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JP2933848B2 - データ処理装置 - Google Patents
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JP2933848B2 - データ処理装置 - Google Patents

データ処理装置

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JP2933848B2
JP2933848B2 JP7136309A JP13630995A JP2933848B2 JP 2933848 B2 JP2933848 B2 JP 2933848B2 JP 7136309 A JP7136309 A JP 7136309A JP 13630995 A JP13630995 A JP 13630995A JP 2933848 B2 JP2933848 B2 JP 2933848B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロプロセッサ等
に用いられるデータ処理装置に係り、特にデータ処理速
度の高速化に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、マイクロプロセッサなどデータ処
理装置の高性能化の要求に対応して、複数命令を同時に
実行する構成(スーパースカラ)を有するマイクロプロ
セッサが提案されている。このスーパースカラ構成を有
するマイクロプロセッサにおいては、毎サイクルの命令
キャッシュアクセスで複数の命令がフェッチされ、複数
本の命令バスに供給される。これらの命令は、複数の命
令実行部に対して選択発行され、実行される。各命令実
行部は特定の種類の命令のみを処理できることが多く、
したがって、命令の選択発行においては、フェッチした
命令の種類を判別し、その種類に応じてそれを処理する
ことが可能な命令実行部に対して発行する必要がある。
【0003】このような従来のデータ処理装置の各部の
構成について、以下説明する。
【0004】図は、従来のデータ処理装置の構成を示
し、特に命令フェッチ部の詳細な構成を示す。同図に示
すように、データ処理装置には、命令キャッシュ230
と、命令フェッチ部200と、命令実行部250,26
0とが配置されている。この例では、上記命令実行部に
は、整数演算命令を実行するように整数ユニット252
で構成された第1実行部250と、浮動小数点命令を実
行するように浮動小数点ユニット262で構成された第
2実行部260とが配置されている。また、各実行部2
50,260への命令信号をデコードするための2つの
命令デコーダ251,261が設けられている。そし
て、上記命令フェッチ部200には、命令の種類を判別
するためのプリデコーダ221,222と、命令の種類
からその命令を実行可能な命令実行部を判断して命令を
選択供給する2つの命令選択回路241,242とが配
置されている。この各命令選択回路241,242は、
上述の各命令実行部250,260に対応して配置され
ている。上記命令キャッシュ230からは、この各命令
選択回路241,242に命令IR1,IR2を供給す
るための2本の命令バスBin1 ,Bin2 が導出されてお
り、この各命令バスBin1 ,Bin2 は、各々上記各命令
選択回路241,242に接続されている。さらに、上
記各命令バスBin1 ,Bin2 はそれぞれ各プリデコーダ
221,222の入力側に接続されている。そして、各
プリデコーダ221,222の出力信号PD1,PD2
は、いずれも上記各命令選択回路241,242の制御
信号として用いられている。
【0005】図は、上記図の構成を有するデータ処
理装置における各信号の状態を示すタイミングチャート
である。すなわち、上記命令キャッシュ230から複数
の命令IR1,IR2が供給された場合(同図のタイミ
ングta参照)、プリデコーダ221,222におい
て、これらの命令の種類が判別され、その種類に応じて
各命令選択回路241,242に制御信号PD1,PD
2が送られる(同図のタイミングtb参照)。各命令選
択回路241,242は、これらの命令の種類からそれ
を実行することが可能な各命令実行部250,260に
対応する命令I1,I2を選択して、各命令実行部25
0,260の入力側に配置された各命令デコーダ25
1,261に実行命令I1,12をそれぞれ出力する
(同図のタイミングtc参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4
示す命令フェッチ部の構成では、命令キャッシュから供
給される命令信号をプリデコードして直ちに命令の選択
/発行制御に使用し、命令選択を行う構成となっている
ので、命令キャッシュから命令が供給されてからそれが
命令実行部に発行されるまでに命令のプリデコードと命
令の選択とを制御しなければならず、このためフェッチ
動作を完了するまでに相当の時間T(図を参照)を要
し、それがデータ処理装置の高速動作を阻害する一つの
要因となっていた。
【0007】本発明の目的は、スーパースカラ構成のデ
ータ処理装置において、命令の選択/発行制御を命令キ
ューに記憶した命令を用いて行うようにし、もって、デ
ータ処理装置の高速動作を実現することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のデータ処理装置は、命令キャッシュから供
給された命令とそのプリデコードにより判別された命令
の種類を表す情報とを一旦記憶する命令待機部を設け、
ここに記憶された情報を用いて命令発行を制御するとい
う構成を備えたものである。
【0009】具体的に本発明の講じた手段は、複数の種
類の命令を発生する命令発生部と、各々異なる種類の命
令を実行するように構成された複数の命令実行部と、上
記命令発生部から入力される命令を選択して取り出して
上記各命令実行部に付与する命令フェッチ部とを備えた
データ処理装置を前提とする。そして、上記命令フェッ
チ部に、上記各命令実行部に対応して配置され、制御信
号に応じ複数の入力部から入力される命令のうちのいず
れか一つを選択して上記各命令実行部に送る複数の命令
選択回路と、入力側が上記命令発生部に命令バスを介し
て接続され、出力側が待機命令バスを介して上記命令選
択回路の入力部に接続され命令待機部と、上記各命令
選択回路から各命令実行部に入力された命令を検出し
て、命令発生部から入力された命令のうちいずれの命令
実行部でも実行されなかった命令を上記命令待機部に記
憶させた後、上記命令選択回路から命令実行部に送るよ
う制御する制御手段とを設ける構成としたものである。
しかも、上記命令待機部は、上記未実行の命令とそのプ
リデコードにより判別された命令の種類を表す待機命令
デコード信号とを一時的に記憶した後に、未実行の待機
命令を上記待機命令バスへ出力し、かつその待機命令デ
コード信号を上記各命令選択回路へ上記制御信号として
出力する機能を有することとした。
【0010】
【作用】本発明によれば、命令選択回路で命令の選択/
発行制御を行う際に、命令待機部から出力される待機命
令デコード信号を使用する構成となっているため、命令
待機部から出力される命令を改めてデコードするまでも
なく、この命令をいずれの命令実行部へ発行すべきかを
直ちに知ることができる。したがって、命令の発行に要
する時間が短縮され、データ処理装置の動作が高速化さ
れる。
【0011】
【実施例】以下、本発明のデータ処理装置の実施例につ
いて、図面を参照しながら説明する。
【0012】図1に示すように、本発明のデータ処理装
置には、命令キャッシュ動作クロック生成部10と、命
令アドレス生成部20と、命令キャッシュ30と、該命
令キャッシュ30に命令バスBin1 ,Bin2 を介して接
続される命令フェッチ部100と、該命令フェッチ部1
00に各々命令発行バスBout1,Bout2を介して接続さ
れる第1,第2命令実行部50,60とが配置されてい
る。上記命令キャッシュは不図示の命令バスに、上記第
1,第2命令実行部50,60は不図示のレジスタファ
イルにそれぞれ接続されている。さらに、該レジスタフ
ァイルには、不図示のデータキャッシュと、データアド
レス生成部と、データキャッシュ動作クロック生成部と
が接続されている。
【0013】上記命令キャッシュ動作クロック生成部1
0、命令アドレス生成部20、命令フェッチ部100、
第1,第2命令実行部50,60は、いずれも外部クロ
ック信号CLKに応じて作動するように構成されている
が、命令キャッシュ30は命令キャッシュ動作クロック
生成部10で生成されたアドレス同期クロック信号S10
に応じて作動するように構成されている。そして、上記
第1,第2命令実行部50,60は異なる種類の命令を
実行するように構成されている。すなわち、命令アドレ
ス生成部20からアドレス信号S22が命令キャッシュ3
0に入力されると、命令キャッシュ30で1サイクルに
2命令の読み出しが行われ、当該アドレスの命令IR
1,IR2が命令バスBin1 ,Bin2 に出力される。そ
して、命令バスBin1 ,Bin2 を介して命令IR1,I
R2が命令フェッチ部100に入力されると、命令フェ
ッチ部100では、この命令IR1,IR2を各命令実
行部50,60に適合する種類に選別して、命令発行バ
スBout1,Bout2を介して各命令実行部50,60に送
るようになされている。
【0014】図2に示すように、上記命令フェッチ部1
00は、各命令バスBin1 ,Bin2から入力される命令
IR1,IR2をデコードするプリデコーダ121,1
22と、上記各プリデコーダ121,122からの出力
及びプリデコーダ121,122を通過する前の各命令
バスBin1 ,Bin2 の信号を一時的に保持して、先に入
力された信号から優先的に出力する機能を有する命令キ
ュー123と、上記プリデコーダ121,122の入口
側の各命令バスBin1 ,Bin2 に介設されるスリーステ
ートバッファ141,142と、どの命令が各命令実行
部50,60に入力されたかを検出して後の命令の発行
を制御する命令フェッチ制御回路143と、3つの入力
端子と2つの制御端子と1つの出力端子とを有し、入力
される命令のうちのいずれかを選択して上記各命令実行
部50,60に出力する命令選択回路151,152と
を備えている。上記命令キュー123の出力端子には、
第1,第2待機命令バスBwt1 ,Bwt2 が接続されてお
り、この各待機命令バスBwt1 ,Bwt2 はいずれも各命
令選択回路151,152の入力端子に接続されてい
る。また、待機命令デコード信号を出力する待機命令デ
コード信号線Bdc1 ,Bdc2 が、プリデコーダ121,
122の出力側から命令キュー123を介して設けられ
ており、この待機命令デコード信号線Bdc1 ,Bdc2
は、各命令選択回路151,152の制御端子に接続さ
れている。つまり、待機命令デコード信号は、いったん
命令キュー123に保持された後、次のタイミングで各
命令選択回路151,152に出力するように構成され
ている。上記命令フェッチ部100の構成において、各
プリデコーダ121,122及び命令キュー123によ
り命令待機部120が構成され、各命令選択回路15
1,152により命令選択部150が構成され、各スリ
ーステートバッファ141,142及び命令フェッチ制
御回路143により制御手段140が構成されている。
【0015】また、上記第1命令実行部50には、第1
命令デコーダ51と、ラッチ53と、浮動小数点命令を
処理することができる浮動小数点ユニット52とが配置
されている。また、上記第2命令実行部60には、第2
命令デコーダ61と、ラッチ63と、整数演算命令を処
理することができる整数ユニット62とが配置されてい
る。そして、上記第1,第2命令選択回路151,15
2の出力端子と上記第1,第2命令デコーダ51,61
の入力端子とは、それぞれ第1,第2命令発行バスBou
t1,Bout2を介して接続されている。ラッチ53,63
は、パイプラインのL(ロード)ステージとE(実行)
ステージとを切り分けるものである。
【0016】以上のように構成されたデータ処理装置の
各要素の機能を説明する。上記命令キャッシュ30は、
1サイクルに2命令の読み出しを行い各命令バスBin1
,Bin2 に命令IR1,IR2を出力する。そして、
この命令IR1,IR2は各命令バスBin1 ,Bin2 か
らプリデコーダ121,122及び命令キュー123に
入力される。一方の命令IR1は、第1,第2命令選択
回路151,152にも入力される。プリデコーダ12
1,122はそれぞれ命令IR1,IR2を入力し、供
給される命令の種類(整数演算命令/浮動小数点演算命
令)を判別して待機命令デコード信号PD1,PD2を
命令キュー123に出力する。命令キュー123は、複
数のエントリをもつFIFO(先入れ先出し)メモリ回
路を備えており、各エントリには命令と対応する待機命
令デコード信号を記憶することができ、先に書き込んだ
エントリから順次読み出されるように制御される。命令
キュー123は、1サイクルに2つの命令IR1,IR
2及び対応する待機命令デコード信号PD1,PD2を
連続する2つのエントリに書き込むことが可能に構成さ
れており、命令フェッチ制御回路143によって、これ
らのうち未実行の命令及び対応する待機命令デコード信
号のみが書き込まれるように制御される。また、先に書
き込まれた連続する2つのエントリの命令は、それぞれ
第1,第2待機命令バスBwt1 ,Bwt2 を介し待機命令
R1,R2として各命令選択回路151,152の入力
端子に供給され、これに対応する待機命令デコード信号
QD1,QD2は待機命令デコード信号線Bdc1 ,Bdc
2 を介し第1,第2命令選択回路151,152の制御
端子及び命令フェッチ制御回路143に供給される。第
1,第2命令選択回路151,152は、第1命令バス
Bin1 と第1及び第2待機命令バスBwt1 ,Bwt2 とか
ら入力される3つの信号のうちから、制御端子への待機
命令デコード信号QD1,QD2に応じて1つの信号を
選択し、それぞれ第1,第2命令発行バスBout1,Bou
t2に出力する。
【0017】第1命令選択回路151は、待機命令R1
が浮動小数点演算命令であることを待機命令デコード信
号QD1が示している場合には待機命令R1を、待機命
令R1が整数演算命令であることを待機命令デコード信
号QD1が示しかつ待機命令R2が浮動小数点演算命令
であることを待機命令デコード信号QD2が示している
場合には待機命令R2を、その他の場合には第1命令バ
スBin1 から入力された命令IR1をそれぞれ選択す
る。このようにして第1命令選択回路151で選択され
た命令は、発行命令I1として、第1命令発行バスBou
t1を介し第1命令実行部50に入力される。第2命令選
択回路152は、待機命令R1が整数演算命令であるこ
とを待機命令デコード信号QD1が示している場合には
待機命令R1を、待機命令R1が浮動小数点演算命令で
あることを待機命令デコード信号QD1が示しかつ待機
命令R2が整数演算命令であることを待機命令デコード
信号QD2が示している場合には待機命令R2を、その
他の場合には第1命令バスBin1 から入力された命令I
R1をそれぞれ選択する。このようにして第2命令選択
回路152で選択された命令は、発行命令I2として、
第2命令発行バスBout2を介し第2命令実行部60に入
力される。
【0018】次に、上記データ処理装置における具体的
な動作について、図3のタイミングチャートを参照しな
がら説明する。最初に、命令キュー123の全エントリ
が空の状態で第1,第2命令バスBin1 ,Bin2 にそれ
ぞれ命令IR1,IR2が供給される場合(例えば、I
R1が整数演算命令、IR2が浮動小数点演算命令であ
る場合)についてみる。最初のクロックサイクルPe1で
は、タイミングt1 で第1,第2命令バスBin1 ,Bin
2 にそれぞれ命令IR1,IR2が供給されると、第
1,第2待機命令バスBwt1 ,Bwt2 には命令が供給さ
れないことから、第1,第2命令選択回路151,15
2ではともに第1命令バスBin1 の命令IR1(整数演
算命令)が選択され、命令発行バスBout1,Bout2に出
力される。この命令は第2命令実行部60では実行され
るが、第1命令実行部50では適合しないので無視され
ることになる。したがって、このサイクルPe1では、第
2命令選択回路152の発行命令I2すなわち整数演算
命令IR1のみが実行されることになる(同図のタイミ
ングt2 )。命令フェッチ制御回路143は、第1,第
2命令デコーダ51,61のデコード結果に応じて、各
スリーステートバッファ141,142及び命令キュー
123を制御する。この結果、未実行の第2命令バスB
in2 の浮動小数点演算命令IR2は命令キュー123に
書き込まれる。また、プリデコーダ122は該命令IR
2が浮動小数点演算命令であることを示す待機命令デコ
ード信号PD2を生成し、該待機命令デコード信号PD
2もまた命令キュー123に書き込まれる(同図のタイ
ミングt3 )。
【0019】そして、次のクロックサイクルPe2で、命
令キュー123から、待機中の浮動小数点演算命令IR
2が待機命令R1として、またそのデコード信号PD2
が待機命令デコード信号QD1としてそれぞれ出力され
る(タイミングt4 )。続いて、このサイクルで、第
1,第2命令バスBin1 ,Bin2 にそれぞれ新たな命令
IR1,IR2が供給される(例えば、命令IR1及び
IR2がいずれも整数演算命令)(同図のタイミングt
5 )。そして、第1命令選択回路151では第1待機命
令バスBwt1 の浮動小数点演算命令R1が選択されて発
行命令I1として第1命令実行部50に出力される一
方、第2命令選択回路152では第1命令バスBin1 の
整数演算命令IR1が選択されて発行命令I2として第
2命令実行部60に出力される。これらの発行命令I
1,I2はそれぞれ第1,第2実行命令部50,60で
実行される。したがって、このサイクルPe2では2命令
が並列して実行される(タイミングt6 )。この際、タ
イミングt5 とタイミングt6 との間の時間Tのうちに
第1,第2命令バスBin1 ,Bin2 の命令IR1,IR
2をプリデコードするわけではないので、時間Tが従来
より短縮される。一方、命令実行部50,60に入力さ
れなかった整数演算命令IR2は、命令フェッチ制御回
路143の制御により命令キュー123に書き込まれ
る。また、プリデコーダ122は該命令IR2が整数演
算命令であることを示す待機命令デコード信号PD2を
生成し、該待機命令デコード信号PD2もまた命令キュ
ー123に書き込まれる(タイミングt7 )。
【0020】さらに、次のクロックサイクルPe3におい
て、命令キュー123から、待機中の整数演算命令IR
2が待機命令R1として、またそのデコード信号PD2
が待機命令デコード信号QD1としてそれぞれ出力され
る(タイミングt8 )。続いて、このサイクルで、第
1,第2命令バスBin1 ,Bin2 にそれぞれ新たな命令
IR1,IR2が供給される(例えば、命令IR1及び
IR2がいずれも浮動小数点演算命令)(同図のタイミ
ングt9 )。そして、第1命令選択回路151では第1
命令バスBin1 の浮動小数点演算命令IR1が、第2命
令選択回路152では第1待機命令バスBwt1 の整数演
算命令R1がそれぞれ選択される(タイミングt10)。
一方、命令実行部50,60に入力されなかった浮動小
数点演算命令命令IR2とそのデコード信号PD2と
は、命令フェッチ制御回路143の制御により命令キュ
ー123に書き込まれる。
【0021】このように、本実施例のデータ処理装置で
は、命令キュー123に命令があるサイクルにおいて
は、命令の組み合わせに応じて2命令を並列に実行する
ことが可能である。本実施例においては、命令実行数は
最大2であって命令供給数2を上回ることはありえない
ので、命令供給が連続的に行われる限り、常に1命令以
上の命令が命令キュー123に記憶されている。したが
って、命令の組み合わせが許せば、常に2つの命令を並
列に実行することが可能である。その場合、従来の例で
は命令選択回路で命令の選択/発行の制御をするために
命令バスBin1 ,Bin2 の内容をデコードしたものを用
いていたのに対し、本実施例では待機命令デコード信号
QD1,QD2を用いる。命令キュー123の読み出し
時間は命令キャッシュ30に比較して短いため、待機命
令バスBwt1 ,Bwt2 の命令は命令バスBin1 ,Bin2
に比較して早いタイミングで確定する。また、従来の例
では、命令バスBin1 ,Bin2 からの読み出し・プリデ
コード・発行命令選択という一連の動作を1サイクルで
実行する必要があったが、本実施例では、命令バスBin
1 からの読み出し,命令キュー123からの読み出し・
発行命令選択だけを1サイクルで行えばよい。したがっ
て、命令バスBin1 ,Bin2 の命令IR1,IR2の種
類を判断して命令の発行/制御を行う構成に比較して、
命令の選択/発行を高速で行うことが可能になり、ひい
てはデータ処理装置の高速動作を実現できる。
【0022】なお、本実施例では、命令キャッシュ30
は1クロックに2命令を2本の命令バスに供給する構成
となっているが、命令バスを1本もしくは3本以上とし
て、各々に命令を供給するようにしても同様の動作を実
現することが可能である。
【0023】また、上記実施例の命令フェッチ部100
では、命令キュー123が2本の待機命令バス及び待機
命令デコード信号線に、記憶した命令及び信号を出力す
る構成となっているが、待機命令バス及び待機命令デコ
ード信号線を各々1本又は3本以上設け、各々に命令キ
ューが記憶した命令及び信号を出力する構成としてもよ
い。
【0024】
【発明の効果】以上説明してきた通り、本発明によれ
ば、データ処理装置として、複数の命令選択回路により
入力命令のうちのいずれか一つを選択して各命令実行部
に送るとともに、いずれの命令実行部でも実行されなか
った命令をそのプリデコード結果とともに命令待機部に
記憶させた後、当該プリデコード結果を用いて上記命令
選択回路から命令実行部に命令を送るように構成したの
で、命令の発行に要する時間が短縮され、データ処理装
置の動作の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係るデータ処理装置の全体構
成を示すブロック図である。
【図2】図1中の命令フェッチ部の詳細構成を示す電気
回路図である。
【図3】図2中の命令フェッチ部の動作タイミング図で
ある。
【図4】従来のデータ処理装置の構成を示す電気回路図
である。
【図5】図中の命令フェッチ部の動作タイミング図で
ある。
【符号の説明】
10 命令キャッシュ動作クロック生成部 20 命令アドレス生成部 30 命令キャッシュ 50 第1命令実行部 51 第1命令デコーダ 52 浮動小数点ユニット 53 ラッチ 60 第2命令実行部 61 第2命令デコーダ 62 整数ユニット 63 ラッチ 100 命令フェッチ部 120 命令待機部 121,122 プリデコーダ 123 命令キュー 140 制御手段 141,142 スリーステートバッファ 143 命令フェッチ制御回路 150 命令選択部 151 第1命令選択回路 152 第2命令選択回路 Bin1 ,Bin2 命令バス Bwt1 ,Bwt2 待機命令バス Bdc1 ,Bdc2 待機命令デコード信号線 Bout1,Bout2 命令発行バス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 久我守弘、外2名”SIMP(単一命 令流/多重パイプライン)方式に基づく 『新風』プロセッサの低レベル並列処理 アルゴリズム”,並列処理シンポジウム JSPP’89,平成元年2月,pp. 163−170 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G06F 9/38

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の種類の命令を発生する命令発生部
    と、各々異なる種類の命令を実行するように構成された
    複数の命令実行部と、上記命令発生部から入力される命
    令を選択して取り出して上記各命令実行部に付与する命
    令フェッチ部とを備えたデータ処理装置において、 上記命令フェッチ部は、 上記各命令実行部に対応して配置され、制御信号に応じ
    複数の入力部から入力される命令のうちのいずれか一つ
    を選択して上記各命令実行部に送る複数の命令選択回路
    と、 入力側が上記命令発生部に命令バスを介して接続され、
    出力側が待機命令バスを介して上記命令選択回路の入力
    部に接続され命令待機部と、 上記各命令選択回路から各命令実行部に入力された命令
    を検出して、命令発生部から入力された命令のうちいず
    れの命令実行部でも実行されなかった命令を上記命令待
    機部に記憶させた後、上記命令選択回路から命令実行部
    に送るよう制御する制御手段とで構成され 上記命令待機部は、上記未実行の命令とそのプリデコー
    ドにより判別された命令の種類を表す待機命令デコード
    信号とを一時的に記憶した後に、未実行の待機命令を上
    記待機命令バスへ出力し、かつその待機命令デコード信
    号を上記各命令選択回路へ上記制御信号として出力する
    機能を有する ことを特徴とするデータ処理装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のデータ処理装置におい
    て、上記各命令選択回路は、その入力部のうち少なくとも一
    つが上記命令発生部に命令バスを介して接続され、他の
    入力部は上記命令待機部に待機命令バスを介して接続さ
    れている ことを特徴とするデータ処理装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のデータ処理装置におい
    て、上記各命令選択回路は、対応する命令実行部で実行可能
    な命令が命令バス及び待機命令バスの双方から入力され
    た場合には、上記命令待機部から待機命令バス を介して
    入力された命令を優先的に選択する機能を有する ことを
    特徴とするデータ処理装置。
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久我守弘、外2名"SIMP(単一命令流/多重パイプライン)方式に基づく『新風』プロセッサの低レベル並列処理アルゴリズム",並列処理シンポジウムJSPP’89,平成元年2月,pp.163−170

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