JP3015565B2 - 複数命令の並列実行機能を持つ情報処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数命令の並列実行
機能を持つ情報処理装置に係り、特にレジスタ依存関係
のある複数の命令の並列実行方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】既存のソフトウェアを高速に実行する情
報処理装置として、命令の実行ユニットを複数備え、ソ
フトウェア内の命令列のうち複数の命令を同時（並列）
に（同じサイクル内で）実行し、１サイクルに要する時
間を短縮せずに（即ちクロックの周波数を上げずに）済
ませる、スーパースカラ型計算機で代表される情報処理
装置が知られている。

【０００３】上記した複数命令の並列実行機能を持つ情
報処理装置では、１サイクルで実行可能な最大命令数以
上の命令を保持したキューから、同時に実行しても１つ
ずつ逐次実行した場合と結果が変わらない命令を取出
し、実行するようになっていた。

【０００４】もし、キューに入った命令のうちデータの
依存関係のあるものは同時に実行できない。例えば、あ
る命令＃１の出力データが別の命令＃２の入力データと
なる場合、この命令＃１，＃２は同時に実行できず、無
理に実行した場合には、その結果は命令＃１を実行して
から命令＃２を実行した場合と食い違ってしまう。

【０００５】また、データの依存関係がなくても、レジ
スタに依存関係があれば、該当する命令は全て同時には
実行できないのが普通である。例えば、命令＃３がある
レジスタの保持データを用い、別の命令＃４が同じレジ
スタにデータを書込む場合には、命令＃３，＃４は、両
データに依存関係がないにも拘らず、同時に実行できな
い。これは、命令＃３で用いようとするデータのレジス
タに命令＃４で値が書込まれるためである。

【０００６】このようなレジスタ依存を無くすには、互
いに異なるレジスタを用いればよい。しかし、既存のソ
フトウェア（プログラム）でレジスタ依存のある命令列
を持つ場合には、そのソフトウェアを書換えなければな
らず、極めて煩雑である。また、新規に作成するソフト
ウェアでも、命令語中のレジスタ指定フィールドのサイ
ズの関係で指定可能なレジスタ数が制限されるため、そ
のレジスタ数より多いデータ数を扱う場合には、互いに
依存しないデータを同じレジスタで用いる可能性が大き
い。つまり、命令語中でアクセス対象として指定可能な
レジスタ数、言い替えればソフトウェアから認識できる
レジスタ数が同じなら、実行ユニットを増やしてもレジ
スタ依存による性能低下を減らすことはできず、ソフト
ウェアから認識できるレジスタの数を増やして対処しよ
うとすると、既存のソフトウェアを書き直さなければな
らない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、複数
命令の並列実行機能を持つ従来の情報処理装置では、互
いにレジスタ依存関係のある命令列は同時に実行できな
いために、１つずつ逐次実行しなければならず、並列実
行機能を最大限に生かすことができないという問題があ
り、これを解決するためには、ソフトウェアを改造して
レジスタ依存のないように命令列を並べる、あるいは並
べ替えなければならず、多くの人手と費用を要するとい
う問題があった。

【０００８】この発明は上記事情に鑑みてなされたもの
でその目的は、レジスタ依存関係のある命令列を含むソ
フトウェアでも、そのソフトウェアを改造することな
く、装置が持つ複数命令の並列実行能力を十分に生かし
て実行できる情報処理装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、命令の実行
ユニットを複数備え、複数命令の並列実行が可能な情報
処理装置において、命令語で指定可能な複数の第１のレ
ジスタと、この第１のレジスタの代用として一時的に使
用される少なくとも１つの第２のレジスタと、実行すべ
き命令列の中から、前記第１のレジスタについてレジス
タ依存関係のある命令を検出し、その命令の指定する前
記第１のレジスタを前記第２のレジスタに一時的に置換
える手段とを備え、レジスタ依存関係のある複数の命令
を、前記第２のレジスタの使用により並列に実行するよ
うにしたことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上記の構成においては、同一の第１のレジスタ
指定に起因するレジスタ依存関係のある命令について
は、その命令の指定する第１のレジスタに代えて、命令
語の指定対象外となる第２のレジスタ（一時レジスタ）
が一時的に割当てられる。この第２のレジスタの割当て
により、レジスタ依存関係が解除されるため、命令語で
指定されていた第１のレジスタのみ用いたのでは、レジ
スタ依存関係のせいで並列に複数の命令を実行できない
ようなソフトウェアでも、装置が持つ複数命令の並列実
行能力を十分に生かして実行でき、性能向上を図ること
が可能となる

【００１１】。

【実施例】図１はこの発明の一実施例に係る複数命令の
並列実行機能を持つ情報処理装置の構成を示すブロック
図である。

【００１２】図１において、１はプログラム、データ等
が格納されるメモリ、２はメモリ１からフェッチされた
命令をそのフェッチ順の並びで保持するための命令キュ
ーである。この命令キュー２は、後述する並列実行部４
で同時に実行可能な最大命令数以上の命令を保持可能な
構造となっている。命令キュー２内に保持された命令
は、実行されると、同キュー２から除かれる。

【００１３】なお、メモリ１と命令キュー２との間にキ
ャッシュメモリ（あるいは命令キャッシュ）を設け、キ
ャッシュメモリからフェッチされた命令が命令キュー２
に格納されるものであってもよい。

【００１４】３は命令キュー２から命令を順に取出して
デコード処理を行うデコーダである。このデコーダ３
は、複数命令の並列（同時）実行のために、対象命令の
データ依存関係、レジスタ依存関係を調べる周知の機能
の他に、レジスタ依存関係のある命令については、その
命令で指定するレジスタを後述する一時レジスタに置換
える制御を行う。

【００１５】４はデコーダ３による複数の命令について
のデコード結果を受けて、複数命令を並列に実行するた
めの並列実行部である。並列実行部４は、デコーダ３か
ら与えられる各命令毎のデコード結果をもとに、対応す
る命令実行をそれぞれ独立に行うための複数の実行ユニ
ット４-1，４-2，４-3…を持つ。

【００１６】５は並列実行部４（内の実行ユニット４-
1，４-2，４-3…等）により操作されるデータを保持す
るためのレジスタ部である。レジスタ部５は、本装置上
で動くソフトウェアで認識される（即ち命令語のソース
またはデスティネーションレジスタ指定フィールドで指
定可能な）複数の一般レジスタ（レジスタＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ…で表現）からなる一般レジスタ群５１と、上記ソフ
トウェアから認識されない複数の一時レジスタ（レジス
タα，β…で表現）からなる一時レジスタ群５２とによ
り構成される。

【００１７】６は複数のエントリを持つ置換えテーブル
である。この置換えテーブル６の各エントリは、デコー
ダ３による置換えの対象となったレジスタ部５内の一般
レジスタのレジスタ名（レジスタ番号）と、この一般レ
ジスタに代えて用いられたレジスタ部５内の一時レジス
タのレジスタ名（レジスタ番号）と、該当エントリの情
報が有効であるか否かを示す有効フラグ（Ｖフラグ）の
各設定フィールドからなる。

【００１８】７はデータ整合保証回路である。データ整
合保証回路７は、レジスタ部５内の一時レジスタの内容
を置換えテーブル６で示される置換えの対象となった一
般レジスタに書き戻すことで、データの整合性を保証す
る。次に、図１の構成の動作を、命令キュー２にフェッ
チされた命令列が図２（ａ）のようになっている場合を
例に、説明する。

【００１９】なお、図２において、“ａｄｄ Ａ，Ｂ，
Ａ”で示される命令＃１は、レジスタＡとレジスタＢの
両内容の和をレジスタＡに格納することを指示する命令
であり、“ａｎｄ Ａ，Ｄ，Ｄ”で示される命令＃２
は、レジスタＡとレジスタＤの両内容をＡＮＤした結果
をレジスタＤに格納することを指示する命令である。ま
た、“ｏｒ Ｃ，Ｅ，Ａ”で示される命令＃３は、レジ
スタＣとレジスタＥの両内容をＯＲした結果をレジスタ
Ａに格納することを指示する命令であり、“ｓｕｂ
Ａ，Ｃ，Ａ”で示される命令＃４は、レジスタＡとレジ
スタＣの両内容の差をレジスタＡに格納することを指示
する命令である。

【００２０】今、図示せぬ命令フェッチ機構によってメ
モリ１から命令キュー２に命令列がフェッチされた結
果、サイクルＴ0 の開始時において、命令キュー２の内
容が図２（ａ）に示すようになっているものとする。こ
こで、命令キュー２内の命令列の並び順は、メモリ１か
らのフェッチ順であり、１命令ずつ順に実行されるもの
として作成された命令の順である。

【００２１】さて、図２（ａ）に示す命令キュー２内の
命令列を従来方式で実行するには、図３（ｂ）に示すよ
うに４サイクルを要し、同時実行は不可能である。その
理由は次の通りである。

【００２２】第１に、命令＃２で用いる演算データの一
方はレジスタＡに入っているが、このレジスタＡの値は
命令＃１（ａｄｄ命令）が実行されないと定まらないた
めである。即ち命令＃１と命令＃２との間にデータ依存
関係があるためである。

【００２３】第２に、命令＃３（ｏｒ命令）でＯＲ結果
を書込むレジスタＡには、命令＃１，＃２（ａｎｄ命
令）で用いる演算データが入っているため、命令＃１，
＃２が実行されてから命令＃３を実行しないと、命令＃
１，＃２で用いるレジスタＡのデータが、命令＃３で書
換えられてしまう可能性があるためである。即ち、命令
＃１，＃２と命令＃３との間にレジスタ依存関係がある
ためである。

【００２４】第３に、命令＃４（ｓｕｂ命令）で用いる
レジスタＡの値は、命令＃３（ｏｒ命令）が実行されな
いと定まらないためである。即ち命令＃３と命令＃４と
の間にデータ依存関係があるためである。

【００２５】これに対して本実施例では、図２（ａ）に
示す命令キュー２内の命令列を、後述するレジスタ置換
えで図２（ｂ）に示すように変更することにより、図３
（ａ）に示すように２サイクルで実行することができ
る。この動作につき、図４のフローチャートを参照して
詳述する。

【００２６】サイクルＴ0 においてデコーダ３は、命令
キュー２内の先頭の命令（＃１）と２番目の命令（＃
２）を比較してその依存関係を調べ、後の命令（＃２）
が先の命令（＃１）に対してデータ依存またはレジスタ
依存の関係にあるか否かをチェックする（ステップＳ
１）。もし、依存関係が存在しない場合には、デコーダ
３は、両命令を次のサイクル（第１サイクル）Ｔ1 で同
時に実行することを決定する（ステップＳ２）。

【００２７】これに対し、図２（ａ）の例のように、先
の命令＃１と後の命令＃２との間に依存関係（ここでは
データ依存関係）のある場合には、デコーダ３は、依存
のあるレジスタ（ここではレジスタＡ）を後の命令＃２
がソース指定しているか否かをチェックする（ステップ
Ｓ３）。

【００２８】図２（ａ）の例のように、先の命令＃１と
の間で依存関係のあるレジスタ（Ａ）を後の命令＃２で
ソース指定している場合には、デコーダ３は、先の命令
＃１については次の第１サイクルＴ1 で実行し、後の命
令＃２については更に次の第２サイクルＴ2 で実行する
ことを決定し、その旨を内部記憶する（ステップＳ
４）。実際には、第１サイクルＴ1 で実行する命令の命
令キュー２内位置を示す情報を内部記憶、あるいは第１
サイクルＴ1 で実行する命令の命令キュー２内位置に固
有の例えばフラグビットをオンすればよい。

【００２９】次にデコーダ３は、命令キュー２内の３番
目の命令（＃３）と先行命令（＃２）とについて、上記
ステップＳ１を実行し、命令＃３が命令＃２に対してデ
ータ依存またはレジスタ依存の関係にあるか否かをチェ
ックする。

【００３０】もし、図２（ａ）の例のように、命令＃２
と命令＃３との間に依存関係（ここではレジスタ依存関
係）があり、且つ依存のあるレジスタ（Ａ）を後の命令
＃３でソース指定してない場合（ステップＳ３のＮＯ判
定時）には、デコーダ３は、その命令＃３以降の命令キ
ュー２内の命令のレジスタＡ指定部分を全て（ここでは
命令＃３のデスティネーションレジスタＡ指定部分と、
命令＃４のソース並びにデスティネーションレジスタＡ
指定部分）、一時レジスタ群５２内の任意の一時レジス
タ、例えば一時レジスタαの指定に置換える（ステップ
Ｓ５）。このときの命令キュー２の内容を、図２（ｂ）
に示す。

【００３１】次にデコーダ３は、命令キュー２内の第１
サイクルＴ1 での実行が決定された命令＃１と（レジス
タＡからレジスタαへの置換えが施された）命令＃３と
を比較してその依存関係を調べ、命令＃３が命令＃１に
対してデータ依存またはレジスタ依存の関係にあるか否
かをチェックする（ステップＳ１）。

【００３２】図２（ｂ）の例のように、命令＃１と命令
＃３との間に依存関係が存在しない場合には、デコーダ
３は、命令＃３を命令＃１と同じ第１サイクルＴ1 で同
時に実行することを決定し、その旨を内部記憶する（ス
テップＳ２）。

【００３３】次にデコーダ３は、命令キュー２内の命令
＃１と（命令＃３の次の命令であって、レジスタＡから
レジスタαへの置換えが施された）命令＃４とを比較し
てその依存関係を調べ、命令＃４が命令＃１に対してデ
ータ依存またはレジスタ依存の関係にあるか否かをチェ
ックする（ステップＳ１）。

【００３４】図２（ｂ）の例のように、命令＃１と命令
＃４との間に依存関係が存在しない場合には、デコーダ
３は、命令＃４を命令＃１と同じ第１サイクルＴ1 で同
時に実行することを決定し、その旨を内部記憶する（ス
テップＳ２）。

【００３５】次にデコーダ３は、命令キュー２内の上記
レジスタ置換え後の命令＃３と命令＃４とを比較してそ
の依存関係を調べ、命令＃４が命令＃３に対してデータ
依存またはレジスタ依存の関係にあるか否かをチェック
する（ステップＳ１）。

【００３６】図２（ｂ）の例のように、命令＃３と命令
＃４との間に依存関係が存在し、且つ依存のあるレジス
タ（α）を後の命令＃４でソース指定している場合（ス
テップＳ３のＹＥＳ判定時）には、デコーダ３は、先の
命令＃３については第１サイクルＴ1 で実行し、後の命
令＃４については次の第２サイクルＴ2 で実行すること
を決定し、その旨を内部記憶する（ステップＳ４）。こ
れにより、命令＃４の実行サイクルをＴ1 とする先の決
定内容が解除される。

【００３７】デコーダ３は、命令キュー２内の最後の命
令＃３，＃４の比較によりその実行サイクルを決定する
と、第１サイクルＴ1 で実行すべき命令、即ち命令＃
１，＃３を命令キュー２から取出してデコードし、命令
＃１，＃３のデコード結果を並列実行部４内の実行ユニ
ット４-i，４-j（ｉ，ｊは１，２，３…のうちの互いに
異なる値）に渡して、次の第１サイクルＴ1 において該
当する命令を実行させる（ステップＳ６）。またデコー
ダ３は、現サイクル（Ｔ0 ）の最後に、上記の処理にお
いて置換えの対象となったレジスタＡと置換えに用いた
レジスタαのレジスタ名（レジスタ番号）の対を置換え
テーブル６内の空きエントリに登録し、Ｖフラグをオン
する（ステップＳ７）。

【００３８】さてデコーダ３から並列実行部４内の実行
ユニット４-i，４-jに命令＃１，＃３のデコード結果が
渡されると、第１サイクルＴ1 において、実行ユニット
４-iでは、命令＃１（ａｄｄ命令）の指定するレジスタ
Ａ，Ｂの両内容を加算し、その加算結果を一般レジスタ
群５１内のレジスタＡに格納する動作が行われる。ま
た、実行ユニット４-jでは、命令＃３（ｏｒ命令）の指
定するレジスタＣ，Ｅの両内容をＯＲし、そのＯＲ結果
を一時レジスタ群５２内のレジスタαに格納する動作が
行われる。デコーダ３により命令キュー３から命令＃
１，＃３が取出されると、後続の命令が命令キュー２に
フェッチされる。

【００３９】デコーダ３は、命令＃１，＃３が同時に実
行されるサイクルＴ1 において、その際に命令キュー２
に格納されている命令列（ここでは、命令＃２，＃４を
含む命令列）に対して、図４のフローチャートで示され
る上記（した命令＃１〜＃４に対するの）と同様の動作
を行う。但し、命令＃４より後の命令中にレジスタＡ指
定部分が存在すれば、置換えテーブルに６に従ってレジ
スタα指定に置換えられる。

【００４０】ここでは、命令＃４より後の命令中にレジ
スタＡ指定部分が存在せず、各命令間にデータまたはレ
ジスタ依存関係が存在しないものとすると、デコーダ３
は、命令＃２，＃４（を含む命令列）を次のサイクル
（第２サイクルＴ2 ）において同時に実行可能であるも
のと判断する。この場合、デコーダ３は、命令＃２，＃
４（を含む命令列）を命令キュー２から取出してデコー
ドし、そのデコード結果を並列実行部４内の実行ユニッ
トに渡して、次の第２サイクルＴ2 において該当する命
令を実行させる。

【００４１】この結果、命令＃２，＃４のデコード結果
が実行ユニット４-s，４-t（ｓ，ｔは１，２，３…のう
ちの互いに異なる値）に渡された場合であれば、実行ユ
ニット４-sでは、命令＃２（ａｎｄ命令）の指定するレ
ジスタＡ，Ｄの両内容をＡＮＤし、そのＡＮＤ結果を一
般レジスタ群５１内のレジスタＤに格納する動作が行わ
れる。また、実行ユニット４-tでは、命令＃４（ｓｕｂ
命令）の指定するレジスタα，Ｃの両内容の減算を行
い。その減算結果を一時レジスタ群５２内のレジスタα
に格納する動作が行われる。

【００４２】データ整合保証回路７は、並列実行部４内
の実行ユニット４-1，４-2，４-3…によるレジスタ部５
に対するアクセスを監視している。データ整合保証回路
７は、置換えテーブル６内でＶフラグがオン状態にある
エントリに登録されているレジスタ、即ちレジスタＡ，
αへのアクセスが実行されないサイクル（例えば第３サ
イクルＴ3 ）を検出すると、一時レジスタαの内容を一
般レジスタＡに書き戻す。そしてデータ整合保証回路７
は、置換えテーブル６内のＶフラグをオフする。

【００４３】このように本実施例によれば、命令間にあ
るレジスタ依存等のために、従来であれば４サイクルを
要していた図２（ａ）の命令列を、図２（ｂ）のように
レジスタ置換えを行うことにで、２サイクルで実行する
ことができる。即ち本実施例によれば、レジスタ依存関
係のある命令の指定する一般レジスタを一時レジスタに
一時的に置換える（代用する）ことにより、レジスタ依
存関係のために複数の実行ユニット４-iによる命令の同
時実行を妨げることが防止でき、性能向上が図れる。

【００４４】なお、一時レジスタは必ずしも複数設ける
必要はない。また、本実施例のように複数の一時レジス
タを設けた場合には、各々の一時レジスタを別々の一般
レジスタの代用とすることも可能である。また、同一の
一時レジスタを多重に代用することも可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
レジスタ依存関係のある命令の指定する一般レジスタ
（第１のレジスタ）を一時レジスタ（第２のレジスタ）
に一時的に置換えることにより、レジスタ依存関係のあ
る命令列を含むソフトウェアでも、そのソフトウェアを
改造することなく、装置が持つ複数命令の並列実行能力
を十分に生かして実行でき、性能向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る複数命令の並列実行
機能を持つ情報処理装置の構成を示すブロック図。

【図２】命令キュー２に格納された命令列を、レジスタ
置換え後の命令列と対比して示す図。

【図３】図２の命令列の実行順序を、従来方式による場
合と対比して示す図。

【図４】動作を説明するためのフローチャート。

【符号の説明】

２…命令キュー、３…デコーダ（置換え手段）、４…並
列実行部、４-1，４-2，４-3…実行ユニット、５…レジ
スタ部、６…置換えテーブル、７…データ整合保証回
路、５１…一般レジスタ群（第１のレジスタの群）、５
２…一時レジスタ群（第２のレジスタの群）。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−167934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−245529（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−48037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−129838（ＪＰ，Ａ) Ｒｏｂｅｒｔ．Ｍ．Ｋｅｌｌｅｒ著" Ｌｏｏｋ−Ａｈｅａｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｒｓ”，Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｓｕｒ ｖｅｙｓ，Ｖｏｌ．７ Ｎｏ．４，Ｄｅ ｃｅｍｂｅｒ 1975（昭和50年）ｐ. 177−195 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06F 9/38

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数命令の並列実行が可能な情報処理装
   置において、 命令語で指定可能な複数の第１のレジスタと、 この第１のレジスタの代用として一時的に使用される、
   命令語で指定不可能な少なくとも１つの第２のレジスタ
   と、実行すべき命令列を順次デコードするデコーダであっ
   て、前記第１のレジスタについてレジスタ依存関係のあ
   る命令を検出し、その命令の指定する前記第１のレジス
   タのみを前記第２のレジスタに一時的に置換えるデコー
   ダと、 前記デコーダのデコード結果に基づいて複数命令を並列
   に実行する複数の実行ユニットを有する並列実行部であ
   って、前記デコーダによるレジスタ置換えがなされた命
   令については、その置換え後の前記第２のレジスタを使
   用して当該命令を実行する並列実行部と、 前記デコーダによる置き換えの対象となった第１のレジ
   スタを示す情報と置換えに用いられた第２のレジスタを
   示す情報の対が登録される置換えテーブルと、 前記置換えテーブルに登録されている情報対で示される
   第１及び第２のレジスタへのアクセスが実行されないサ
   イクルで、当該第２のレジスタの内容を対応する前記第
   １のレジスタに書き戻すデータ整合保証回路とを具備す
   る ことを特徴とする情報処理装置。