JP2900581B2 - 命令制御パイプライン構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は命令制御装置における命令制御パイプライン
構造に関する。

〔従来の技術〕

従来より、命令制御装置内に命令制御パイプラインを
設け、演算実行ユニット，メモリ制御ユニット等の命令
の実行を行う各種実行ユニットに対して、命令を解読し
実行指示を送出する単位時間当たりの回数を増大させ、
それによって性能の向上を図ることが行われている。こ
こで、本発明が対象とする命令制御パイプラインは、命
令のフェッチ段階の次の段階から演算部へ動作指示を行
う段階までの処理をパイプライン化したものである。こ
のような命令制御パイプラインでは、例えば、命令の解
読ステージ、オペランドアドレスの計算ステージ、オペ
ランドの取り出しステージ、演算部への動作指示ステー
ジの４つのステージからなるパイプラインや、オペラン
ドの取り出しステージを更にアドレス変換ステージとバ
ッファアクセスステージとに細分化した５つのステージ
からなるパイプラインが使用される。各ステージには、
そのステージの処理結果を保持する命令レジスタが設け
られ、その命令レジスタの出力を次段のステージの入力
とする。各ステージの命令レジスタに保持されている情
報を本明細書では命令制御情報と呼ぶ。命令制御パイプ
ラインでは、各ステージの処理は、ほかからの干渉がな
ければ同時並行的に実行できるため、理想的には１マシ
ンサイクル毎に命令の実行指示が行える。

ところで、命令制御装置内に命令制御パイプラインが
１本しか設けられていないと、間欠障害については余り
問題はないが、固定障害が発生した場合には直ちにシス
テムダウンに結びつく。即ち、間欠障害は偶発的に発生
する再現性のない障害であるので、例えば命令制御パイ
プラインの或るステージでパリティ不正が検出された場
合、その前段のステージから処理をやり直すという命令
リトライを行うことで正常な動作を確保できる。しか
し、固定障害は継続的に続く障害なので、何度命令リト
ライを試みても正常な動作が行えず、システムダウンを
招来することになる。

そこで、命令制御パイプラインに固定障害が発生して
もシステムダウンを招かないように、命令制御装置内に
互いに非同期に動作する同種の命令制御パイプラインを
複数本設けたスーパースカラ（Superscalar）と呼ばれ
る方式が提案されている。このような方式では、何れか
の命令制御パイプラインに固定障害が発生した場合、そ
の障害を起こした命令制御パイプラインを動作対象から
外し残りの命令制御パイプラインで動作を継続するとい
うデグレード方式によって、正常動作を続けることがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような同種の命令制御パイプラインを複数本
非同期に動作させる方式の命令制御装置によれば、何れ
かの命令制御パイプラインに固定障害が発生してもシス
テムダウンを回避できるという優れた利点を有している
が、このような命令制御装置においても改善すべき問題
点が幾つか存在する。

その一つは、固定障害の発生した命令制御パイプライ
ンにおいて実行されていた処理を正常な命令制御パイプ
ラインに速やかに引き継ぐことが困難であるということ
である。

もう一つは、或る命令制御パイプラインの或るステー
ジで或る命令がパイプライン上の停止要因によって処理
が延期されている場合、後続の命令は先行命令が停止し
ているという理由以外に何等停止すべき理由がないのに
もかかわらず、命令パイプライン上に停止していなけれ
ばならないということである。

本発明はこのような問題点を解決しようとするもの
で、その目的は、同種の命令制御パイプラインが複数本
備わっている利点を最大限に活用し、命令制御パイプラ
イン間に連絡機能を持たせることにより、或る命令制御
パイプラインで行われていた処理を別の命令制御パイプ
ラインに速やかに引き継がせることができる命令制御パ
イプライン構造を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するために、命令フェッチ
部でフェッチした命令の解読からスカラ演算部への動作
指示までの処理を複数のステージに分割して並列して実
行する同一構成の命令制御パイプラインを複数本備えた
命令制御装置において、 第１の命令制御パイプラインの第１のステージの命令
レジスタに、前記第１の命令制御パイプラインと異なる
第２の命令制御パイプラインにおける前記第１のステー
ジに対応するステージの前段のステージの命令レジスタ
に保持された命令制御情報を移す信号線 前記第１のステージの命令レジスタに、前記第２の命
令制御パイプラインにおける前記第１のステージに対応
するステージの命令レジスタに保持された命令制御情報
を移す信号線の２種の信号線のうち少なくとも１種の信
号線を有する命令制御パイプライン構造を採用してい
る。

〔作用〕

本発明においては、の信号線によって、第１の命令
制御パイプラインの第１のステージの命令レジスタに、
それとは異なる第２の命令制御パイプラインにおける前
記第１のステージに対応するステージの前段のステージ
の命令レジスタに保持された命令制御情報を移すことが
でき、また、の信号線によって、第１の命令制御パイ
プラインの第１のステージの命令レジスタに、それとは
異なる第２の命令制御パイプラインにおける前記第１の
ステージに対応するステージの命令レジスタに保持され
た命令制御情報を移すことができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成図であり、Ａ〜Ｅの
５つのステージから構成される同種の２本の命令制御パ
イプラインを備えた命令制御装置に本発明を適用したも
のである。例えば、〔従来の技術〕の項で述べたよう
に、命令のフェッチ段階の次の段階から演算部へ動作指
示を行う段階までの処理を、命令の解読ステージ、オペ
ランドアドレスの計算ステージ、オペランドの取り出し
にかかるアドレス変換ステージ、オペランドの取り出し
にかかるバッファアクセスステージ、演算部への動作指
示ステージの５つのステージに分割する場合、Ａステー
ジが命令の解読ステージに、Ｂステージがオペランドア
ドレスの計算ステージに、Ｃステージがオペランドの取
り出しにかかるアドレス変換ステージに、Ｄステージが
オペランドの取り出しにかかるバッファアクセスステー
ジに、Ｅステージが演算部への動作指示ステージに、そ
れぞれ対応する。この命令制御装置は、同図に示すよう
に、命令フェッチ部１と、一方の命令制御パイプライン
を構成する命令レジスタ２〜6,BUSYフラグ12a〜16a,HOL
Dフラグ12b〜16bおよび故障検出回路25〜29と、他方の
命令制御パイプラインを構成する命令レジスタ７〜11,B
USYフラグ17a〜21a,、HOLDフラグ17b〜21bおよび故障検
出回路30〜34と、パイプライン制御部22と、命令発行調
停部23と、スカラ演算部24とを含んでいる。そして、こ
れらの接続関係は以下のようになっている。

命令フェッチ部１は、信号線102,107によってA0ステ
ージ,A1ステージの命令レジスタ2,7と接続される。

A0ステージとB0ステージの命令レジスタ2,3間、B0ス
テージとC0ステージの命令レジスタ3,4間、C0ステージ
とD0ステージの命令レジスタ4,5間、D0ステージとE0ス
テージの命令レジスタ5,6間は、信号線203,304,405,506
によって接続され、A1ステージとB1ステージの命令レジ
スタ7,8間、B1ステージとC1ステージの命令レジスタ8,9
間、C1ステージとD1ステージの命令レジスタ9,10間、D1
ステージとE1ステージの命令レジスタ10,11間は、信号
線708,809,910,1011によって接続される。

A0ステージとA1ステージの命令レジスタ2,7間、B0ス
テージとB1ステージの命令レジスタ3,8間、C0ステージ
とC1ステージの命令レジスタ4,9間、D0ステージとD1ス
テージの命令レジスタ5,10間、E0ステージとE1ステージ
の命令レジスタ6,11間は、信号線207と702,308と803,40
9と904,510と105,611と116によって接続される。

A0ステージとB1ステージの命令レジスタ2,8間、B0ス
テージとC1ステージの命令レジスタ3,9間、C0ステージ
とD1ステージの命令レジスタ4,10間、D0ステージとE1ス
テージの命令レジスタ5,11間、A1ステージとB0ステージ
の命令レジスタ7,3間、B1ステージとC0ステージの命令
レジスタ8,4間、C1ステージとD0ステージの命令レジス
タ9,5間、D1ステージとE0ステージの命令レジスタ10,6
間は、信号線208,309,410,511.703,804,905,106によっ
て接続される。

A0ステージ,B0ステージ、C0ステージ,D0ステージ,E0
ステージの故障検出回路25,26,27,28,29は信号線2522に
よって、また、A1ステージ,B1ステージ,C1ステージ,D1
ステージ,E1ステージの故障検出回路30,31,32,33,34は
信号線3022によって、それぞれパイプライン制御部22に
接続される。

A0ステージ,B0ステージ,C0ステージ,D0ステージ,E0ス
テージに有効な命令が存在することを示すBUSYフラグ12
a,13a,14a,15a,16aと、次マシンサイクルでもそのステ
ージに命令がとどまることを示すHOLDフラグ12b,13b,14
b,15b,16bとは、信号線1222によって、A1ステージ,B1ス
テージ,C1ステージ,D1ステージ,E1ステージに有効な命
令が存在することを示すBUSYフラグ17a,18a,19a,20a,21
aと、次マシンサイクルでもそのステージに命令がとど
まることを示すHOLDフラグ17b,18b,19b,20b,21bとは、
信号線722によって、それぞれパイプライン制御部22に
接続される。

A0ステージ,B0ステージ,C0ステージ,D0ステージ,E0ス
テージの命令レジスタ2,3,4,5,6の入口のセレクタ35,3
6,37,38,39は信号線222によって、A1ステージ,B1ステー
ジ,C1ステージ,D1ステージ,E1ステージの命令レジスタ
7,8,9,10,11の入口のセレクタ40,41,42,43,44は信号線2
27によって、それぞれパイプライン制御部22と接続され
る。

そして、命令発行調停部23はパイプライン制御部22と
信号線2322によって接続され、スカラ演算部24は信号線
2324によって命令発行調停部23に接続されている。

本実施例は上述したような構成を有するため、両命令
制御パイプライン間で命令制御情報の移動が可能であ
る。そこで、本実施例では、 （１）２本の命令制御パイプラインを非同期に独立して
別々の命令を処理させる。

という通常の機能に加え、 （２）一方の命令制御パイプラインの処理を他方の命令
制御パイプラインに引き継がせる。

ことを実現している。

上記（１）の動作は以下のように行われる。先ず、命
令は図示しないメモリから命令フェッチ部１によって読
み出され、そこから信号線102または信号線107を通じて
一方の命令制御パイプラインのA0ステージの命令レジス
タ２または他方の命令制御パイプラインのA1ステージの
命令レジスタ７に転送される。そして、当該命令につい
て、A,B,C,D,Eの順に各ステージにおいて各ステージ毎
の処理が行われ、各ステージにおける処理が完了し次の
ステージに移れるようになるまで、そのステージにとど
まるようにパイプライン制御部22によって制御される。
そして、最終ステージのE0ステージ,E1ステージから命
令発行すなわちスカラ演算部24への動作指示が行われ
る。このとき、若しE0ステージ,E1ステージの双方から
同時にスカラ演算部24に対して命令発行が行われようと
した場合、命令発行調停部23は信号線2322を介してパイ
プライン制御部22と信号のやりとりを行い、また信号線
2324を介してスカラ演算部24に与える動作指示を制御す
ることにより、同タイミングで双方から命令の発行が行
われないように調停する。

第２図および第３図は最終ステージE0,E1においてス
カラ演算部24に対して同タイミングで命令が発行される
のを回避する調停動作のタイムチャートである。

第２図は、最終ステージE0,E1で命令１と命令２が同
時にスカラ演算部24に対して命令発行を行おうとしたと
き、予め命令制御パイプライン間で定められた優先度順
位に従って一方の命令発行を優先し、他方を遅らせるこ
とで同タイミングの命令発行を回避する例を示す。即
ち、この例では、E0ステージの命令を優先的に先に発行
させ、その後にE1ステージの命令を発行させている。こ
のような場合、命令発行調停部23は、信号線2322を通じ
てパイプライン制御部22から伝達される状況情報によっ
てE0ステージ,E1ステージに発行が衝突する命令どうし
が存在することを確認すると、先ず優先度の高いE0ステ
ージの命令１がタイミングで発行されるように信号線
2324を通じてスカラ演算部24に動作指示を出し、E1ステ
ージの命令２はそのタイミングではE1ステージにとど
まるようにパイプライン制御部22に制御させ、そして次
のタイミングにおいて命令２が発行されるように制御
する。

第３図は、命令１が別の要因、例えばオペランドデー
タ確定待ちでE0ステージで待たされている場合には、優
先度の低いE1ステージの命令発行を先に行うことによ
り、効率良く同一タイミングでの命令発行を回避する例
を示す。即ち、第３図は第２図と同様に命令１と命令２
が同時に最終ステージE0,E1に到着しているが、命令１
はオペランド未確定のためタイミングまで発行が不可
能であるという事情が存在するため、命令２は優先度の
低いE1ステージにもかかわらず先に発行されている。こ
のような制御は、パイプライン制御部22から信号線2322
を通じて送られている情報に基づいて次のマシンサイク
ルで命令の発行ができるか否かを命令発行調停部23が判
定し、それに応じてスカラ演算部24およびパイプライン
制御部22に対し適切な指示を出すことで行われる。

次に、前記（２）の、一方の命令制御パイプラインの
処理を他方の命令制御パイプラインに引き継がせる動作
は以下のように行われる。

先ず、一方の命令制御パイプラインの或る命令レジス
タ周辺の制御ブロック（図示せず）で固定障害が発生し
たことにより、他の正常な命令制御パイプラインに処理
を引き継がせる動作を、C0ステージで固定障害が発生し
た場合を例にして以下説明する。

第４図に示すように、命令１がA0ステージ,B0ステー
ジで正常に処理され、C0ステージに移った時点でC0ステ
ージに固定障害が発生すると、そのことが故障検出回路
27で検出されて信号線2522を通じてパイプライン制御部
22に報告される。パイプライン制御部22は、この報告を
受けると、信号線1722を通じて他方の命令制御パイプラ
インの該当するBUSYフラグおよびHOLDフラグを見て、C1
ステージが空で且つ１ステージから別の命令が流れてこ
ないという条件が成立するか否かを調べ、成立していれ
ば信号線227によりC1ステージの命令レジスタ９の入口
のセレクタ42を信号線409側に切り替える。これによ
り、第５図（ａ）に示すようにC0ステージの命令レジス
タ４の命令制御情報が信号線409を介してC1ステージの
命令レジスタ９に移動（退避）される。タイミング的に
は第４図に示すようにタイミングでC1ステージに移さ
れる。そして、以後、命令１は第４図に示すようにC1ス
テージ,D1ステージ,E1ステージと流れていく。なお、パ
イプライン制御部22は固定障害を発生したC0ステージを
使用不可にするため、信号線304,804,904を論理的に閉
鎖する。第５図（ｂ）はそのような状態を示している。

第４図の例は他の命令制御パイプラインに命令が全く
流れていない場合を想定したが、命令が流れている場合
には次のような制御が行われる。即ち、第６図に示すよ
うにC0ステージの命令１をC1ステージに移すタイミング
においてB1ステージからC1ステージに別の命令２が流
れてくる場合、パイプライン制御部22はC1ステージでの
衝突を回避するため、命令１を１マシンサイクル長くC0
ステージに止めておき、移動可能となったタイミング
でC1ステージに移動させる。

以上のような動作が行われることにより、固定障害の
発生した命令制御パイプラインにおいて実行されていた
処理を正常な命令制御パイプラインに速やかに引き継ぐ
ことが可能となる。なお、以上の説明はC0ステージに固
定障害が発生した場合のものであるが、第１図の実施例
では、信号線207,308,510,611によってA0ステージ,B0ス
テージ,D0ステージ,E0ステージの命令制御情報をA1ステ
ージ,B1ステージ,D1ステージ,E1ステージに移すことが
でき、信号線702,803,904,105,116によってA1ステージ,
B1ステージ,C1ステージ,D1ステージ,E1ステージの命令
制御情報をA0ステージ,B0ステージ,C0ステージ,D0ステ
ージ,E0ステージに移すことができるので、C0ステージ
以外の他のステージに固定障害が発生した場合も上述と
同様に処理できる。

次に、一方の命令制御パイプラインで或る命令の処理
が停滞した場合に後続の命令の処理を他の命令制御パイ
プラインに引き継がせる動作を、C0ステージに命令が停
滞している場合を例にして以下説明する。

第７図に示すように、命令1,命令２がその順に命令制
御パイプラインで処理されている状況において、C0ステ
ージで命令１が停滞した場合、パイプライン制御部22は
次のような制御を行う。先ず、後続の命令２が先行する
命令１が停止しているという理由以外に何の停止すべき
理由もないか否かを調べ、もしそうなら他方の命令制御
パイプラインへの処理の引き継ぎが可能か否かを調査す
る。この調査は、今の場合、信号線1722を通じて該当す
るBUSYフラグとHOLDフラグを見て、C1ステージに他の命
令が存在せず且つB1ステージの命令がC1ステージへ流れ
てこないという条件が成立しているか否かにより行う。
第７図の例は処理を引き継がせる命令制御パイプライン
に全く命令が流れていない為、引き継ぎ可能と判断し、
パイプライン制御部22は、信号線227によりC1ステージ
の入口のセレクタ42を信号線309側に切り替え、第８図
に示すようにB0ステージの命令レジスタ３の命令制御情
報を信号線309を通じてC1ステージの命令レジスタ９に
移動させる。タイミング的には第７図に示すようにタイ
ミングでC1ステージに移される。以後、命令２はC1ス
テージ,D1ステージ,E1ステージを流される。

第７図の例は他方の命令制御パイプラインに命令が全
く流れていない場合を想定したが、命令が流れている場
合には次のような制御が行われる。即ち、第９図に示す
ようにB0ステージの命令２をC1ステージに移すタイミン
グにおいてB1ステージからC1ステージに別の命令３が
流れてくる場合、パイプライン制御部22はC1ステージで
の衝突を回避するため、命令２をC1ステージで競合しな
いタイミングまでB0ステージにとどめておき、移動可
能となったタイミングでC1ステージに移動させる。

以上のような動作が行われることにより、処理の停滞
している命令に続く命令の処理を別の命令制御パイプラ
インに速やかに引き継ぐことが可能となる。因に、他の
命令制御パイプラインに命令２を引き継がせる制御を実
施しなければ、即ちステージB0からステージC1への信号
線を持たない従来の命令制御装置によれば、第10図に示
すようなタイムチャートとなり、命令２は命令１がC0ス
テージから消えるまでB0ステージに留まらなければなら
ない。したがって、命令２の発行はタイミングにな
り、タイミングで発行し得た第９図の実施例に比べ、
命令の発行が遅延する。

なお、以上の説明はC0ステージに命令が停滞した場合
のものであるが、第１図の実施例では、信号線208,410,
511によってA0ステージ,C0ステージ,D0ステージの命令
制御情報をB1ステージ,D1ステージ,E1ステージに移すこ
とができ、信号線703,804,905,106によってA1ステージ,
B1ステージ,C1ステージ,D1ステージの命令制御情報をB0
ステージ,C0ステージ,D0ステージ,E0ステージに移すこ
とができるので、C0ステージ以外の他のステージに命令
が停滞した場合も上述と同様に処理できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、或る命令制御
パイプラインの或るステージに別の命令制御パイプライ
ンの同段のステージ或いはその前段のステージに保持さ
れた命令制御情報を速やかに移すことができる効果があ
る。従って、例えば或る命令制御パイプラインに固定障
害が発生した場合や、先行命令によって無意味に待たさ
れている後続命令が存在する場合に、命令制御情報を別
の命令制御パイプラインに速やかに移して処理を引き継
がせることによって固定障害の影響回避や命令発行の遅
滞を防止でき、同種の命令制御パイプラインを複数本備
えている命令制御装置の性能をより一層向上させること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図および第３図は最終ステージE0,E1においてスカ
ラ演算部24に対して同一タイミングで命令が発行される
のを回避する調停動作のタイムチャート、 第４図は固定障害発生時に他の命令制御パイプラインに
処理を引き継がせた際の一タイムチャート、 第５図は固定障害発生時に他の命令制御パイプラインに
処理を引き継がせた際の動作説明図、 第６図は固定障害発生時に他の命令制御パイプラインに
処理を引き継がせた際の別のタイムチャート、 第７図は停滞している先行命令の後続の命令の処理を他
の命令制御パイプラインに引き継がせた際の一タイムチ
ャート、 第８図は停滞している先行命令の後続の命令の処理を他
の命令制御パイプラインに引き継がせた際の動作説明
図、 第９図は停滞している先行命令の後続の命令の処理を他
の命令制御パイプラインに引き継がせた際の別のタイム
チャートおよび、 第10図は停滞している先行命令の後続の命令を待たせ続
けた際のタイムチャートである。 図において、 １…命令フェッチ部 ２〜11…命令レジスタ 12a〜21a…BUSYフラグ 12b〜21b…HOLDフラグ 22…パイプライン制御部 23…命令発行調停部 24…スカラ演算部 25〜34…障害検出回路 207,208,308,309,409,410,510,511,611…異なる命令制
御パイプラインの対応するステージ間で情報を転送する
信号線 702,703,803,804,904,905,105,106…異なる命令制御パ
イプラインのステージにそれに対応するステージの前段
のステージの情報を転送する信号線

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】命令フェッチ部でフェッチした命令の解読
   からスカラ演算部への動作指示までの処理を複数のステ
   ージに分割して並列して実行する同一構成の命令制御パ
   イプラインを複数本備えた命令制御装置において、 第１の命令制御パイプラインの第１のステージの命令レ
   ジスタに、前記第１の命令制御パイプラインと異なる第
   ２の命令制御パイプラインにおける前記第１のステージ
   に対応するステージの前段のステージの命令レジスタに
   保持された命令制御情報を移す信号線を備えたことを特
   徴とする命令制御パイプライン構造。
2. 【請求項２】命令フェッチ部でフェッチした命令の解読
   からスカラ演算部への動作指示までの処理を複数のステ
   ージに分割して並列して実行する同一構成の命令制御パ
   イプラインを複数本備えた命令制御装置において、 第１の命令制御パイプラインの第１のステージの命令レ
   ジスタに、前記第１の命令制御パイプラインと異なる第
   ２の命令制御パイプラインにおける前記第１のステージ
   に対応するステージの命令レジスタに保持された命令制
   御情報を移す信号線を備えたことを特徴とする命令制御
   パイプライン構造。
3. 【請求項３】命令フェッチ部でフェッチした命令の解読
   からスカラ演算部への動作指示までの処理を複数のステ
   ージに分割して並列して実行する同一構成の命令制御パ
   イプラインを複数本備えた命令制御装置において、 第１の命令制御パイプラインの第１のステージの命令レ
   ジスタに、前記第１の命令制御パイプラインと異なる第
   ２の命令制御パイプラインにおける前記第１のステージ
   に対応するステージの前段のステージの命令レジスタに
   保持された命令制御情報を移す信号線と、 前記第１のステージの命令レジスタに、前記第２の命令
   制御パイプラインにおける前記第１のステージに対応す
   るステージの命令レジスタに保持された命令制御情報を
   移す信号線とを備えたことを特徴とする命令制御パイプ
   ライン構造。