JPH06161752A

JPH06161752A - 分岐制御方式

Info

Publication number: JPH06161752A
Application number: JP30835492A
Authority: JP
Inventors: Kazuyasu Nonomura; 一泰野々村; Takahito Noda; 敬人野田; Yuji Kamisaka; 裕士神阪; Toru Watabe; 徹渡部; Takumi Maruyama; 拓巳丸山; Takumi Takeno; 巧竹野; Shinya Kato; 慎哉加藤; Chiyonsuwannapaisaan Poonshiyai; ポーンシャイ・チョンスワンナパイサーン; Atsushi Sokawa; 淳惣川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1994-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、命令をパイプラインで実行すると
きの分岐を制御する分岐制御方式に関し、条件分岐命令
が先行する命令との間で資源の競合があった場合、条件
分岐命令に後続する命令を先にパイプライン実行し、分
岐しないときはそのままパイプラインの実行を継続し、
分岐するときはパイプライン中の命令を取り消し、分岐
命令実行時のパイプラインの乱れを最小限に抑えること
を目的とする。【構成】条件分岐命令とこれに先行する命令との間に
資源の競合が発生した場合に、条件分岐命令に後続する
命令を待たせることなく先にパイプラインに投入して実
行し、条件分岐命令が分岐しないと確定したときにその
まま続行し、分岐と確定したときに先に投入した後続す
る命令を取り消すと共に分岐先の命令をパイプラインに
投入して実行するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、命令をパイプラインで
実行するときの分岐を制御する分岐制御方式に関するも
のである。

【０００２】近年、コンピュータシステムの命令実行速
度の高速化のため、パイプラインによる命令実行が一般
化している。このパイプラインは、複数の命令を実行す
るため、資源（レジスタ、演算器など）の競合が発生す
る場合がある。このため、これらパイプライン制御を行
うプロセッサにおいて、各パイプラインで資源の競合を
検出し、データのバイパスや、先行命令がその資源を開
放するまで、後続命令のパイプラインの実行停止などを
行っている。データのバイパスを行うと、そのために大
幅なハードウェアの増加を招き、ゲート規模の増大に伴
いプロセッサのマシンサイクルの低下を来しかねない。
また、後続命令の実行を停止すると、そのまま後続命令
の実行サイクルが増加する。従って、資源の競合をでき
る限り少なくすることが要求されている。

【０００３】また、分岐命令の実行時には、パイプライ
ンにおいて先行して実行している命令を無効化し、分岐
先の命令をパイプラインに再投入しなければならないた
め、分岐命令の実行開始が遅れ、分岐命令のペナルティ
となる。このため、分岐命令と先行する命令との間にお
いて資源の競合がある場合には、かなりのペナルティが
発生し、実効的に性能低下を来し、このペナルティを少
しでも軽減する必要がある。

【０００４】

【従来の技術】従来のパイプライン制御を行うプロセッ
サは、分岐命令と当該分岐命令に先行する命令の間でデ
ータのバイパスが行えないような資源の競合がある場
合、分岐命令以降の命令のパイプラインでの実行を停止
していた。例えばサイクル→ ０１２３４５６命令ＯＬＡＳ分岐命令Ｊ次命令Ｂ０ＬＡＳ次命令Ｂ１ＬＡＳ中の次命令Ｂ０、Ｂ１のように、分岐命令に先行する命
令Ｏがある場合、当該分岐命令以降の次命令Ｂ０、Ｂ１
を先行する命令Ｏによる実行が終了するまで停止させて
いた。この例では、次命令Ｂ０がサイクル２で実行、次
命令Ｂ１がサイクル３で実行するところをそれぞれ２サ
イクル停止させ、サイクル４およびサイクル５で実行さ
せていた。

【０００５】ここで、Ｌ：パイプラインのロードステー
ジＡ：パイプラインの演算ステージＳ：パイプラインのストアステージを表す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
パイプライン制御は、分岐命令が条件分岐命令であり、
後続する命令が他の先行する命令との資源の競合がない
場合でも、後続命令は実行することができず、プロセッ
サの性能低下を招くといった問題を生じていた。

【０００７】本発明は、これらの問題を解決するため、
条件分岐命令が先行する命令との間で資源の競合があっ
た場合、条件分岐命令に後続する命令を先にパイプライ
ン実行し、分岐条件が確定して分岐しないときはそのま
まパイプラインの実行を継続し、分岐するときはパイプ
ライン中の命令を取り消し、分岐命令実行時のパイプラ
インの乱れを最小限に抑えることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理ブ
ロック図を示す。図１において、パイプライン処理部１
は、パイプラインで処理を実行するものである。

【０００９】パイプライン制御部３は、命令をデコード
して分岐命令のときに分岐を判定したり、動作指示した
り、後続命令の中断指示したりなどするものである。分
岐判定部２は、分岐命令が分岐するか否かを判定するも
のである。

【００１０】資源４は、レジスタなどの資源である。

【００１１】

【作用】本発明は、図１に示すように、パイプライン制
御部３が命令をデコードして条件分岐命令とこれに先行
する命令との間に資源４の競合が発生した場合に分岐命
令を分岐判定部２に通知すると共に当該条件分岐命令に
後続する命令を待たせることなく先に動作指示してパイ
プライン処理部１のパイプラインに投入し、分岐判定部
２が分岐命令が分岐するか否かを判定し、分岐すると確
定したときにパイプライン制御部３がその旨の通知を受
けてパイプライン処理部１に通知してパイプライン中の
後続する命令の実行取り消すと共に分岐先の命令をパイ
プラインに投入し、一方、分岐しないと確定したときに
そのままパイプライン中の命令の実行を継続するように
している。

【００１２】従って、条件分岐命令が先行する命令との
間で資源４の競合があった場合、条件分岐命令に後続す
る命令を先にパイプラインで実行し、分岐条件が確定し
て分岐しないときにそのままパイプラインの実行を継続
し、分岐するときにパイプライン中の命令を取り消すこ
とにより、分岐命令実行時のパイプラインの乱れを最小
限に抑えることが可能となる。

【００１３】

【実施例】次に、図１から図４を用いて本発明の実施例
の構成および動作を順次詳細に説明する。

【００１４】図１は、原理ブロック図を示す。図１にお
いて、パイプライン処理部１は、パイプラインで処理を
実行するものであって、パイプライン制御部３からの指
示に従い、資源４の読み出しを行ったり、演算などを行
ったり、資源４の変更を行ったりなどするものである。

【００１５】分岐判定部２は、分岐条件を保持したり、
分岐条件の分岐判定を行ったりなどするものである。パ
イプライン制御部３は、命令コードを保持・デコード
し、命令間の資源４の競合を検出したり、パイプライン
処理部１のパイプラインのデータのバイパス制御した
り、パイプライン遷移の制御したり、分岐判定部２に分
岐条件のセット指示したり、分岐判定部２による分岐判
定結果を取り込んだり、分岐時にパイプラインによる命
令の実行取り消したり（中断したり）などするものであ
る。

【００１６】資源４は、主記憶や汎用レジスタなどの資
源である。次に、図１の構成の動作を説明する。（１）取り込まれた命令列は、パイプライン制御部３
に格納して保持する。パイプライン制御部３は、保持し
た命令コードをデコードし、それが分岐命令であるか否
かの判定を行う。分岐命令でなかった場合には、パイプ
ライン処理部１に命令のデコード結果に基づく動作指示
を与える。パイプライン処理部１は、この動作指示に従
い、資源４の読み出し行い、指示に従って演算などを行
った後、指示に従って資源４の変更を行う。

【００１７】（２）一方、パイプライン制御部３は、
分岐命令であった場合、分岐判定部２に分岐条件を通知
すると共に分岐命令の判定に使用する資源４の競合がな
くなるまで分岐命令の実行を遅らせる。この間に、次の
命令が資源４の書き替えを行うパイプラインステージに
達した場合には、その命令の実行を待たせるようにパイ
プライン処理部１に指示する。分岐命令で使用する資源
４の競合がなくなったら、分岐判定部２が送出する分岐
判定信号を取り込み、分岐条件が成立しなかった場合に
は、そのままパイプライン処理部１によるパインプライ
ン処理を続行する。分岐条件が成立した場合には、パイ
プライン処理部１によるパイプライン処理を中断し（取
り消し）、分岐先の命令の動作指示を与える。

【００１８】以上によって、条件分岐命令において、た
とえ条件分岐命令と、これに先行する命令との間に資源
４の競合があったとしても、分岐しなかった場合には、
パイプライン処理部１によるパイプライン処理の全く乱
すことなく続行することが可能となる（図２の（ｄ）の
場合）。以下順次説明する。

【００１９】図２は、本発明の１実施例構成図を示す。
これは、図１のパイプライン処理部１、分岐判定部２、
パイプライン制御部３、および資源４の１実施例の構成
である。

【００２０】図２において、資源４は、汎用レジスタ４
−１およびセレクタ４−２から構成される。セレクタ４
−２は、パイプライン制御部３の指定する汎用レジスタ
４−１の内容を出力するセレクタである。

【００２１】パイプライン処理部１は、３段のパイプラ
インからなる。ロードステージ１−１は汎用レジスタ４
−１のデータをロードする。演算ステージ１−２はロー
ドステージ１−１に保持された汎用レジスタの内容によ
り演算結果を生成する。変更ステージ１−３は汎用レジ
スタ４−１を変更するステージであり、演算ステージ１
−２で生成された演算結果を格納すべき汎用レジスタ４
−１に転送する。

【００２２】分岐判定部２は、汎用レジスタ４−１のデ
ータをレジスタ２−１に保持し、パイプライン制御部３
より出力される判定条件をレジスタ２−２に保持する。
条件判定回路により、レジスタ２−１とレジスタ２−２
の出力に従って分岐判定信号２−３を出力する。

【００２３】パイプライン制御部３は、パイプライン処
理部１の各ステージに対応した、命令コード保持レジス
タ３−１、３−２、３−３を持っている。命令デコード
部３−４は、入力された命令コードをデコードし、分岐
判定部２に対し、分岐条件の送出およびセット指示を行
う。分岐番号レジスタ３−５は、分岐命令により参照す
る汎用レジスタ番号を保持する。競合検出回路３−６
は、分岐番号レジスタ３−５の保持されたレジスタ番号
が命令コード保持レジスタ３−１、３−２、３−３に保
持された命令により変更されることを検出する。分岐制
御部３−７は、競合検出回路３−６で競合が無いことが
確認され、かつ分岐判定信号２−３がＯＮであった場
合、パイプライン処理部１の命令実行を中止し、パイプ
ライン処理部１に分岐先の命令投入を指示する分岐信号
３−７を送出する。

【００２４】次に、図３を用いて具体的に動作を説明す
る。図３は、本発明の具体例タイムチャートを示す。図
３の（ａ）は、資源の競合がない場合のタイムチャート
であり、分岐条件が成立した場合を示す。

【００２５】図３の（ａ）において、命令Ｏは分岐命令
の前に実行さている命令であり、Ｌ／Ａ／Ｓはその命令
がそれぞれロードステージ１−１／演算ステージ１−２
／ストア（変更）ステージ１−３にあることを示す。分
岐命令の判定により、分岐信号がＯＮになった場合に
は、分岐先の命令Ｊ０、Ｊ１を実行する。この例では、
分岐のペナルティはない。

【００２６】図３の（ｂ）は、資源の競合がない場合の
タイムチャートであり、分岐条件が成立しなかった場合
を示す。図３の（ｂ）において、命令Ｏは分岐命令の前
に実行さている命令であり、Ｌ／Ａ／Ｓはその命令がそ
れぞれロードステージ１−１／演算ステージ１−２／ス
トア（変更）ステージ１−３にあることを示す。分岐命
令の判定により、分岐信号がＯＮにならないため、分岐
の次に命令Ｂ０、Ｂ１を実行する。

【００２７】図３の（ｃ）は、資源の競合がある場合の
タイムチャートであり、分岐条件が成立した場合を示
す。即ち分岐命令の直前の命令Ｏが分岐命令で判定に用
いる汎用レジスタ４−１を書き替えた場合のタイムチャ
ートである。

【００２８】分岐命令の判定は命令Ｏの実行が完了する
時刻（Ｔｉｍｅ）３まで待たされるが、次命令Ｂ０、Ｂ
１は待つことなく実行を開始する。時刻３において、分
岐信号がＯＮとなるため、次命令Ｂ０、Ｂ１の実行を中
止し、分岐先の命令Ｊ０、Ｊ１を実行する。この場合の
分岐命令のペナルティは、２サイクルであり、次命令Ｂ
０、Ｂ１の実行を行っていたサイクルが無駄となる。

【００２９】図３の（ｄ）は、資源の競合がある場合の
タイムチャートであり、分岐条件が成立しない場合を示
す。分岐命令の判定は命令Ｏの実行が完了する時刻（Ｔ
ｉｍｅ）３まで待たされるが、次命令Ｂ０、Ｂ１は待つ
ことなく実行を開始する。時刻３において、分岐信号が
ＯＮとならないため、次命令Ｂ０、Ｂ１の実行を引続き
行う。この場合、分岐命令の実行が２サイクル待たされ
たにもかかわらず、分岐によるペナルティはない。

【００３０】次に、図４のフローチャートを用いて図１
の構成の動作を詳細に説明する。ここで、パイプライン
制御部３、分岐判定部２、およびパイプライン処理部１
は、図１および図２のそれぞれに対応するものである。

【００３１】図４において、Ｓ１は、パイプライン制御
部３が命令コードをデコードする。Ｓ２は、Ｓ１のデコ
ードして、資源の競合有りか判別する。ＹＥＳの場合に
は、資源の競合が無くなるまで待機する。一方、ＮＯの
場合には、資源の競合がないので、Ｓ３に進むと共に分
岐命令のときにセット信号を分岐判定部２に通知する。

【００３２】Ｓ１１は、パイプライン制御部３から分岐
命令の旨の通知を受けた分岐判定部２が分岐判定データ
（分岐判定結果のデータ）をセットし、分岐判定に従っ
て分岐判定信号をパイプライン制御部３に通知する。

【００３３】Ｓ３は、Ｓ１２により分岐判定部２から分
岐判定に従った分岐判定信号を受け取ったパイプライン
制御部３が分岐成立か否かを判定する。ＹＥＳの場合に
は、分岐判定したと判明したので、中断指示をパイプラ
イン処理部１に通知する。そして、Ｓ１に戻り繰り返し
行う。

【００３４】Ｓ２１は、パイプライン処理部１が後続命
令データを取り込む。Ｓ２２は、Ｓ２１で取り込んだ後
続命令の演算を行う。Ｓ２３は、中断指示有りか判別す
る。これは、既述した例えば図３の（ｃ）で分岐命令が
分岐すると判明して中断指示をパイプライン処理部１が
受け取り、中断指示有りか判別する。ＹＥＳの場合（中
断指示有りと判明した場合）には、Ｓ２４で後続命令を
中断し（例えば図３の（ｃ）の次命令Ｂ０、Ｂ１を中止
し）、Ｓ２５で分岐先命令データの取り込み（例えば図
３の（ｃ）の分岐先命令Ｊ０、Ｊ１の取り込み）を行
い、Ｓ２２に戻る。一方、ＮＯの場合には、中断指示が
無かったので、Ｓ２６で資源の書き替えを行い、Ｓ２１
に戻る。

【００３５】以上によって、パイプライン制御部３が取
り込んだ命令コードをデコードし、分岐条件命令のとき
に後続する命令（次命令）を待つことなくパイプライン
に投入して実行を行い、分岐条件命令のみを待たせて分
岐条件が分岐しないと確定したときはそのままパイプラ
インの処理を続行し、一方、分岐条件が分岐すると確定
したときに後続する命令を取り消し、分岐先の命令をパ
イプラインに投入して実行する。これらにより、分岐条
件命令とこれに先行する命令との間に資源４の競合があ
ったとしても、次の命令をパイプラインに投入して実行
し、条件確定時に分岐しなかったときはそのまま実行で
き、ペナルティが無く、高速に命令の実行を行うことが
可能となる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
条件分岐命令が先行する命令との間で資源の競合があっ
た場合、条件分岐命令に後続する命令を先にパイプライ
ンで実行し、分岐条件が確定して分岐しないときにその
ままパイプラインの実行を継続し、分岐するときにパイ
プライン中の命令を取り消す構成を採用しているため、
分岐命令実行時のパイプラインの乱れを最小限に抑える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理ブロック図である。

【図２】本発明の１実施例構成図である。

【図３】本発明の具体例タイムチャートである。

【図４】本発明の動作説明図である。

【符号の説明】

１：パイプライン処理部２：分岐判定部３：パイプライン制御部４：資源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡部徹神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者丸山拓巳神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者竹野巧神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者加藤慎哉神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者ポーンシャイ・チョンスワンナパイサーン神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者惣川淳神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】命令をパイプラインで実行するときの分岐
を制御する分岐制御方式において、条件分岐命令とこれに先行する命令との間に資源の競合
が発生した場合に、条件分岐命令に後続する命令を待た
せることなく先にパイプラインに投入して実行し、条件分岐命令が分岐しないと確定したときにそのまま続
行し、分岐と確定したときに先に投入した後続する命令
を取り消すと共に分岐先の命令をパイプラインに投入し
て実行するように構成したことを特徴とする分岐制御方
式。