JPH09292993A - 演算実行方法および演算実行装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固有演算を行うとき、例外処理を待たさず、
性能を落とさないことの両立が困難だった。 【解決手段】 パイプラインはフェッチＩ、解読Ｒ、実
行Ａ、メモリアクセスＭ、レジスタ書込Ｗの５ステージ
構成をとる。演算起動命令（命令１）と演算結果取出命
令（命令２）を別々に設ける。命令１は起動をかけるだ
けで終了する。命令２は、Ｒステージで命令１の演算完
了を待つ。ＩとＲステージはハードウエアの状態を変化
させないため、ここで例外処理要求があれば、命令２を
破棄してその処理を行う。この間も演算の実行はつづ
く。例外処理後、命令２をＩステージからやりなおす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、演算実行方法お
よびその方法を用いた演算実行装置に関する。この発明
は特に、演算を含む各種処理が命令の形で与えられると
き、これらの命令を実行する演算実行方法および装置に
関する。この発明は、例えばパイプライン方式のマイク
ロプロセッサに適用することが可能である。

【０００２】

【従来の技術】ＲＩＳＣ（Reduced Instruction Set Co
mputer）型のシングルチップ・マイクロプロセッサは、
主に特定用途において、高い処理性能、低い消費電力お
よび少ない実装面積を同時に実現するデバイスである。
最近ではさらに演算性能の強化を図るために、こうした
マイクロプロセッサの中に専用の演算回路を設けること
も多い。

【０００３】日本電気（株）のＶ８５１は、そうしたマ
イクロプロセッサの１つである。ＮＥＣ技報 Ｖｏｌ．
４８ Ｎｏ．３／１９９５の４２〜４７ページの記載に
よれば、Ｖ８５１はパイプライン方式のＲＩＳＣアーキ
テクチャをとり、乗算命令の高速実行のために、通常の
ＡＬＵの他にＭＵＬＵと呼ばれるハードウエア乗算器を
備える。この乗算器により、乗算を１または２クロック
で実行する。

【０００４】図１はＶ８５１によるパイプライン処理の
様子を示す図である。同図では、命令１がＭＵＬＵを用
いて１クロックで完了し、つづく命令２が１クロック遅
れでパイプライン処理されていく様子が示されている。
同図において各クロックに対応する処理はステージと呼
ばれ、５種類のステージを経ることにより、１つの命令
の実行が完了する。Ｖ８５１の場合、５種類のステージ
はＩＦ、ＩＤ、ＥＸ、ＭＥＭ、ＷＢと呼ばれ、これら各
ステージはそれぞれ、命令フェッチ、命令解読（および
レジスタの読み出し）、演算（およびメモリアドレス生
成）、メモリアクセス（乗算結果取り出し）、レジスタ
ファイルに対するデータの書き戻しを示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パイプライン方式のマ
イクロプロセッサを設計する場合、割込等例外処理の受
付に関し、いくつかの異なる設計方針がある。特に、専
用の演算回路を設ける場合、この回路の性質に応じた設
計が必要となる。演算実行と例外処理の要求が同時に発
生したとき、主な制御方法は以下のとおりである。

【０００６】（１）例外処理を待たせる いったん演算が起動されたとき、この演算の実行が完了
するまで例外処理を待たせ、演算完了後例外処理を行
う。

【０００７】（２）演算を中止する 例外処理を優先するために演算を中止し、演算の途中経
過を破棄する。例外処理の完了後、演算を最初からやり
なおす。

【０００８】（３）演算を中断する 演算をいったん中断し、演算の途中経過を退避する。例
外処理の完了後、退避したデータを読み戻し、演算を中
途から再開する。

【０００９】これらのうち、（１）は設計上最も単純で
ハードウエアも少ないが、急を要する例外処理が長時間
待たされるおそれがあり、システム上問題が生じうる。
（２）にはこの問題がないが、演算が最初からやりなお
しになるため、処理性能上問題が生じうる。（３）には
これらの問題がないが、実現するためのハードウエアが
大きくなる。例えば前述のＶ８５１のように、演算に高
々２クロックしかかからない場合は（１）の方法が現実
的と考えられるが、例えば多ビットデータを対象とする
浮動小数点演算用の演算回路を設けるような場合、
（２）または（３）の方法を選択するほかなかった。

【００１０】［目的］本発明は、上記課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、例外処理を無用に待たせ
ることなく、処理性能の低下を最小限にとどめ、かつハ
ードウエアの増大を招かない演算実行方法および装置の
提供にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明の演算実行方法は、命令の形で与えられる
演算を実行する方法であって、演算の起動を指示する演
算起動命令と、その演算の結果を取り出す演算結果取出
命令を別々に設け、演算起動命令によって起動された演
算の実行完了をハードウエアによって判定し、その演算
の実行が完了するまで、後続の演算結果取出命令の実行
を、その演算結果取出命令自体を破棄することが可能な
状態で停止する。

【００１２】ここで「演算」は、数値演算に限らず、各
種制御機能の単位処理全般を指す。また本発明では、命
令の「実行」ということばが２つの意味を持つ。すなわ
ち、この命令を読み取って解読し、解読内容に従って実
際にハードウエア資源に対する制御を行い、命令を終了
するまでの一連の処理が広義の実行である。一方、前記
ハードウエア資源に対する実際の制御のみを指して狭義
の実行という。以降、特に区別が必要な個所に限り、広
狭を明示して説明する。

【００１３】本発明では、演算起動と演算結果の取り出
しを異なる命令で行う。演算起動命令は演算の起動のみ
を目的とするため、演算が起動された時点でその命令自
体の実行は完了する。しかしこれとは別に、演算自体は
実行中とする構成が可能であり、この演算の完了がハー
ドウエア的に判定される。

【００１４】一方、演算が完了する前であっても、演算
起動命令自体の実行が完了していることから、演算結果
取出命令の実行（広義）が開始できる。しかし、この命
令は前記演算の完了を待つ必要があるため、その実行
（狭義）は演算が完了するまで停止される。このとき、
例えば例外処理の要求が発生したら、停止中の演算結果
取出命令を破棄し、当該処理を先に実行する。「破棄」
とは、命令の実行を中止することをいう。このとき、前
記演算自体は必ずしも中止する必要はないため、例外処
理等を終えた後、演算結果取出命令のみを再度実行する
ことができる。

【００１５】（２）本発明の演算実行方法のある態様で
は、この方法は、前記演算起動命令によって起動された
演算の実行が完了する前であっても例外処理の要求を受
け付け、この要求が実際に発生したとき実行中の演算結
果取出命令を破棄し、例外処理を行った後、前記演算結
果取出命令を再実行する。この動作原理は（１）で説明
したとおりである。

【００１６】（３）本発明の演算実行方法のある態様で
は、この方法は命令をパイプライン処理によって実行す
るものであり、前記演算起動命令によって起動された演
算の実行完了の判定は、命令の実行状況を見てパイプラ
インのステージ進行を制御するときに、パイプライン処
理動作の一環として行われる。

【００１７】この態様では、前提として、命令がパイプ
ライン処理によって行われる。パイプライン処理を行う
とき、パイプラインの各ステージを進めていくために、
命令の実行状況の監視が必要となる。そこで、この監視
動作を前記演算の実行完了の判定に利用するものであ
る。

【００１８】（４）一方、本発明の演算実行装置は、演
算起動命令によって演算が起動され、演算結果取出命令
によって演算結果が取り出されるよう構成された演算手
段と、演算起動命令によって起動された演算の実行完了
をハードウエアによって判定する演算完了判定手段と、
演算の実行が完了するまで、後続の演算結果取出命令の
実行を、その演算結果取出命令自体を破棄すること可能
な状態で停止する取出命令実行停止手段とを含む。「演
算手段」の一例に、固有の演算を実行するコプロセッサ
がある。

【００１９】この態様において、まず演算起動命令が読
み込まれると、演算手段において演算が起動される。こ
の演算の実行完了が演算完了判定手段で判定される。つ
づいて、演算結果取出命令が読み込まれるが、この命令
の実行（狭義）は演算の実行が完了するまで停止され
る。演算結果取出命令は、その命令自体を破棄すること
が可能な状態、例えば解読までが終了したステージで停
止される。このため、例外処理の要求などが発生すれ
ば、演算結果取出命令を破棄してこれを優先的に処理す
ることができる。この後、演算結果取出命令が再実行さ
れ、演算手段から演算結果が取り出される。

【００２０】（５）本発明の演算実行装置のある態様
は、命令をパイプライン処理によって実行するパイプラ
イン制御手段を含み、このパイプライン制御手段は前記
取出命令実行停止手段を含み、この取出命令実行停止手
段は、前記演算の実行完了の判定結果に従い、演算結果
取出命令の実行停止をパイプライン処理中の関連するス
テージにて行う。その作用は、（１）の説明に準ずる。

【００２１】（６）このとき本発明のある態様では、前
記取出命令実行停止手段は、演算結果取出命令が解読さ
れるステージか、それよりも時間的に前のステージでそ
の命令の実行を停止し、前記パイプライン制御手段は、
演算結果取出命令の実行が停止されている間に例外処理
の要求が発生したとき、その例外処理の実行後に演算結
果取出命令の実行を再開する取出命令再実行手段を含
む。

【００２２】この態様によれば、演算結果取出命令は、
その命令が解読されるステージ以前のステージ、すなわ
ち狭義の実行が開始される前に停止される。この間に例
外処理の要求が発生したとき、その例外処理の実行後に
演算結果取出命令の実行が再開される。なお、命令の狭
義の実行を開始することを、以降「命令の発行」とも呼
ぶ。

【００２３】（７）本発明のある態様では、この装置は
さらに、演算起動命令が解読されたとき前記演算手段を
利用する旨の予約を行う予約手段と、この予約の状況に
応じて演算起動命令の実行を停止する起動命令停止手段
を含む。

【００２４】この態様では、演算起動命令が解読された
とき、演算手段が利用されることが判明するため、これ
が予約手段で予約される。予約は、例えば単にカウンタ
などの計数回路の計数値をインクリメントすることでも
実現できる。起動命令停止手段は、この予約の状況に応
じて演算起動命令の実行を停止する。予約が多い場合、
例えばいま解読した演算起動命令の発行を即座に停止し
てもよいし、この命令は通常どおり発行し、つぎの命令
の実行を停止してもよい。

【００２５】（８）このとき、本発明のある態様では、
前記演算手段は、演算起動命令の実行の際に演算対象デ
ータが送り込まれ、演算結果取出命令の実行の際に演算
結果データが取り出されるＦＩＦＯ構造を有し、前記起
動命令停止手段は、このＦＩＦＯ構造の段数と前記予約
の回数との比較結果から演算起動命令の実行を停止す
る。

【００２６】この態様によれば、演算起動命令が実行さ
れるとき、ＦＩＦＯ構造に演算対象データが送り込ま
れ、演算結果取出命令が実行されるときＦＩＦＯ構造か
ら演算結果データが取り出される。ＦＩＦＯ構造である
から、データの入力が出力よりも多いと、いずれ内部が
フル状態となる。そこで、起動命令停止手段はＦＩＦＯ
構造の段数と予約の回数との比較し、ＦＩＦＯが溢れる
前に、予め演算起動命令の実行を停止するものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】ここで本発明の演算実行装置の好
適な実施形態を適宜図面を参照しながら説明する。この
装置の説明により、本発明に係る演算実行方法も明らか
となる。本実施形態では、演算実行装置としてパイプラ
イン方式のマイクロプロセッサを考える。Ｖ８５１のＭ
ＵＬＵに当たる部分はコプロセッサによって実現する。

【００２８】本装置のパイプラインは、５種類のステー
ジ、Ｉ（命令フェッチ）、Ｒ（命令解読と汎用レジスタ
の読出）、Ａ（ＡＬＵによる演算）、Ｍ（メモリアクセ
ス）、Ｗ（レジスタ書込）から構成される。なお、「命
令の発行」はＲステージからＡステージへの移行と同義
である。

【００２９】［構成］図２は本装置の全体構成図であ
る。本装置は大別して、通常の処理を統括的に行うプロ
セッサ４０と、Ｖ８５１のＭＵＬＵに当たるコプロセッ
サ５０、およびプロセッサ４０が実行すべき命令を格納
する命令メモリ１、プロセッサ４０による処理の対象と
なるデータを格納するデータメモリ１９からなる。命令
は、命令メモリバス２を介してプロセッサ４０に取り込
まれる。一方、データはデータメモリバス１８を介して
プロセッサ４０との間でリードライトされる。

【００３０】プロセッサ４０内にはまず、命令メモリ２
から命令をフェッチする命令フェッチ部３、命令フェッ
チ部３から命令語を受け取り、これを解読する命令デコ
ード部５がある。これらがＩステージと、Ｒステージの
前半に対応する。

【００３１】命令デコード部５では、命令の種類に従っ
て命令語のデコードを行ない、処理すべき演算の機能を
示す機能コード６ａ、命令語内に埋め込まれた定数オペ
ランドである即値オペランド６ｂ、２個のソースレジス
タ番号６ｃ、６ｄ、１個のディスティネーションレジス
タ番号６ｅなどを抽出する。

【００３２】ソースレジスタ番号６ｃ、６ｄは汎用レジ
スタ群７に送られる。本実施形態では、汎用レジスタ群
７の各レジスタがＲ０、Ｒ１…と呼ばれるものとする。
汎用レジスタ群７からは、ソースレジスタ番号６ｃ、６
ｄに対応するレジスタの内容が取り出され、これらがソ
ースオペランド８ａ、８ｂとして演算部１１に送られ
る。これがＲステージの後半である。演算部１１は一般
のプロセッサが持つ通常のＡＬＵであり、これがＡステ
ージに対応する。

【００３３】一方、機能コード６ａはパイプライン制御
部９に送られる。パイプライン制御部９は、同図に示す
ように、装置全体の状態を監視し、ステージ進行を制御
し、個々の命令の発行時期を決定する。

【００３４】命令が発行可能な時期にきたとき、機能コ
ード６ａは機能コード１０ａとして演算部１１に送られ
る。演算部１１では、汎用レジスタから得られたソース
オペランド８ａ、８ｂ、および即値オペランド６ｂのう
ち必要な値を用い、パイプライン制御部９から与えられ
る機能コード１０ａに従って演算を行なう。演算部１１
で実行される演算の意味は命令の種類毎に異なる。

【００３５】例えば、命令が演算命令のときは、命令に
示された演算が演算部１１内で実行される。演算結果は
演算結果保持部１３に蓄えられる。演算結果１６は汎用
レジスタ書込制御部１５を介して汎用レジスタ群７に送
られる。このとき書込先のレジスタ番号として、命令の
ディスティネーションレジスタ番号６ｅがディスティネ
ーションレジスタ番号１０ｂとしてパイプライン制御部
９によって適切なタイミングで送り出される。汎用レジ
スタ書込制御部１５は、パイプライン制御部９から得ら
れたディスティネーションレジスタ番号１０ｂを用いて
汎用レジスタへの書込操作を行なう。これがＷステージ
に当たる。この場合、ＭステージはＮＯＰ、すなわち何
もしない。

【００３６】一方、実行中の命令がメモリアクセス命令
であれば、アクセスすべきメモリアドレスの計算が演算
部１１で実行される。得られたメモリアドレス１２はデ
ータメモリアクセス制御部１４に渡される。データメモ
リアクセス制御部１４は、データメモリバス１８を介し
てデータメモリ１９のリードライトを行う。これがＭス
テージに相当する。メモリへの書込命令の実行は、デー
タメモリアクセス制御部１４における実行によって完了
する。この場合はＷステージがＮＯＰである。メモリか
らの読出命令の実行は、リードされたデータ１７が汎用
レジスタ書込制御部１５を介して汎用レジスタに書き込
まれたとき、すなわちＷステージの完了とともに完了す
る。

【００３７】プロセッサ４０はさらに、外部割込信号２
８を入力する割込信号入力部２７を持つ。割込信号が入
力されたとき、これがパイプライン制御部９に通知され
る。

【００３８】一方、コプロセッサ５０は、以下のバスに
よってプロセッサ４０とデータのやりとりを行う。すな
わち、プロセッサ４０における演算結果１６とデータメ
モリ１９からリードされたデータ１７を含むコプロセッ
サ入力バス２０と、コプロセッサ５０に対するデータ等
の入力を制御する信号を含むコプロセッサ入力制御バス
２１と、コプロセッサ５０からのデータの出力を制御す
る信号を含むコプロセッサ出力制御バス２３と、コプロ
セッサから出力された演算結果データおよび状態信号を
含むコプロセッサ出力バス２４である。

【００３９】コプロセッサ入力バス２０とコプロセッサ
入力制御バス２１は、コプロセッサ入力制御部３０で参
照される。コプロセッサ入力制御部３０は、コプロセッ
サ５０のいずれのレジスタにデータを入力すべきかを決
定するとともに、コプロセッサ５０に対してデータが入
力過多になることを回避する。

【００４０】コプロセッサ演算部３１は、コプロセッサ
入力制御部３０がデータの入力を受け付けたとき、実際
に演算を行う。演算結果はコプロセッサ出力制御部３２
に与えられ、出力レジスタに格納される。コプロセッサ
出力制御部３２は、コプロセッサ出力制御バス２３を参
照し、データを出力すべきレジスタの決定と、そのレジ
スタからのデータ出力を制御する。出力されたデータは
コプロセッサ出力バス２４を介してプロセッサ４０に与
えられる。コプロセッサ出力制御部３２はさらに、演算
実行の状況と、コプロセッサ入力制御部３０において判
断されたデータ入力過多の状態をコプロセッサ出力バス
２４に出力し、プロセッサ４０のパイプライン制御部９
に対して、ステージの進行停止、命令の破棄、命令の再
実行に必要な情報を提供する。

【００４１】図３は、コプロセッサ５０の内部構成を示
す図である。同図のうち、実際に演算を行うのは、コプ
ロセッサ演算部３１のなかの固有演算部２１３であり、
演算の実行は演算制御部２０９で制御される。固有演算
部２１３では、通常の乗算、除算の他、例えば浮動小数
点演算など、コプロセッサに固有の演算（主に２項演
算）を行う。固有演算部２１３に演算対象データを供給
するのは、固有演算部２１３に併設された２つの入力レ
ジスタＳＲ０、１であり、演算結果を格納するのはコプ
ロセッサ出力制御部３２のなかの出力レジスタＳＲ２で
ある。ＳＲ２は演算結果をコプロセッサ出力バス２４に
出力する。ここでは出力レジスタが１個のものとして描
いているが、これは複数でもよく、その場合は出力レジ
スタデコーダ２１４が、データをバスに出力すべきレジ
スタを選択する。

【００４２】本実施形態では、入力レジスタＳＲ０、１
の前段に、それぞれＦＩＦＯａ２０２、ＦＩＦＯｂ２０
３が設けられている。これらは、直接コプロセッサ入力
バス２０に接続されており、プロセッサ４０から与えら
れたデータを格納することができる。プロセッサ４０が
コプロセッサに演算の実行を指示したとき、入力レジス
タデコーダ２１０によって、ＳＲ０、１のいずれの入力
レジスタに対するデータ入力を行うべきであるかが判定
される。この判定は、入力レジスタデコーダ２１０がコ
プロセッサ入力制御バス２１に乗せられたコプロセッサ
レジスタ番号を見て行う。データを入力すべきＦＩＦＯ
に対しては、入力レジスタデコーダ２１０から書込指示
信号ＷａまたはＷｂが出力され、そのときコプロセッサ
入力バス２０に乗せられていたデータが、ＦＩＦＯａ２
０２またはＦＩＦＯｂ２０３に書き込まれる。固有演算
部２１３は、実行中の演算が終了するたびに、ＦＩＦＯ
ａ２０２、ｂ２０３からデータを取り出し、新たな２項
演算を開始する。

【００４３】本実施形態では、演算起動命令が、単にコ
プロセッサ５０に対するデータ転送命令であるとする。
すなわち、明示的に演算を起動するための命令は不要で
あり、ＳＲ０、１に対する以下のデータ転送命令によっ
て演算が起動される。これはプロセッサ４０のＷステー
ジ（レジスタへの書込）で行われる。

【００４４】 ＬＤ ＳＲ０，（Ｒ０） ：メモリのＲ０番地のデータ
をＳＲ０にロード ＬＤ ＳＲ１，（Ｒ１） ：メモリのＲ１番地のデータ
をＳＲ１にロード 固有演算部２１３は、ＳＲ０と１にデータが揃いしだい
演算を開始する。一方、本実施形態では、演算結果取出
命令がコプロセッサ５０からの読出命令であるとする。
すなわち、 ＳＴ ＳＲ２，（Ｒ２） ：メモリのＲ２番地にＳＲ２
のデータをストア という命令により、演算結果の取出が行われる。これは
プロセッサ４０のＡステージで行われる。

【００４５】コプロセッサ５０内において、ＦＩＦＯ、
入力レジスタＳＲ０、１、固有演算部、出力レジスタＳ
Ｒ２の経路は全体としてＦＩＦＯ構造となり、パイプラ
インを構成する。このパイプラインにおける処理は、プ
ロセッサ４０側のパイプラインの各ステージと一定の同
期関係を持つ。すなわち、プロセッサ４０のＷステージ
でコプロセッサ５０のＳＲ０、１にデータが書き込まれ
ると、これが演算を起動する。演算結果は、Ａステージ
でＳＲ２から読み出される。

【００４６】演算結果取出命令は、後述のようにＲステ
ージでコプロセッサ５０の演算完了を待つ。Ｒステージ
は、まだハードウエア資源の状態を変化させないため、
破棄が容認されることになる。この結果、Ｒステージで
割込要求等を即座に受け付けることが可能となる。本実
施形態では、ハードウエア資源の状態が変化しうるＡス
テージ以降では命令を破棄しないものとする。

【００４７】図３において、計数回路ａ２０４、ｂ２０
５は、それぞれ前記書込指示信号Ｗａ、Ｗｂが出力され
たとき計数値をインクリメントするカウンタである。こ
れらの計数回路は、出力レジスタデコーダ２１４がＳＲ
２に対してデータの出力を指示したとき、演算制御部２
０９を介してこの通知を受け、計数値をデクリメントす
る。従って、これらの計数回路はそれぞれ、ＦＩＦＯａ
２０２、ｂ２０３に格納されているデータの個数を示す
ことになり、図示しない任意の回路から任意の目的で参
照される。

【００４８】一方、計数回路ｒａ２０６、ｒｂ２０７
は、それぞれ予約レジスタデコーダ２１１からの書込指
示信号Ｗｒａ、Ｗｒｂに従って計数値をインクリメント
し、前記計数回路ａ２０４、ｂ２０５と同様の条件で計
数値をデクリメントするカウンタである。書込指示信号
Ｗｒａ、Ｗｒｂは、プロセッサ４０の命令デコード部５
で解読された命令が、それぞれＳＲ０、１に対する書込
を予告する場合、予約レジスタデコーダ２１１から出力
される。従って、計数回路ｒａ２０６、ｒｂ２０７にお
けるインクリメントの回数は、結果的に計数回路ａ２０
４、ｂ２０５のそれらと同じになるが、インクリメント
のタイミングが早い。計数回路ｒａ２０６、ｒｂ２０７
の計数値は、実際にＦＩＦＯａ２０２、ｂ２０３に格納
されているデータの個数と、近い将来格納されるデータ
の個数の和を示す。なお、固有演算部２１３が必ず２項
演算を行う場合、計数回路ａ２０４、ｂ２０５はいずれ
か一方で足りるが、演算結果に対してＳＲ０の値を繰り
返し足していくような演算を実現する場合、両計数回路
を別々に持つ必要がある。

【００４９】コプロセッサ出力制御部３２はさらに、パ
イプライン処理情報生成部２１２を持つ。図４はその内
部構成図である。同図のごとく、この構成は、演算完了
判定部２３０と起動命令実行停止部２３１を含み、これ
らからコプロセッサレディ信号（以下単に「レディ信
号」）２２０が出力される。演算完了判定部２３０は、
演算の完了をソフトウエアのポーリングによってではな
く、演算回路内部のシーケンサの状態をハードウエア的
に監視することで検出する。ポーリングには一定のオー
バヘッドが発生するためである。

【００５０】演算完了判定部２３０と起動命令実行停止
部２３１の出力は、例えばワイアードオア形式で接続さ
れる。レディ信号２２０は、プロセッサ４０がコプロセ
ッサ５０との間で処理のハンドシェイクを行うための信
号であり、次の条件で出力される。

【００５１】１．ＳＲ０へのデータ転送命令の際 予約も考慮し、計数回路ｒａ２０６の値がＦＩＦＯａ２
０２に格納できるデータの個数よりも小さいとき ２．ＳＲ１へのデータ転送命令の際 同様に、計数回路ｒｂ２０７の値がＦＩＦＯｂ２０３に
格納できるデータの個数よりも小さいとき ３．ＳＲ２からのデータ転送命令の際 出力レジスタに演算結果が存在するとき これらのうち、１と２の場合は前記起動命令実行停止部
２３１によって、３の場合は前記演算完了判定部２３０
によって、それぞれレディ信号２２０が出力される。こ
のレディ信号２２０は、それぞれの命令のＲステージで
コプロセッサ５０から出力され、同じステージにおいて
プロセッサ４０から参照される。レディ信号２２０が出
力されたとき、プロセッサ４０は上記１〜３のうち、現
在発行が待たされている命令を発行する。Ｒステージで
参照することにより、必要に応じて命令の破棄と再実行
が可能となる。

【００５２】一方、図５は、プロセッサ４０のパイプラ
イン制御部９の内部構成の一部を示す図である。パイプ
ライン制御部９はステージ進行制御部９０を含み、ステ
ージ進行制御部９０は、取出命令実行停止部９１と取出
命令再実行部９２を含む。取出命令実行停止部９１はレ
ディ信号２２０を参照し、コプロセッサ５０がレディ状
態になるまでコプロセッサ５０で演算された演算結果を
これより取り出す演算結果取出命令の発行を停止する。
取出命令再実行部９２は、割込の発生によって演算結果
取出命令が破棄された場合、この命令をＩステージから
再実行する。

【００５３】［動作］以上の構成による動作をパイプラ
イン関連動作を中心に説明する。

【００５４】図６は、本実施形態の装置によって演算起
動命令（図中「命令１」と表記）および演算結果取出命
令（同「命令２」）を実行するときのパイプライン処理
を示す図である。実際には、命令１は、 ＬＤ ＳＲ０，（Ｒ０） ＬＤ ＳＲ１，（Ｒ１） の２つの命令によって構成されるが、ここでは説明の便
宜上、１命令として描いている。一方、命令２は、 ＳＴ ＳＲ２，（Ｒ２） である。

【００５５】まず、図６で命令１が実行される。命令１
は演算を起動するだけであるため、Ｉ〜Ｗステージが１
クロックづつで終わる。Ｗステージ（より正確には、そ
のステージの前半）でコプロセッサ５０のレジスタに対
する演算対象データの書込が完了するため、Ｗステージ
（より正確には、その中途）からコプロセッサ５０によ
る演算が開始される。

【００５６】一方、プロセッサ４０自体は命令１のＲス
テージと並行して命令２のＩステージを開始する。命令
２は、命令１の演算結果を必要とするため、演算の完了
まで発行が待たされる。演算実行中は、図４の演算完了
判定部２３０がレディ信号２２０を出力せず、ノット・
レディの状態に維持している。同図では、演算実行中、
命令２がＲステージを繰り返し、演算完了後のクロック
（ｎ＋１）ではじめてＡステージに進行している。

【００５７】図７は命令２がＲステージにあるときにプ
ロセッサ４０に対して割込要求が発生した場合のパイプ
ライン処理を示す図である。同図では、クロック６中の
矢印が割込要求の発生タイミングを示す。プロセッサ４
０はクロック７で命令２を破棄し、命令フェッチ部３に
よる命令フェッチは、割込処理ハンドラの先頭アドレス
に飛ぶ。以降、ハンドラ処理が同様にパイプラインによ
って行われ、これが終了した後、図５の取出命令再実行
部９２により、命令２がＩステージから再実行される。

【００５８】このように本実施形態では、コプロセッサ
５０による演算の実行を演算起動と演算結果取出の２段
階に分けることにより、割込要求に対して即座に対応す
ることができる。仮に命令１が、 ＭＵＬ ＳＲ２，ＳＲ０，ＳＲ１ ：ＳＲ０、１の積を
ＳＲ２に格納のごとく、演算の起動と結果の取出を兼ね
る命令であれば、図７の命令１がＡステージ（演算）で
延々とつづく可能性があり、かつＡステージでは命令の
破棄が許されないため、割込要求が長時間待たされう
る。本実施形態では、仮に命令２を破棄しても、演算の
実行自体はコプロセッサ５０によって続行されていた
め、処理性能上ほとんど問題がない。

【００５９】本実施形態では、予約という概念を導入し
た。すなわち、図３の予約レジスタデコーダ２１１と計
数回路ｒａ２０６、ｒｂ２０７により、コプロセッサ５
０内のＦＩＦＯａ２０２、ｂ２０３の予約が行われる。
予約でフルの状態になれば、図４の起動命令実行停止部
２３１がつぎの演算起動命令の発行を待たせるため、コ
プロセッサ５０に対するデータ入力の過多状態が回避さ
れる。このことから逆に、いったんコプロセッサ５０に
入力することが許可されたデータについては、必ず円滑
に演算が行われることが保証される。本実施形態では、
コプロセッサ５０に対するデータの書込が命令の最後ス
テージＷで行われる。従って、後続の命令のＡステージ
で、まだＦＩＦＯａ２０２、ｂ２０３に空きがあって
も、これが前の命令のＷステージで埋まる可能性があ
る。そのために、Ａステージで正しく空きを把握できる
よう、予約動作が必要かつ有用となる。

【００６０】以上が実施形態の概要である。なお、本実
施形態については、以下の改良または変形が可能であ
る。

【００６１】（１）本実施形態では、データ転送命令で
直接コプロセッサ５０の演算を起動したが、この必要は
ない。例えばＡＤＤなど、明示的な演算開始命令を演算
起動命令としても同様の効果が得られる。

【００６２】（２）コプロセッサ５０による演算は、単
項演算、積和演算など一般的な演算に限られない。例え
ばコプロセッサ５０に、周辺機器との通信の制御、マル
チプロセッサ装置におけるプロセッサ間通信制御など、
数値演算以外の演算を担当させてもよい。

【００６３】（３）ここでは５段のパイプライン構成を
説明したが、これは任意の段数、任意の処理ステージか
らなるパイプラインでよい。

【００６４】（４）本実施形態では、演算完了の判定を
コプロセッサ５０側で行ったが、これはプロセッサ４０
側で行ってもよい。実際の設計では、プロセッサ４０と
コプロセッサ５０の間に明確な境界線を引くことができ
ないか、または引く必要がない。特に図４と図５の構成
については、現実の設計方針に即して同様の効果を得る
構成が多数存在すること注意すべきである。

【００６５】（５）本実施形態では、ＲＩＣＳプロセッ
サを例に挙げたが、これは当然、ＣＩＳＣまたはそれ以
外のアーキテクチャであってもよい。

【００６６】（６）本実施形態では、命令破棄の要因と
して割込要求の発生を挙げたが、これは例外処理などい
かなる要因であってもよい。

【００６７】（７）本実施形態では、Ｒステージで命令
の実行を停止したが、異なるパイプライン構成をとる場
合、異なるステージで停止することができる。設計の観
点からすれば、ハードウエア資源の状態を変更する以前
のステージで停止することが望ましいが、必ずしもそれ
に限るものではない。

【００６８】

【発明の効果】本発明の演算実行方法によれば、演算起
動命令と演算結果取出命令を別々に設け、演算完了まで
後者の実行を破棄可能な状態で停止するため、例外処理
等が不当に待たされることはない。仮に例外処理が発生
しても、演算自体を再実行する必要はなく、処理性能が
落ちない。このためのハードウエアも複雑化、長大化し
ない。

【００６９】命令をパイプライン処理によって実行する
場合、演算完了の判定をパイプライン処理動作の一環と
して行うことができるため、好都合である。

【００７０】一方、本発明の演算実行装置によれば、演
算実行方法の効果を実際の装置として実現することがで
きる。演算完了もハードウエア的に判定されるため、オ
ーバヘッドによる性能低下もない。

【００７１】この装置がパイプライン制御手段を含むと
き、演算結果取出命令の実行停止をパイプライン処理中
の関連するステージで行うことができるため、回路構成
上自然であり、設計上も好都合である。

【００７２】演算結果取出命令が解読されるステージ以
前のステージでその命令の実行が停止されるときは、仮
に例外処理が発生しても、ハードウエア資源の状態を変
えることなく、例外処理を行うことができる。

【００７３】演算手段に対する予約の効果を考慮して演
算起動命令の実行を停止する場合は、演算手段に対する
データ入力がパイプラインの後半のステージにある場合
でも、そのデータ入力が予約されるため、演算手段に対
してデータの入力が過多になることがない。演算手段が
ＦＩＦＯ構造を持つ場合、いったん発行された命令は必
ず最後まで実行されることを保証するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｖ８５１によるパイプライン処理の様子を示
す図である。

【図２】 実施形態に係る演算実行装置の全体構成図で
ある。

【図３】 コプロセッサの内部構成を示す図である。

【図４】 パイプライン処理情報生成部の内部構成図で
ある。

【図５】 プロセッサのパイプライン制御部の内部構成
の一部を示す図である。

【図６】 実施形態の装置によって演算起動命令および
演算結果取出命令を実行するときのパイプライン処理を
示す図である。

【図７】 命令２がＲステージにあるときに割込要求が
発生した場合のパイプライン処理を示す図である。

【符号の説明】

１ 命令メモリ、２ 命令メモリバス、３ 命令フェッ
チ部、５ 命令デコード部、７ レジスタ群、９ パイ
プライン制御部、１１ 演算部、１３ 演算結果保持無
部、１４ データメモリアクセス制御部、１５ 汎用レ
ジスタ書込制御部、１８ データメモリバス、１９ デ
ータメモリ、２０ コプロセッサ入力バス、２１ コプ
ロセッサ入力制御バス、２３ コプロセッサ出力制御バ
ス、２４コプロセッサ出力バス、２７ 割込信号入力
部、３０ コプロセッサ入力制御部、３１ コプロセッ
サ演算部、３２ コプロセッサ出力制御部、４０ プロ
セッサ、５０ コプロセッサ、９０ ステージ進行制御
部、９１ 取出命令実行停止部、９２ 取出命令再実行
部、２０２ ＦＩＦＯａ、２０３ ＦＩＦＯｂ、２０４
計数回路ａ、２０５ 計数回路ｂ、２０６ 計数回路
ｒａ、２０７ 計数回路ｒｂ、２０９ 演算制御部、２
１０ 入力レジスタデコーダ、２１１ 予約レジスタデ
コーダ、２１２ パイプライン処理情報生成部、２１３
固有演算部、２１４ 出力レジスタデコーダ、２２０
レディ信号、２３０ 演算完了判定部、２３１ 起動
命令実行停止部。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 命令の形で与えられる演算を実行する方
   法であって、 演算の起動を指示する演算起動命令と、その演算の結果
   を取り出す演算結果取出命令を別々に設け、 演算起動命令によって起動された演算の実行完了をハー
   ドウエアによって判定し、 その演算の実行が完了するまで、後続の演算結果取出命
   令の実行を、その演算結果取出命令自体を破棄すること
   が可能な状態で停止することを特徴とする演算実行方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の演算実行方法におい
   て、この方法は、 前記演算起動命令によって起動された演算の実行が完了
   する前であっても例外処理の要求を受け付け、 この要求が実際に発生したとき、実行中の前記演算結果
   取出命令を破棄し、 例外処理を行った後、前記演算結果取出命令を再実行す
   ることを特徴とする演算実行方法。
3. 【請求項３】 請求項１、２のいずれかに記載の演算実
   行方法において、 この方法は、命令をパイプライン処理によって実行する
   ものであり、 前記演算起動命令によって起動された演算の実行完了の
   判定は、命令の実行状況を見てパイプラインのステージ
   進行を制御するときに、パイプライン処理動作の一環と
   して行われることを特徴とする演算実行方法。
4. 【請求項４】 演算起動命令によって演算が起動され、
   演算結果取出命令によって演算結果が取り出されるよう
   構成された演算手段と、 演算起動命令によって起動された演算の実行完了をハー
   ドウエア的に判定する演算完了判定手段と、 演算の実行が完了するまで、後続の演算結果取出命令の
   実行を、その演算結果取出命令自体を破棄することが可
   能な状態で停止する取出命令実行停止手段と、 を含むことを特徴とする演算実行装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の演算実行装置におい
   て、 この装置は、命令をパイプライン処理によって実行する
   パイプライン制御手段を含み、 このパイプライン制御手段は、前記取出命令実行停止手
   段を含み、 この取出命令停止手段は、前記演算の実行完了の判定結
   果に従い、演算結果取出命令の実行停止をパイプライン
   処理中の関連するステージにて行うことを特徴とする演
   算実行装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の演算実行装置におい
   て、 前記取出命令実行停止手段は、演算結果取出命令が解読
   されるステージまたはそれよりも前のステージでその命
   令の実行を停止し、 前記パイプライン制御手段は、演算結果取出命令の実行
   が停止されている間に例外処理の要求が発生したとき、
   その例外処理の実行後に演算結果取出命令の実行を再開
   する取出命令再実行手段を含むことを特徴とする演算実
   行装置。
7. 【請求項７】 請求項４〜６のいずれかに記載の演算実
   行装置において、この装置はさらに、 演算起動命令が解読されたとき前記演算手段を利用する
   旨の予約を行う予約手段と、 この予約の状況に応じて演算起動命令の実行を停止する
   起動命令停止手段と、 を含むことを特徴とする演算実行装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の演算実行装置におい
   て、 前記演算手段は、演算起動命令の実行の際に演算対象デ
   ータが送り込まれ、演算結果取出命令の実行の際に演算
   結果データが取り出されるＦＩＦＯ構造を有し、 前記起動命令停止手段は、このＦＩＦＯ構造の段数と前
   記予約の回数との比較結果から演算起動命令の実行を停
   止することを特徴とする演算実行装置。