づき、命令流
毎にレジスタ名前替えを行う。更に、演算ユニットは、
リネーミングレジスタの値を用いて、プログラムカウン
タによって選択された命令流中の命令を実行する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図１は、本発明の一実施例による複数命令流
パイプライン計算機の構成図であるが、これに先立ち、
スーパースカラプロセッサの構成について説明する。

【０００９】図２は、そのスーパースカラプロセッサの
構成図である。図の装置は、命令メモリ１、命令キャッ
シュ２、デコーダ３、リオーダバッファ４、レジスタ
５、プログラムカウンタ（ＰＣ）６、データキャッシュ
７、データメモリ８、リザベーションステーション１０
〜１３、演算ユニット２０〜２３からなる。

【００１０】命令メモリ１は命令キャッシュ２を通じて
デコーダ３に接続されている。デコーダ３からの出力は
各演算ユニット２０〜２３のリザベーションステーショ
ン１０〜１３と、リオーダバッファ４とレジスタ５に接
続されている。プログラムカウンタ６の出力は、命令キ
ャッシュ２を通して命令メモリ１に接続されている。各
リザベーションステーション１０〜１３は、対応する各
演算ユニット２０〜２３に接続されており、ロードスト
アユニット２３を除く各演算ユニット２０〜２２の出力
はリオーダバッファ４に接続されている。ロードストア
ユニット２３の出力は、データキャッシュ７を通じてデ
ータメモリ８と接続されている。また、各演算ユニット
２０〜２３は、例えば、分岐（Branch）、算術演算（AL
U ）、シフタ（Shifter ）、ロード／ストア（Load/Sto
re）ユニットである。

【００１１】図３は、リオーダバッファ４の構成図であ
る。リオーダバッファ４は、ｖフィールド、destフィー
ルド、dataフィールド、Ｃフィールドを備えたテーブル
である。ここで、ｖフィールドは１ビットからなる値で
そのエントリが有効か否かを示すもので、destフィール
ドは、そのエントリが実際にはどのレジスタの値を保持
しているかを表す。また、dataフィールドはそのレジス
タの持つ値、または結果タグを保持する。Ｃフィールド
は、そのエントリのdataフィールドが実際の値を持って
いるのか、または、実行完了待ち、即ち結果タグを持っ
ているのかを区別するための１ビットからなるフラグで
ある。

【００１２】このように、リオーダバッファ４は、dest
フィールドを検索キーとして持つ連想メモリである。

【００１３】次に、一般的なレジスタリネーミングにつ
いて説明する。命令が元のプログラム順序とは殆ど無関
係に発行されることになるアウト・オブ・オーダ発行の
場合でも、個々の命令の発行に関する制約は、命令が元
のプログラム順序で発行されるイン・オーダ発行の場合
と殆ど同じである。即ち、資源競合と依存関係が消滅し
た時点で命令は発行される。アウト・オブ・オーダ発行
は、発行の対象となる命令を単に多くプロセッサに与
え、結果として並列実行可能な命令を発見しやすくして
いるだけである。しかし、アウト・オブ・オーダに命令
発行することで、命令発行に新たな制約が生じる。これ
は、アウト・オブ・オーダ完了が、出力依存関係に関す
る制約を生じたのとちょうど同じである。

【００１４】これを、命令列の一例を用いて説明する。Ｒ３＝Ｒ３×Ｒ５（１）Ｒ４＝Ｒ３＋１（２）Ｒ３＝Ｒ５＋１（３）Ｒ７＝Ｒ３÷Ｒ４（４）ここで、上記命令列は、例えば、（１）では、レジスタ
Ｒ３の値とレジスタＲ５の値を掛けて、その値をレジス
タＲ３に書き込む、といった命令を意味している。

【００１５】上記の命令列では、２番目の命令が実行を
始める以前に、３番目の命令を完了することはできな
い。さもないと、２番目の命令の第１ソース・オペラン
ド（＝Ｒ３）を３番目の命令が誤って上書きしてしまう
からである。３番目の命令の実行結果は、２番目の命令
の第１ソース・オペランドに対して逆依存関係（antide
pendecy ）にある。ここで、逆依存関係とは、方向が逆
であるという点以外は、真の依存関係と同様の制約を意
味している。真の依存関係では先行命令が後続命令の使
う値を生成するのに対して、逆依存関係では先行命令が
使う値を後続命令が破壊してしまう。これを避けるた
め、プロセッサは、２番目の命令が実行を始めるまで
は、３番目の命令を発行してはいけない。そして、２番
目の命令は、１番目の命令に依存しているから、３番目
の命令は１番目の命令が完了するのを待たなくてはなら
ない。たとえ、３番目の命令が他の点では独立であって
もそうである。

【００１６】そして、これを解決する手段がレジスタリ
ネーミング（レジスタ名前替え）という手法である。プ
ロセッサは、付加的なレジスタを設け、レジスタと値と
の間の対応関係を再構築することで、メモリ競合を除去
する。これら付加的なレジスタは、ハードウェアによっ
て実行時に動的に割り当てられ、そして、レジスタリネ
ーミングでプログラムで必要とする値と対応付けられ
る。レジスタリネーミングを実現するため、プロセッサ
は、新しく生成された全ての値に対して、即ち、レジス
タに書き込む全ての命令に対して、新しいレジスタを割
り付ける。

【００１７】レジスタから値を読み出す命令は、元々、
指定されているレジスタからではなく、新しく割り当て
られたレジスタから値を読み出す。このように、新しい
レジスタおよび正しい値を識別するように、ハードウェ
アは命令内の元のレジスタ名を変更する。同じレジスタ
名でも、命令が異なればレジスタ割当てに対するレジス
タ参照の位置によっては異なるハードウェア・レジスタ
にアクセスすることになる。

【００１８】名前替えを行うと、上記の命令列は以下の
ようになる。Ｒ３_b＝Ｒ３_a×Ｒ５_a （１）Ｒ４_b＝Ｒ３_b＋１（２）Ｒ３_c＝Ｒ５_a＋１（３）Ｒ７_b＝Ｒ３_c÷Ｒ４_b （４）

【００１９】この命令列では、レジスタへの各代入が、
新しいインスタンス（instance）を生成しており、これ
をアルファベットの添え字で示す。３番目の命令中のＲ
３に対して新しいインスタンスを生成して、２番目の命
令と１番目の命令に対する逆依存関係と出力依存関係を
消去している。しかも、４番目の命令には正しくオペラ
ンドを供給している。３番目の命令のＲ３に対する代入
は、１番目の命令Ｒ３に対する代入にとって代わる。よ
って、他の命令がＲ３に値を代入するまでは、後続命令
から見るとＲ３_C が新しいＲ３になる。

【００２０】次に、このように構成されたスーパースカ
ラプロセッサの動作について説明する。プログラムカウ
ンタ６は、命令キャッシュ２にアクセスし、命令キャッ
シュ２からの出力はデコーダ３に送られる。（例えば、
上記命令列（１）〜（４）が送られるとする。）デコーダ３は、その命令を解釈し、どの演算ユニット２
０〜２３に送るかを決定し、対応するリザベーションス
テーション１０〜１３に出力を送る。（例えば、上記
（１）〜（４）では、算術演算であるため、リザベーシ
ョンステーション１１に送られる。

【００２１】また、同時に、デコーダ３は、命令のソー
スレジスタの値とデスティネーションレジスタの値をリ
オーダバッファ４に、ソースレジスタの値をレジスタ５
に送る。例えば、（１）の場合、Ｒ３_a 、Ｒ５_a の値と
Ｒ３_b の値をリオーダバッファ４に、また、Ｒ３_a 、Ｒ
５_a の値をレジスタ５に送る。

【００２２】リオーダバッファ４は、このソースレジス
タの値をキーとして連想メモリを引き、destフィールド
が合致するものの中で最新の値を、対応するリザベーシ
ョンステーション１０〜１３に送る。この際、もし、合
致したエントリのＣフィールドが無効だった（結果タグ
であった）場合、値の代わりにその結果タグの値を送
る。

【００２３】もし合致するエントリがリオーダバッファ
４内にない場合は、レジスタ５の値がリザベーションス
テーション１０〜１３に送られる。また、リオーダバッ
ファ４は、デスティネーションレジスタの値を新しいエ
ントリのdestフィールドに保持して、ｖフィールドを有
効にし、また、Ｃフィールドを無効にし、結果タグを生
成してdataエントリに保持する。更に、このリオーダバ
ッファ４のエントリの値をリザベーションステーション
１０〜１３に送り、これがその命令の新しいデスティネ
ーションとなる。

【００２４】図４は、リオーダバッファ４における上記
命令列の値を示す説明図である。ここで、上のエントリ
からＲ３は、上記命令列におけるＲ３_b であり、次のＲ
４はＲ４_b 、その次のＲ３はＲ３_c 、更に、Ｒ７はＲ７
_b のエントリである。即ち、この状態は、Ｒ３_a 、Ｒ５
_a の値はレジスタ５にあり、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ７
は、上記命令列における（１）〜（４）に対応したディ
スティネーションレジスタの値である。そして、このリ
オーダバッファ４を用いることにより、（３）式が
（１）、（２）式とは無関係に実行できることが分か
る。尚、ｖフィールドおよびＣフィールドは、「１」が
有効、「０」が無効を示している。また、dataフィール
ドの「１０５」〜「１０８」は、結果タグを示してい
る。

【００２５】リザベーションステーション１０〜１３で
は、これらのデコードされた命令と、リオーダバッファ
４のエントリの値（デスティネーション）と、ソースレ
ジスタの値（もしくは、結果タグの値）を保持してお
り、該当する演算ユニット２０〜２３が空いていて、ソ
ースレジスタの値が揃っていれば、その演算ユニット２
０〜２３に送られる。例えば、図２の構成において、算
術演算ユニット２１が複数あり、かつ、ソースレジスタ
であるＲ３_a 、Ｒ５_a の値が揃っていれば、上記（１）
式と（３）式の同時実行が行われる。

【００２６】演算ユニット２０〜２３で実行された結果
は、ストア命令を除きリオーダバッファ４の先ほどのエ
ントリへ送られ、dataフィールドに結果を書き込み、Ｃ
フィールドを有効にする。その際、dataフィールドに書
かれていた、結果タグの値と一致するタグを持っている
ものがリザベーションステーション１０〜１３にいない
かを探し、もし一致するものがあれば、そのリザベーシ
ョンステーション１０〜１３にも結果を書き込む。ま
た、実行が実際の命令順において前の命令の実行が全て
終っていれば、そのエントリのdataの値をdestフィール
ドで示されるレジスタ５へ送り、ｖフィールドを無効に
する。

【００２７】また、割り込みや例外が発生した場合は、
リザベーションステーション１０〜１３のエントリを無
効化し、かつ、リオーダバッファ４のエントリのｖフィ
ールドを無効化する。

【００２８】ところで、複数のアプリケーションを実行
するといったように、複数の命令流がある場合は、各命
令流毎に実行できれば演算ユニットの有効利用が図れ、
プロセッサの性能向上を図ることができる。

【００２９】図５は、このような複数の命令流の説明図
である。この例は、二つのアプリケーションＡＰ１、Ａ
Ｐ２の命令列を示しており、それぞれの命令（１Ａ）〜
（４Ａ）と、命令（１Ｂ）〜（４Ｂ）とはプログラムの
実行順序としては全く無関係である。本実施例ではこの
ような場合に複数の命令流を同時に実行可能とするため
に、図１の構成としたものであり、以下、これを詳細に
説明する。

【００３０】図１に示す装置は、命令メモリ１、命令キ
ャッシュ２、データキャッシュ７、データメモリ８、リ
ザベーションステーション１０〜１３、演算ユニット２
０〜２３を備えると共に、命令流識別タグ生成ユニット
３１、ＰＣユニット３２、リネーミングレジスタ３３を
備えている。ここで、命令メモリ１〜演算ユニット２３
の構成については、上述した図２の構成と同様である。

【００３１】命令流識別タグ生成ユニット３１は、複数
の命令流を識別するためのタグを生成するユニットで、
その出力は、各演算ユニット２０〜２３のリザベーショ
ンステーション１０〜１３と、リネーミングレジスタ３
３と、ＰＣユニット３２に接続されている。ＰＣユニッ
ト３２は、命令流の個数分のプログラムカウンタ（Ｐ
Ｃ）を持つプログラムカウンタユニットであり、その出
力は命令キャッシュ２を通して命令メモリ１に接続され
ている。

【００３２】図６は、リネーミングレジスタ３３の構成
図である。このリネーミングレジスタ３３は、図２に示
した通常のリオーダバッファ４に［log₂n ］（小数点以
下切り上げ。ただし、ｎ＞１で命令流の数。）ビットか
らなる命令流指示ビットフィールドＩＮと、１ビットの
完了フラグフィールドＩＣとを付加したものであり、de
stフィールドとＩＮフィールドを検索キーとした連想メ
モリである。即ち、命令流指示ビットフィールドＩＮ
は、そのエントリの値がどの命令流であるかを識別する
ための値であり、完了フラグフィールドＩＣは、割り込
みに対処するためのフィールドである。

【００３３】先ず、命令流識別タグ生成ユニット３１
が、ＰＣユニット３２に命令流個あるＰＣのうちの一つ
を選択する信号を送出する。ＰＣユニット３２は、選択
されたＰＣの値で命令キャッシュ２にアクセスし、命令
キャッシュ２からの出力はデコーダ３に送られる。デコ
ーダ３は命令を解釈し、どの演算ユニット２０〜２３に
送るかを決定し、対応するリザベーションステーション
１０〜１３に出力を送る。

【００３４】また、同時に命令流識別タグ生成ユニット
３１から［log₂n ］（小数点以下切り上げ）ビットの命
令流識別タグが同一リザベーションステーションに送ら
れる。更に、これと同時に、デコーダ３からは命令のソ
ースレジスタの値とデスティネーションレジスタの値
が、また、命令流識別タグ生成ユニット３１からは命令
流識別タグが、それぞれリネーミングレジスタ３３に送
られる。リネーミングレジスタ３３は、このソースレジ
スタの値と命令流識別タグをキーとして連想メモリを引
き、合致するものの中で最新の値を対応するリザベーシ
ョンステーション１０〜１３に送る。

【００３５】この際、もし、合致したエントリのＣフィ
ールドが無効だった場合、値の代わりに結果タグの値を
送る。また、リネーミングレジスタ３３はデスティネー
ションレジスタの値を新しいエントリのdestフィールド
に、命令流識別タグをＩＮフィールドに加え、更に、ｖ
フィールドを有効にし、ＣフィールドとＩＣフィールド
を無効にし、結果タグを生成してdataフィールドに保持
する。また、このリネーミングレジスタ３３のエントリ
の値をリザベーションステーション１０〜１３に送る。

【００３６】図７は、リネーミングレジスタ３３の内容
説明図である。即ち、これは、図５に示した二つのアプ
リケーションＡＰ１とＡＰ２との命令列が入力されたも
のであり、アプリケーションＡＰ１およびＡＰ２のそれ
ぞれのＲ３_a とＲ５_a の値がdataフィールドに書き込ま
れており、従って、Ｃフィールドが有効（＝１）であ
り、また、ＩＣフィールドも、前の命令での結果を保持
しているエントリのＩＣフィールドが全て有効であるた
め、有効（＝１）となっている。このように、ＡＰ１と
ＡＰ２とは、ＩＮフィールドの値が異なるため、これら
の命令は同時に実行することが可能となる。尚、dataフ
ィールドの「２」「３」「５」「６」は値であり、「１
０５」〜「１０８」および「２０１」〜「２０４」は、
結果タグの値である。

【００３７】リザベーションステーション１０〜１３で
は、これらのデコードされた命令と命令流識別タグ、リ
ネーミングレジスタ３３のエントリの値、ソースレジス
タの値（もしくは、タグの値）を保持しており、該当す
る演算ユニット２０〜２３が空いていて、かつ、ソース
レジスタの値が揃っていれば、その演算ユニット２０〜
２３に送られる。

【００３８】演算ユニット２０〜２３で実行された結果
と命令流識別タグは、ストア命令を除きリネーミングレ
ジスタ３３の先ほどのエントリへ送られ、dataフィール
ドに結果を書き込み、Ｃフィールドを有効にする。その
際dataフィールドに書かれていた、結果タグの値と一致
するタグを持っているものが、リザベーションステーシ
ョン１０〜１３にいないかを探し、もし一致するものが
あれば、そのリザベーションステーション１０〜１３に
も結果を書き込む。また、ＩＣフィールドは、実行が実
際の命令順において前の命令での結果を保持しているエ
ントリのＩＣフィールドが全て有効であれば、有効にす
る。また、ＩＣフィールドが有効なもののうちdestエン
トリが同一なエントリが存在した場合、古い方のエント
リのｖフィールドを無効にする。

【００３９】割り込みや例外が発生した場合は、割り込
みや例外を発生させた命令流識別タグと同一のタグを持
つリザベーションステーション１０〜１３のエントリを
無効化し、かつ、リネーミングレジスタ３３のエントリ
中で、ＩＮフィールドと命令流識別タグが一致し、ＩＣ
フィールドが無効なもののｖフィールドを無効化する。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の複数命令
流パイプライン計算機によれば、複数の命令流にアクセ
スするためのプログラムカウンタを有し、かつ、複数の
命令流を識別するためのタグを付加したリネーミングレ
ジスタでレジスタ名前替えを行うようにしたので、真の
依存のために、演算ユニットが空いているにもかかわら
ず、命令が発行できずに有効に活用できなかったもの
を、複数の命令流を実行できることにより、演算ユニッ
トの有効利用が図れ、高い演算処理性能を維持したまま
高スループットの処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複数命令流パイプライン計算機の一実
施例の構成図である。

【図２】一般的なスーパースカラプロセッサの構成図で
ある。

【図３】リオーダバッファの構成図である。

【図４】リオーダバッファにおける命令列の一例を示す
説明図である。

【図５】複数の命令流の説明図である。

【図６】本発明の複数命令流パイプライン計算機におけ
るリネーミングレジスタの構成図である。

【図７】本発明の複数命令流パイプライン計算機におけ
るリネーミングレジスタの内容説明図である。

【符号の説明】

３デコーダ２０〜２３演算ユニット３１命令流識別タグ生成ユニット３２ＰＣユニット３３リネーミングレジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】任意の命令がどの命令流に属するかを識
別する命令流識別タグを生成する命令流識別タグ生成ユ
ニットと、命令流の個数分のプログラムカウンタを備え、前記命令
流識別タグで示された命令流のプログラムカウンタを選
択するＰＣユニットと、前記命令流識別タグに基づき、命令流毎にレジスタ名前
替えを行うリネーミングレジスタと、前記リネーミングレジスタの値を用い、前記プログラム
カウンタによって指定された命令を実行する演算ユニッ
トとを備えたことを特徴とする複数命令流パイプライン
計算機。
【請求項２】任意の命令がどの命令流に属するかを識
別する命令流識別タグを生成する命令流識別タグ生成ユ
ニットと、命令流の個数分のプログラムカウンタを備え、前記命令
流識別タグで示された命令流のプログラムカウンタを選
択するＰＣユニットと、前記ＰＣユニットから選択されたプログラムカウンタに
よって指定された命令をデコードし、命令中のソースレ
ジスタとディスティネーションレジスタの値を求めるデ
コーダと、前記ソースレジスタの値と前記命令流識別タグとに対応
したデータを出力すると共に、その命令におけるディス
ティネーションレジスタの値を命令流毎に新しいエント
リとし、レジスタ名前替えを行うリネーミングレジスタ
と、前記リネーミングレジスタから出力されたソースレジス
タに対応した値を用い、前記デコーダでデコードされた
命令を実行すると共に、実行結果を前記リネーミングレ
ジスタにおけるディスティネーションレジスタの値に書
き込む演算ユニットとを備えたことを特徴とする複数命
令流パイプライン計算機。