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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine verbesserte Pipeline-Datenverarbeitungsanordnung für ein gleichzeitiges
Ausführen
einer Mehrzahl von Datenprozessen durch eine Pipeline-Verarbeitung.
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In den vergangenen Jahren haben merkbare Verbesserungen
in der Leistung von Mikroprozessoren stattgefunden, wozu verbesserte
Taktfrequenzen und eine interne, parallele Verarbeitung stark beigetragen
haben. Die früheren,
verbesserten Taktfrequenzen können
dem Fortschritt der VLSI (Very-Large-Scale Integrated Circuit) Technologie,
repräsentiert
durch eine Verarbeitungstechnologie und eine Hochgeschwindigkeits-Schaltungstechnologie,
zugeschrieben werden, während
die letztere, interne, parallele Verarbeitung, hauptsächlich dem
Fortschritt einer Architekturtechnologie, repräsentiert durch eine Pipeline-Technologie
und eine Sparse-Farb-Technologie, zugeschrieben werden kann.
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In der internen, parallelen Verarbeitung
ist die vorstehend erwähnte
Pipeline-Technologie
eine temporäre,
parallele Verarbeitungstechnologie, bei der eine Folge von Datenvorgängen in
eine Mehrzahl von Stufen unterteilt wird (im Pipeline-Betrieb verarbeitet),
so dass die Mehrzahl von Datenprozessen in einer überlappenden
Art und Weise durchgeführt wird.
Andererseits ist die verteilte Farb-Technologie (Sparse Color Technology)
eine räumliche,
parallele Verarbeitungstechnologie, mit der eine Mehrzahl von Datenprozessen
gleichzeitig in einer parallelen Weise durchgeführt wird. Unter Verwendung
dieser zwei Technologien in Kombination sind die Verbesserungen
in der Leistung von Mikroprozessoren erreicht worden.
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Unter Bezugnahme nun auf 17 wird eine Beschreibung
eines Beispiels der Struktur für
ein sowohl räumliches
als auch temporäres
Durchführen einer
Mehrzahl von Datenprozessen in einer parallelen Weise, was durch
Anwenden der vorstehenden Sparse-Farb-Technologie auf ein herkömmliches Pipeline-Datenverarbeitungsgerät für ein temporäres Durchführen einer
Mehrzahl von Datenprozessen in einer parallelen Weise erhalten wird,
angegeben.
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In der Zeichnung sind Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150, 151 und 152,
parallel zueinander angeordnet, dargestellt. Die parallele Anordnung
ermöglicht
der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 150, 151 und 152,
räumlich
drei Sätze
von Daten zu verarbeiten. Da die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150 bis 152 dieselbe Struktur
haben, wird eine Beschreibung nur in Bezug auf die innere Struktur
der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 150 als
repräsentativ
für die
drei Schaltungen angegeben. In der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 150 werden
Daten zu sowohl einem ersten als auch einem zweiten Eingangsanschluss 118 und 119 eingegeben,
wobei ein erstes und ein zweites Register 120 und 121 jeweilige
Daten, eingegeben zu den vorstehenden Eingangsanschlüssen 118 und 119,
speichern, wobei ein Addierer/Subtrahierer 130 mit 2 Eingängen die
jeweiligen Daten, gespeichert in den zwei Registern 120 und 121,
aufnimmt, um so eine Addition oder Subtraktion in Bezug auf die
jeweiligen Daten durchzuführen,
und wobei ein Register 132 ein Arbeitsergebnis 131 von dem
Addierer/Subtrahierer 130 aufnimmt.
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In jeder der vorstehenden Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150 bis 152 wird
ein Datenprozess in drei Stufen in einem Pipeline-Betrieb durchgeführt, die
sind: eine Datenlesestufe; eine Operationsausführungsstufe, bei der die gelesenen Daten
einer Addition oder Subtraktion, die tatsächlich durchgeführt ist,
unterworfen werden; und eine Datenschreibstufe, bei der ein Operationsergebnis
gespeichert wird. In 17 dienen
Register 140a bis 140f für ein vorbereitendes Speichern
jeweiliger Daten, um zu dem Addierer/Subtrahierer 130 mit
2 Eingängen
jeder der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150 bis 152 zugeführt zu werden
und einer Operation, die dadurch durchgeführt wird, unterworfen zu werden,
während
die Register 140g bis 140i zum Speichern von Operationsergebnissen,
ausgegeben von den jeweiligen Datenverarbeitungsschaltungen 150 bis 152,
dienen.
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Nachfolgend wird eine Beschreibung
in Bezug auf die Operation der vorstehenden, herkömmlichen
Pipeline-Datenverarbeitungsvorrichtung, dargestellt in 17, angegeben.
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Zuerst wird eine Betrachtung für den Fall
vorgenommen, bei dem drei Typen von Addieroperationen C, D und G
durch die erste, die zweite und die dritte Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150, 151 und 152 jeweils
ausgeführt
werden: C = A + B
D =
E + F
G = H + I.
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Da die vorstehenden drei Operationen
keine datenabhängige
Beziehung dazwischen haben, können
sie vollständig
unabhängig
voneinander ausgeführt
werden. Genauer gesagt kann, wie in dem Operationszeitdiagramm der 18(a) dargestellt ist, das
Lesen der Daten A und B, das Lesen der Daten E und F und das Lesen
der Daten H und I gleichzeitig in der Datenlesestufe durchgeführt werden.
Weiterhin können
eine Operation von A + B, eine Operation von E + F und eine Operation
von H + I gleichzeitig in der Operationsausführungsstufe ausgeführt werden. Weiterhin
kann das Schreiben von Daten C, das Schreiben von Daten D und das
Schreiben von Daten G gleichzeitig in der Datenschreibstufe ausgeführt werden.
Auf diese Art und Weise können
drei Typen von Datenprozessen parallel zueinander durch die drei
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150 bis 152 ausgeführt werden.
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Allerdings besitzt das vorstehende,
herkömmliche
Pipeline-Datenverarbeitungsgerät
die folgenden Nachteile, die nachfolgend im Detail beschrieben werden.
In dem Fall, bei dem die Ausführungsfolge
der folgenden drei Additionsoperationen C, J und G in dieser Reihenfolge
bestimmt worden ist, wird angenommen, dass die Addieroperation C durch
die erste Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 150 durchgeführt wird,
dass die Addieroperation J durch die zweite Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 151 durchgeführt wird
und dass die Addieroperation G durch die dritte Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 152 durchgeführt wird: C = A + B
J = E + C
G = H + I.
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Unter den vorstehenden drei Typen
von Operationen haben zwei Operationen C und J eine datenabhängige Beziehung
dazwischen. Genauer gesagt können,
da die zweite Operation J = E + C unter Verwendung des Ergebnisses
der ersten Operation C = A + B durchgeführt werden sollte, die erste
Operation C = A + B und die zweite Operation J = E + C nicht gleichzeitig
durchgeführt
werden. Demzufolge sollte, wie in dem Operationszeitdiagramm der 18(b) dargestellt ist, die
zweite Operation J = E + C einen Zyklus nach der Einleitung der
ersten Operation C = A + B initiiert werden.
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Die Ausführungsfolge der zweiten Operation J
und der dritten Operation G wird entweder durch ein Verfahren „Out-of-Order" oder ein Verfahren „In-Order" bestimmt. Das erstere
Verfahren ermöglicht, dass
die Ausführungssequenz
einer Mehrzahl von Datenprozessen geändert wird, während das
letztere Verfahren der vorbestimmten Ausführungssequenz einer Mehrzahl
von Datenprozessen folgt, und unterbindet, dass die Datenprozesse
transponiert werden. In dem Fall, bei dem die Verwendung des Verfahrens „Out-of-Order" angenommen wird,
kann deshalb die dritte Operation G = H + I gleichzeitig mit der
ersten Operation C vor der zweiten Operation J durchgeführt werden,
wie dies in 18(b) dargestellt
ist. In dem Fall, bei dem die Verwendung des Verfahrens „In-Order" angenommen wird,
sollte, andererseits, die dritte Operation G nicht vor der zweiten
Operation J durchgeführt
werden, sondern sollte gleichzeitig mit dieser durchgeführt werden,
d. h. einen Zyklus nach der Ausführung
der ersten Operation C, da die Transponierung der Operationen unterbunden
wird.
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Wie vorstehend beschrieben ist, kann,
in dem herkömmlichen
Pipeline-Datenverarbeitungsgerät,
die Mehrzahl von Operationen C und J nicht gleichzeitig ausgeführt werden,
unabhängig
davon, ob das Verfahren „In-Order" oder das Verfahren „Out-of-Order" verwendet wird.
Als Folge werden, falls eine datenabhängige Beziehung zwischen einer Mehrzahl
von Datenprozessen existiert, Befehle, um jeweilige Operationen
C und J durchzuführen,
nicht gleichzeitig zu den jeweiligen Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 150 und 151 ausgegeben,
und der Befehl, um die zweite Operation J durchzuführen, wird
einen Zyklus nach dem ersten Befehl ausgegeben, um die erste Operation
C durchzuführen.
In dem Fall, bei dem die Verwendung des Verfahrens „In-Order" angenommen wird,
wird, andererseits, ein Befehl, um die darauffolgende dritte Operation
G durchzuführen,
die keine datenabhängige
Beziehung besitzt, auch einen Zyklus nach dem Befehl, um die erste
Operation C durchzuführen,
ausgegeben. Demzufolge besitzt das herkömmliche Pipeline-Datenverarbeitungsgerät den Nachteil
einer sehr geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit, da eine Mehrzahl
von Datenprozessen, die eine datenabhängige Beziehung dazwischen
haben, nicht unter einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden
kann.
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Die
EP 0 312 764 A3 offenbart einen Datenprozessor,
der die selektive, gleichzeitige oder asynchrone Ausführung von
zueinander unabhängigen Befehlen
von unterschiedlichen Klassen in parallel gekoppelten Ausführungseinheiten
ermöglicht
und der die sequenzielle Ausführung
von zueinander abhängigen
Befehlen von unterschiedlichen Klassen durch Verzögern der
Ausführung
eines abhängigen Befehls
in einer zweiten Ausführungseinheit,
bis zu dem Abschluss einer Ausführung
eines Prekursor-Befehls in einer ersten Ausführungseinheit, ermöglicht.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Pipeline-Datenverarbeitungsgerät zu schaffen, bei dem, gerade
wenn eine datenabhängige
Beziehung zwischen einer Mehrzahl von Datenprozessen existiert,
eine Mehrzahl von Befehlen, um die Prozesse durchzuführen, gleichzeitig
zu jeweiligen Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen ausgegeben
werden kann, so dass die Mehrzahl von Datenprozessen entsprechend
ausgeführt
werden kann, unabhängig
davon, ob das Verfahren „In-Order" oder das Verfahren „Out-of-Order" angewandt worden
ist. Weiterhin ermöglicht,
gerade wenn ein Datenprozess, der keine datenabhängige Beziehung besitzt, den
Datenprozessen folgt, die eine datenabhängige Beziehung dazwischen
haben, das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät einen Befehl, um den darauffolgenden
Datenprozess durchzuführen,
um gleichzeitig mit den Befehlen ausgegeben zu werden, um die vorhergehenden
Datenprozesse durchzuführen,
die die datenabhängige
Beziehung dazwischen haben, um dadurch die Leistung der Verarbeitungsgeschwindigkeit
zu verbessern.
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Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, hat die
vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, eine Struktur,
versehen mit einer Mehrzahl von Stufen, erhalten durch Hinzufügen einer
spezifizierten Anzahl von Stufen zu den drei Stufen, die eine Datenlesestufe,
eine Operationsausführungsstufe
und eine Datenschreibstufe sind, angewandt, so dass sich die vorstehende
Datenlesestufe und die Operationsausführungsstufe, falls notwendig,
zu einer wahlweisen Stufe in der Mehrzahl der Stufen verschieben
können.
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Genauer gesagt weist ein Pipeline-Datenverarbeitungsverfahren
der vorliegenden Erfindung, mit dem eine Mehrzahl von Befehlen,
um jeweilige Datenprozesse durchzuführen, durch eine Mehrzahl von
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen ausgeführt wird, die Schritte auf:
gleichzeitiges Ausgeben, wenn mindestens zwei Datenprozesse eine
datenabhängige
Beziehung dazwischen haben, von Befehlen, um die jeweiligen Datenpro zesse
zu den jeweiligen Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen hin durchzuführen; dann
Ausführen
zuerst des vorangehenden einen der vorstehenden Datenprozesse, in Bezug
auf den der darauffolgende eine der vorstehenden Datenprozesse datenabhängig ist,
durch die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung für den vorstehenden, vorangehenden
Datenprozess; und darauffolgendes Ausführen, zu einem Zeitpunkt einen Zyklus
nach der Ausführung
des vorstehenden, vorangehenden Datenprozesses, in Bezug auf den
der vorstehende, darauffolgende Datenprozess datenabhängig ist,
des darauffolgenden Datenprozesses durch die Pipeline-Verarbeitungsschaltung
für den vorstehenden,
darauffolgenden Datenprozess.
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Ein Pipeline-Datenverarbeitungsgerät der vorliegenden
Erfindung weist auf: eine Mehrzahl von Pipeline-Verarbeitungschaltungen;
und einen Befehl-Ausgabe-Steuerbereich
zum gleichzeitigen Ausgeben einer Mehrzahl von Befehlen, um jeweilige
Datenprozesse zu den vorstehenden, jeweiligen Pipeline-Verarbeitungsschaltungen
durchzuführen,
wobei jede der vorstehenden Pipeline-Verarbeitungsschaltungen aufweist:
ein Eingangsdatenregister zum Aufnehmen und Speichern von Daten
von der Außenseite;
eine Datenoperationsschaltung zum Aufnehmen der Daten, gespeichert
in dem vorstehenden Eingangsdatenregister und zum Durchführen einer
spezifizierten Operation in Bezug auf die Eingangsdaten; ein Zwischen-Pipeline-Register,
angeordnet in einer Stufe, die der vorstehenden Datenoperationsschaltung
folgt; ein End-Pipeline-Register, angeordnet in einer Stufe, die
dem vorstehenden Zwischen-Pipeline-Register folgt; und eine Pfadumschaltschaltung, um
zu bewirken, dass ein Operationsergebnis von der vorstehenden Datenoperationsschaltung
durch das vorstehende Zwischen-Pipeline-Register hindurchführt oder
im Bypass vorbeiführt,
und zum Eingeben des Operationsergebnisses zu dem vorstehenden End-Pipeline-Register,
wobei der vorstehende Befehl-Ausgabe-Steuerbereich die Anzahl von Dummy-Stufen,
die eingesetzt werden sollen, hinzufügt, wobei in keiner etwas ausgeführt wird,
und zwar zu den vorstehenden Befehlen, die gleichzeitig ausgegeben
sind, um dadurch eine Operationsausführungsstufe zu ermöglichen,
in der die vorstehende Datenoperationsschaltung die vorstehende,
spezifizierte Operation durchführt,
um eine wahlweise Stufe in eine Mehrzahl von Pipelinestufen zu verschieben.
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Mit der vorstehenden Struktur wird
eine Mehrzahl von (z. B. drei) Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen
in einer parallelen Weise gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet. In dem Fall, bei dem eine datenabhängige Beziehung
zwischen der Mehrzahl von (drei) Datenprozessen existiert (z. B.
wenn eine Operation C = A + B, eine Operation J = E + C und eine
Operation K = H + I vorliegt), wird eine Mehrzahl von Befehlen,
um die Mehrzahl von Datenprozessen durchzuführen, gleichzeitig zu den vorstehenden,
jeweiligen Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen ausgegeben. In
der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung zum Durchführen des ersten
Datenprozesses C werden eine Datenlesestufe und eine Operationsausführungsstufe
zu der ersten und der zweiten Stufe jeweils zugeordnet. In der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
zum Durchführen
des zweiten Datenprozesses J werden die Datenlesestufe und die Operationsausführungsstufe
der zweiten und der dritten Stufe zugeordnet. In der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
zum Durchführen des
dritten Datenprozesses K werden die Datenlesestufe und die Operationsausführungsstufe
der dritten und der vierten Stufe zugeordnet. Demzufolge wird die
Mehrzahl von Datenprozessen C, J und K sequenziell ausgeführt, so
dass, gerade dann, wenn eine datenabhängige Beziehung zwischen diesen Datenprozessen
besteht, die Datenprozesse entsprechend ausgeführt werden.
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Hierbei werden die jeweiligen Befehle,
um die vorstehende Mehrzahl von Datenprozessen C, J und K durchzuführen, gleichzeitig
ausgegeben, und der darauffolgende Befehl (d. h. der Befehl, um
den vierten Datenprozess durchzuführen) wird in dem zweiten Zyklus
ausgegeben. In der herkömmlichen Ausführungsform
wird der vierte Befehl in dem vierten Zyklus ausgegeben. Demzufolge
kann, gemäß der vorliegenden
Erfindung, eine große
Anzahl von aufeinanderfolgenden Befehlen ohne eine Stagnation ausgegeben
werden, so dass die Mehrzahl von Datenprozessen, die eine datenabhängige Beziehung
dazwischen haben, unter einer hohen Geschwindigkeit ausgeführt werden
kann.
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Die vorstehenden Aufgaben und neuen Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden unter Lesen der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlicher werden.
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Die beigefügten Zeichnungen stellen die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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In den Zeichnungen:
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1 stellt
die gesamte Struktur eines Prozessors dar;
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2 stellt
die Operation einer Pipeline-Operation dar;
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3 stellt
die Gesamtstruktur eines Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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4 stellt
die innere Struktur einer Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung dar,
die das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät bildet;
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5 stellt
eine erste Variation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung dar;
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6 stellt
eine zweite Variation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung dar;
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7 stellt
eine dritte Variation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung dar;
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8 zeigt
ein Zeitdiagramm, das eine Basisoperation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
darstellt;
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9 zeigt
ein Zeitdiagramm, das eine andere Basisoperation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
darstellt;
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10 zeigt
ein Zeitdiagramm, das eine noch andere Basisoperation der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
darstellt;
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11 zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm
in dem Fall, bei dem drei Datenprozesse durch ein Pipeline-Datenverarbeitungsgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
wird;
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12 zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm
in dem Fall, bei dem eine große
Anzahl von Datenprozessen durch ein herkömmliches Pipeline-Datenverarbeitungsgerät durchgeführt wird;
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13 zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm
in dem Fall, bei dem eine Mehrzahl von Datenprozessen durch das
herkömmliche
Pipeline-Datenverarbeitungsgerät
durchgeführt
wird;
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14 zeigt
die Gesamtstruktur eines Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 stellt
die Struktur eines grundsätzlichen
Bereichs eines Prozessors, umfassend das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät, gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dar;
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16 zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm
in dem Fall, bei dem sechs Datenprozesse durch das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden;
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17 stellt
die Gesamtstruktur eines herkömmlichen
Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts
dar;
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18(a) zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm,
das eine Basisoperation des herkömmlichen
Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts
darstellt;
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18(b) zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm,
das ein anderes Basisbeispiel des herkömmlichen Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts darstellt;
und
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18(c) zeigt
ein operationsmäßiges Zeitdiagramm,
das eine noch andere Basisoperation des herkömmlichen Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts darstellt.
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Nachfolgend werden die bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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(Erste Ausführungsform
eines Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts)
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1 stellt
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, in der dargestellt sind: ein Prozessor 1;
ein Befehl-Speicher 2a zum vorbereitenden Speichern eines
Befehl-Programms; und einen Datenspeicher 2b zum vorbereitenden
Speichern einer großen
Anzahl von Datensätzen.
Es ist nicht notwendigerweise erforderlich, den vorstehenden Befehl-Speicher 2a und
den Datenspeicher 2b als separate Komponenten vorzusehen.
Eine große Anzahl
von Befehlen und Datensätzen
kann zusammen in einem einzelnen Speicher gespeichert werden.
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Der vorstehende Prozessor 1 besteht
aus einem Befehl-Steuerabschnitt 3 und einem Befehl-Ausführungsabschnitt 4 zum
Ausführen
eines solchen Befehls, um die Verarbeitung von Daten durchzuführen. Der
vorstehende Befehl-Steuerabschnitt 3 besteht aus einem
Befehl-Abrufbereich 5, einem Befehl-Register 6 und
einem Befehl-Decodierabschnitt 7,
und einem Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8. Der vorstehende
Befehl-Abrufbereich 5 erzeugt eine oder eine Mehrzahl von
Befehl-Adresse(n) und überträgt sie zu
dem vorstehenden Befehl-Speicher 2a, während ein Abrufen eines Befehls oder
einer Mehrzahl von Befehlen notwendig ist. Die vorstehenden, abgerufenen
Befehle werden durch den vorstehenden Befehl-Abrufabschnitt 5 in
dem Befehl-Register 6 gespeichert. Der vorstehende Befehl-Decodierabschnitt 7 decodiert
jede spezifizierte Anzahl (z. B. drei) von Befehlen, gespeichert
in dem Befehl-Register 6. Der vorstehende Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8 gibt
einen Befehl zu der Ressource entsprechend zu dem Befehl basierend
auf dem Ergebnis eines Decodierens aus. Zum Beispiel gibt, falls
der Befehl die Verarbeitung von Daten anweist, der Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8 ihn
zu dem vorstehenden Befehl-Ausführungsabschnitt 4 aus.
Falls der Befehl ein Verzweigungsbefehl ist, um die Datenfolge des
Befehl-Programms zu steuern, gibt der Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8 ihn
zu dem Befehl-Abrufabschnitt 5 aus. Weiterhin prüft, falls
die Operation des vorstehenden Befehl-Ausgabesteuerabschnitts 8 grob
beschrieben werden soll, er, wenn der Befehl zu dem Befehl-Ausführungsabschnitt 4 ausgegeben
werden soll, den Zustand der Ressource, die zum Ausführen des
Befehls in dem Befehl-Ausführungsabschnitt 4 erforderlich
ist, und das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer datenabhängigen Beziehung
zwischen einer Mehrzahl von Befehl-Datensätzen, und gibt nur einen ausführbaren
Befehl zu dem Befehl-Ausführungsabschnitt 4 aus.
Die innere Struktur und die Betriebsweise des vorstehenden Befehl-Ausgabesteuerabschnitts 8 werden
später
im Detail beschrieben.
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Der vorstehende Befehl-Ausführungsabschnitt 4 besteht
aus einer Registerdatei 9 für ein temporäres Speichern
von Daten, einem Ausführungsverarbeitungsabschnitt 10 zum
Durchführen
einer Operation in Bezug auf Daten und einem Ausführungssteuerabschnitt 11.
Der vorstehende Ausführungssteuerabschnitt 11 lädt Daten
ein, die durch den Ausführungsverarbeitungsabschnitt 10 erforderlich sind,
um eine Operation in Bezug auf Daten von dem vorstehenden Datenspeicher 2b durchzuführen, während die
Daten in der Registerdatei 9 gespeichert sind. In der tatsächlichen
Ausführung
der Operation in dem Ausführungsverarbeitungsabschnitt 10 liest der
vorstehende Ausführungssteuerabschnitt 11 Daten,
gespeichert in der vorstehenden Registerdatei 9, und steuert
den Ausführungsverarbeitungsabschnitt 10 so,
dass die Operation entsprechend dem Befehl dadurch ausgeführt wird,
und speichert das Operationsergebnis in der Registerdatei 9.
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In dem vorstehenden Prozessor 1 wird
die Operation in Bezug auf Daten, durchgeführt durch die Pipeline-Verarbeitung,
durchgeführt.
Wie in 2 dargestellt
ist, besteht die Pipeline-Verarbeitung aus fünf Stufen. In der ersten Stufe
wird ein Befehl abgerufen. In der zweiten Stufe wird der Befehl
decodiert und ausgegeben. In der dritten Stufe werden Daten von
der Registerdatei 9 gelesen. In der vierten Stufe wird
eine Operation in Bezug auf Daten ausgeführt. In der fünften Stufe
wird das Operationsergebnis in die Registerdatei 9 hineingeschrieben.
Die vorstehende zweite und dritte Stufe können durch eine einzelne Stufe
ausgeführt
werden.
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3 stellt
eine spezifische Struktur des vorstehenden Ausführungsverarbeitungsabschnitts 10 als
ein Pipeline-Datenverarbeitungsgerät der vorliegenden Erfindung
dar. In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen 100, 101 und 102 Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen,
angeordnet parallel zueinander. Da die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 dieselbe
Struktur haben, wird eine Beschreibung in Bezug auf die innere Struktur der
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 als repräsentativ
für die
drei Schaltungen vorgenommen. In der Zeichnung sind dargestellt:
erste und zweite Dateneingangsanschlüsse 18 und 19 zum
Aufnehmen von Daten von der vorstehenden Registerdatei 9;
erste und zweite Dateneingangsregister 20 und 21 zum
Speichern jeweiliger Sätze
von Daten, empfangen von den vorstehenden, jeweiligen Dateneingangsanschlüssen 18 und 19;
und ein Kalkulator mit 2 Eingängen
(Datenberechnungsschaltung) zum Aufnehmen der jeweiligen Sätze von
Daten, gespeichert in den vorstehenden zwei Dateneingangsregistern 20 und 21 und
zum Ausführen
einer Addition oder Subtraktion in Bezug auf die jeweiligen Sätze von
Daten.
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In der Zeichnung sind auch dargestellt:
ein erstes (Zwischen-) Pipeline-Register 40, angeordnet in
einer Stufe, die dem vorstehenden Kalkulator 30 folgt;
ein zweites (Zwischen-) Pipeline-Register 60, angeordnet
in einer Stufe, die dem vorstehenden ersten Pipeline-Register 40 folgt;
und ein Selektor bzw. eine Auswahleinrichtung (Pfadumschaltschaltung) 70,
angeordnet in einer Stufe, die dem zweiten Pipeline-Register 60 folgt.
Das vorstehende erste Pipeline-Register 40 nimmt ein Datenoperationsergebnis 31,
ausgegeben von dem vorstehenden Kalkulator 30, auf und
speichert es. Das vorstehende, zweite Pipeline-Register 60 nimmt
die Ausgangsdaten von dem vorstehenden ersten Pipeline-Register 40 auf und
speichert sie. Der vorstehende Selektor 70 nimmt das Datenoperationsergebnis 31,
ausgegeben von dem vorstehenden Kalkulator 30, und jeweilige Sätze von
Daten, gespeichert in dem ersten und dem zweiten Pipeline-Register 40 und 60,
auf, wählt
einen der drei aus und gibt den ausgewählten einen aus. In der Zeichnung
bezeichnet ein Bezugszeichen 81 ein End-Pipeline-Register
zum Aufnehmen der Ausgangsdaten 80 von dem vorstehenden
Selektor 70 und speichert sie.
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In jeder der vorstehenden Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 werden
die vorstehenden Register 20, 21, 40 und 60 und
der Selektor 70, der darin vorgesehen ist, durch den vorstehenden
Ausführungssteuerabschnitt 11 der 1 gesteuert (4 stellt nur die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 dar).
Die Bezugszeichen 9a bis 9i bezeichnen Register
in der vorstehenden Registerdatei 9.
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Die vorstehende Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 kann
auch aus irgendeiner der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen,
dargestellt in den 5 bis 7, aufgebaut sein. Die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 120,
dargestellt in 5, wird
durch Erhöhen
der Anzahl der Pipeline-Stufen der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 der 4 um eins erhalten. Genauer
gesagt werden, in 4,
ein zusätzliches
Pipeline- Register 90 und
ein zusätzlicher
Selektor (Pfadumschaltschaltung) 91 zwischen dem Selektor 70 und dem
End-Pipeline-Register 81 vorgesehen. Das vorstehende, zusätzliche
Pipeline-Register 90 nimmt das Ergebnis einer Auswahl von
dem Selektor 70 auf und speichert es. Der vorstehende,
zusätzliche
Selektor 91 nimmt das Operationsergebnis 31 von
dem Kalkulator 30 und die jeweiligen Sätze von Daten, gespeichert
in dem Zwischenersten und zweiten) Pipeline-Register 40 und 60 und
in dem zusätzlichen Pipeline-Register 90,
auf, wählt
irgendeines der drei aus und gibt den ausgewählten einen aus. Der Ausgang 92 von
dem zweiten Selektor 90 wird zu dem End-Pipeline-Register 81 ausgegeben
und darin gespeichert. Die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 130 der 6 wird durch Vorsehen eines
Pipeline-Registers 30a in dem Kalkulator 30' zum Ausführen einer
Addition oder Subtraktion in einer Pipeline mit 2 Stufen erhalten.
In der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 140 der 7 ist ein erster Selektor 52 zwischen
dem ersten und dem zweiten Pipeline-Register 40 und 60 zwischengefügt und ein
zweiter Selektor 72 ist zwischen dem zweiten und dem End-Pipeline-Register 60 und 81 zwischengefügt. Der
vorstehende erste Selektor 52 nimmt das Operationsergebnis
von dem Kalkulator 30 und die Daten, gespeichert in dem
Pipeline-Register 40 der vorherigen Stufe (erste) auf,
wählt irgendeines
der zwei aus und gibt das ausgewählte
eine aus. Der vorstehende zweite Selektor 72 nimmt das
Ergebnis einer Auswahl von dem vorstehenden, ersten Selektor 52 und die
Daten, gespeichert in dem Pipeline-Register 60 der vorherigen
Stufe (zweite), auf, wählt
irgendeinen der zwei aus und gibt es zu dem End-Pipeline-Register 81 aus.
Der Kalkulator 30 in jeder der vorstehenden Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 120 und 140 der 5 und 7 kann aus dem Kalkulator 30' in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 130 der 6 aufgebaut sein. Um die
drei Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102,
dargestellt in 1, aufzubauen,
können
irgendeine oder einige der Verarbeitungsschaltungen 120 bis 140,
die vorstehend beschrieben sind, einzeln oder in Kombination verwendet
werden. Allerdings sollten, in dem Fall, bei dem einige der Verarbeitungsschaltungen 120 bis 140 in
Kombination verwendet werden, um die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 aufzubauen,
deren Pipelines dieselbe Zahl von Stufen haben.
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Als nächstes wird eine Beschreibung
der Ausführung
einer Operation der einzelnen Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
(100 zum Beispiel) vor einer Beschreibung angegeben, die in Bezug
auf das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät, dargestellt in 3, an gegeben wird, wo eine
Mehrzahl von Operationen parallel durchgeführt wird. Da die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen,
dargestellt in 4 bis 7, dieselbe Basisoperation
zeigen, wird eine Beschreibung nachfolgend in Bezug auf die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 der 4 als repräsentativ
angegeben.
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Die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 ermöglicht die
Ausführung
einer Datenverarbeitung mit drei Zeitabstimmungen, dargestellt in
den 8, 9 und 10.
In den 8 bis 10 werden jeweilige Zyklen
zum Darstellen der Zeitabstimmungen für die Pipeline-Verarbeitung
als erster bis fünfter
Zyklus bezeichnet, während
jeweilige Stufen in einer Hardware zum Darstellen eines Datenflusses
in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 als eine
Datenlesestufe, eine Operationsausführungsstufe, eine Durchgangs-(1)-Stufe
(Stufe für
den ersten Durchgang), eine Durchgangs-(2)-Stufe (Stufe für den zweiten
Durchgang) und eine Datenschreibstufe für die Vereinfachung der Darstellung
bezeichnet. Ein Datenprozess wird grundsätzlich in fünf Pipeline-Stufen ausgeführt. In
den 8 bis 10 ist die Zeitabstimmung
für die
Pipeline-Verarbeitung einem tatsächlichen
Datenfluss in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung zugeordnet.
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8 stellt
die Basisoperation, die am üblichsten
ist, der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 dar.
Die Datenverarbeitung (z. B. eine Operation C = A + B) wird wie
folgt ausgeführt:
der Selektor 70 wählt
den Ausgang von dem zweiten Pipeline-Register 60 aus. In dem ersten
Zyklus werden Daten A und B gelesen und in den jeweiligen Eingangsregistern 20 und 21 in
der Datenlesestufe gespeichert. In dem zweiten Zyklus wird die Operation A
+ B in der Operationsausführungsstufe
ausgeführt und
das Operationsergebnis C wird in dem ersten Pipeline-Register 40 gespeichert.
In dem dritten Zyklus führen
Daten (Operationsergebnis C) durch die Durchgangs-(1)-Stufe hindurch
und werden, so wie sie sind, in dem zweiten Pipeline-Register 60 gespeichert.
In dem vierten Zyklus führen
Daten (Operationsergebnis C) durch die Durchgangs-(2)-Stufe hindurch
und werden, so wie sie sind, in dem dritten Pipeline-Register 80 gespeichert.
Demzufolge wird, in den zwei Durchgangsstufen, keine Verarbeitung
in Bezug auf die Daten (Operationsergebnis C) durchgeführt, und
die Daten verschieben sich einfach zu den darauffolgenden Stufen
in Folge. In dem fünften Zyklus
wird das Operationsergebnis C in die Datenschreibstufe hinein geschrieben.
In 8 fließen die Daten
in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 ohne Stagnation.
-
In 9 wird
der erste Zyklus der Fünf-Stufen-Pipeline
als ein Dummy-Zyklus verwendet. Der Selektor 70 wählt den
Ausgang von dem ersten Pipeline-Register 40 aus. In dem
ersten Zyklus (Dummy-Zyklus) wird nichts ausgeführt, so dass sich die Pipeline
in einem Haltezustand befindet. Als Folge verschieben sich, gerade
dann, wenn die Zeitabstimmung zu dem darauffolgenden, zweiten Zyklus
fortschreitet, die Daten tatsächlich
nicht von der Datenlesestufe zu der darauffolgenden Operationsausführungsstufe.
Es tritt nicht auf, dass, bis zu dem zweiten Zyklus, die Daten A
und B in der Datenlesestufe gelesen werden und in den jeweiligen
Registern 20 und 21 gespeichert werden. In dem
dritten Zyklus wird die Operation A + B in der Operationsausführungsstufe ausgeführt und
das Operationsergebnis C wird in dem ersten Pipeline-Register 40 gespeichert.
In dem vierten Zyklus führt
das Operationsergebnis C durch die Durchgangs-(1)-Stufe hindurch
und wird in dem dritten Pipeline-Register 80 über den
Selektor 70 gespeichert. In dem fünften Zyklus wird das Operationsergebnis
C in die Datenschreibstufe hineingeschrieben. Kurz gesagt werden
die Daten von der Durchgangs-(1)-Stufe (d. h. das Operationsergebnis
C, gespeichert in dem ersten Pipeline-Register 40) im Bypass
an der Durchgangs-(2)-Stufe vorbeigeführt und verschieben sich zu
der Datenschreibstufe.
-
Hier sollte angemerkt werden, dass,
wenn der erste Zyklus ein Dummy-Zyklus ist, die Daten J und K für den darauffolgenden
Datenprozess (z. B. L = J + K) nicht in den zweiten Zyklus eingegeben
werden können.
In diesem Fall können,
da die Datenlesestufe nur in dem zweiten Zyklus erreicht wird, die darauffolgenden
Daten J und K nur dann eingegeben werden, wenn die Daten A und B
gleichzeitig Verschiebungen zu der Operationsausführungsstufe,
d. h. der dritte Zyklus, ausführten.
-
10 stellt
die Operation dar, wenn Dummy-Zyklen dem ersten und dem zweiten
Zyklus zugeordnet werden. Der Selektor 70 wählt den
Ausgang von dem Kalkulator 30 aus. In dem ersten und dem zweiten
Zyklus (Dummy-Zyklen) wird nichts ausgeführt, so dass sich die Pipeline
in einem Haltezustand befindet. Als Folge werden, gerade wenn die
Zeitabstimmung zu dem darauffolgenden, dritten Zyklus fortschreitet,
die Daten A und B nicht tatsächlich
von der Datenlesestufe zu der Operationsausführungsstufe verschoben. Es
erfolgt nichts, bis in dem dritten Zyklus die Daten A und B gelesen
werden und in den jeweiligen Registern 20 und 21 in
der Datenlesestufe gespeichert werden. In dem vierten Zyklus wird
die Operation A + B in der Operationsausführungsstufe ausgeführt und
das Operationsergebnis C wird in dem dritten Pipeline-Register 80 über den
Selektor 70 ge speichert. In dem fünften Zyklus wird das vorstehende
Operationsergebnis C in die Datenschreibstufe geschrieben. Kurz
gesagt führen
die Daten von der Operationsausführungsstufe
(Operationsergebnis C) im Bypass an der Durchgangs-(1)- und -(2)-Stufe
vorbei und verschieben sich zu der Datenschreibstufe.
-
Hier sollte angemerkt werden, dass,
wenn der erste und der zweite Zyklus Dummy-Zyklen sind, die Daten für den darauffolgenden
Datenprozess nicht eingegeben werden können, bis der dritte Zyklus
eingeleitet wird. In diesem Fall können, da der Datenlesezyklus
zum ersten Mal in dem dritten Zyklus erreicht wird, die darauffolgenden
Daten nur dann eingegeben werden, wenn sich die Daten A und B, die
gleichzeitig ausgeführt
sind, zu der Operationsausführungsstufe
hin verschieben, d. h. dem vierten Zyklus.
-
Als nächstes wird eine Beschreibung
der inneren Struktur des vorstehenden Befehl-Ausgabesteuerabschnitts 8 der 1 beschrieben. Wie in der Zeichnung
dargestellt ist, weist der Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8 auf:
einen Daten-Abhängigkeits-Erfassungsabschnitt 8a;
einen Ressource-Hazard-(Gefahr)-Steuerabschnitt 8b; und
einen Ausgabesteuerabschnitt 8c. Der vorstehende Daten-Abhängigkeits-Erfassungsabschnitt 8a nimmt
Informationen, erhalten über
die Decodierung einer Mehrzahl von (drei) Befehlen von dem vorstehenden
Befehl-Decodierabschnitt 7, auf und beurteilt, basierend
auf den Informationen, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
einer datenabhängigen
Beziehung zwischen den Datenprozessen (z. B. C = A + B, E = C +
D und G = E + F), angewiesen durch die drei Befehle. Der vorstehende
Ressource-Hazard-Steuerabschnitt 8b nimmt ein Signal auf,
das darstellt, dass irgendeine der vorstehenden Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 den
Dummy-Zyklus, dargestellt in den 9 und 10 (Dummy-Zyklus-Ausführungs-Signal),
ausführt,
beurteilt, dass dort ein Ressource-Hazard (eine Ressource-Gefahr) in Bezug
auf einen Empfang des Signals vorhanden ist, und gibt das Ressource-Hazard-Signal
zu dem Ausgabesteuerabschnitt 8c aus. Der vorstehende Ausgabesteuerabschnitt 8c beurteilt,
ob sich jede der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 in
dem ausführbaren
Zustand befindet oder nicht, in dem der Befehl ausführbar ist,
und beurteilt, ob weiter beurteilt worden ist, dass der Befehl ausführbar ist,
ob der vorstehende Dummy-Zyklus, dargestellt in den 9 und 10,
eingesetzt werden sollte oder nicht. Falls der Dummy-Zyklus eingesetzt
werden sollte, bestimmt der Ausgabesteuerabschnitt 8c die
Zahl von Dummy-Zyklen, die eingefügt werden sollen, und addiert die
Zahl zu dem Befehl hinzu und gibt einen Befehl oder eine Mehrzahl von
Befehlen zu dem vorstehenden Ausführungssteuerabschnitt 11 aus,
so dass der Befehl oder die Befehle in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
oder den -schaltungen in der ausführbaren Stufe ausgeführt werden.
-
Genauer gesagt beurteilt der vorstehende Ausgabesteuerabschnitt 8c,
ob sich die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 in
dem ausführbaren
Zustand befinden oder nicht, und zwar durch Prüfen, ob jede der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 einen
Dummy-Zyklus ausführt
oder nicht. Falls jede der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 keinen
Dummy-Zyklus ausführt,
beurteilt der Ausgabesteuerabschnitt 8c, dass sie sich
in dem Ausführungszustand befindet.
-
Das Einsetzen oder Nichteinsetzen
eines Dummy-Zyklus und die Zahl von Dummy-Zyklen, die eingesetzt werden sollen,
werden in der folgenden Art und Weise bestimmt. Zuerst wird beurteilt,
ob eine datenabhängige
Beziehung zwischen dem Datenprozess, der zuvor ausgeführt ist,
und dem Datenprozess, der darauffolgend ausgeführt werden soll, oder zwischen
einer Mehrzahl von Datenprozessen, die gleichzeitig ausgeführt werden
sollen, besteht. Falls keine datenabhängige Beziehung besteht, wird
bestimmt, dass die Zahl von Dummy-Zyklen 0 ist, was anzeigt, dass
kein Dummy-Zyklus eingesetzt werden sollte. Falls irgendeine datenabhängige Beziehung, anderseits,
vorhanden ist, wird die Zahl von Dummy-Zyklen, die eingesetzt werden
soll, wie folgt bestimmt: zum besseren Verständnis wird eine Betrachtung
für den
Fall angegeben, bei dem drei Datenprozesse C = A + B, D = E + C
und G = F + D in einer geordneten Folge ausgeführt werden, wie dies in 11 dargestellt ist. Die
Zahl von Dummy-Zyklen, die eingesetzt werden sollen, wird zuerst
für den
Datenprozess bestimmt, der mit der höchsten Priorität ausgeführt werden
soll, und wird dann sequenziell für die anderen Prozesse mit
niedrigeren Prioritäten
bestimmt. Falls die Zahl von Pipeline-Stufen des Kalkulators 30 in
der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung (die „1" in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
der 4 ist und die „2" in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
der 6 ist) zum Ausführen des
Datenprozesses D (oder G), der eine datenabhängige Beziehung mit dem vorhergehenden Datenprozess
C (oder D) besitzt, als a bezeichnet wird (anhand eines Beispiels
wird eine Beschreibung nachfolgend in Bezug auf die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
der 4 angegeben, in
der a = 1 ist), die Zahl der Dummy-Zyklen, die in Bezug auf den vorhergehenden
Datenprozess C (oder D) eingesetzt werden soll, der durch die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
ausgeführt
wird und in Bezug auf den der darauffolgende Datenprozess D (oder
G) datenabhängig
ist, mit b bezeichnet wird, und eine Differenz in den einleitenden
Zyklen der vorstehenden Datenprozesse, die eine datenabhängige Beziehung haben
(C und D oder D und G), als c bezeichnet wird, kann die Zahl x von
Dummy-Zyklen durch die folgende Gleichung berechnet werden: x = a + b – c.
-
In dem vorstehenden Beispiel, dargestellt
in 11, beträgt, da der
erste Datenprozess C = A + B keinen vorhergehenden Datenprozess
hat, von dem er datenabhängig
ist, die Zahl von Dummy-Zyklen „0". Wie für den zweiten Datenprozess
D = E + C, der eine datenabhängige
Beziehung zu dem ersten Datenprozess C besitzt, wird die Zahl b
von Dummy-Zyklen, die in den Datenprozess C eingesetzt werden soll, „0", und die Differenz
c in den einleitenden Zyklen der zwei Datenprozesse ist „0" (gleichzeitige Ausführung),
so dass die Zahl x von Dummy-Zyklen, die berechnet werden soll,
1 + 0 – 0
= 1 wird. Wie für den
dritten Datenprozess G = F + D, der eine datenabhängige Beziehung
in Bezug auf den vorhergehenden Datenprozess D besitzt, ist die
Zahl b von Dummy-Zyklen, die in den Datenprozess D, von dem der
Datenprozess G abhängig
ist, eingesetzt werden sollen, „1". und eine Differenz c in den einleitenden Zyklen
der zwei Prozesse ist „0" (gleichzeitige Ausführung),
so dass die Zahl x von Dummy-Zyklen, die ausgeführt werden soll, 1 + 1 – 0 = 2
wird.
-
Wie anhand von 11 ersichtlich werden wird, wird, von
den drei Datenprozessen C, D und G, der erste Datenprozess C mit
der Zeitabstimmung der 8 ausgeführt, der
zweite Datenprozess D, der eine datenabhängige Beziehung zu dem vorhergehenden
Prozess C besitzt, wird mit der Zeitabstimmung der 9 ausgeführt, und der dritte Datenprozess
G, der eine datenabhängige
Beziehung zu dem vorhergehenden Prozess D besitzt, wird mit der
Zeitabstimmung der 10 ausgeführt. Demzufolge können, gerade
wenn jeweilige Befehle, um die drei Datenprozesse C, D und G durchzuführen, die
eine datenabhängige
Beziehung dazwischen haben, gleichzeitig ausgegeben werden, sie
ohne Stagnation ausgeführt
werden. Die Datenprozesse C, D und G werden unter derselben Zeitabstimmung
abgeschlossen, so dass das Verfahren „In-Order" sicher ausgeführt wird.
-
In 1 nimmt
der Ausführungssteuerabschnitt 11 einen
Befehl, ausgegeben von dem Befehl-Steuerabschnitt 8c, auf
und bewirkt, dass eine der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102,
die durch den Befehl bezeichnet ist, den Datenprozess, angewiesen
durch den Befehl, ausführt.
Der vorstehende Ausführungssteuerabschnitt 11 steuert den
Selektor 70 der vorstehend bezeichneten Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
so, dass der Ausgang von dem zweiten Pipeline-Register 60 ausgewählt wird,
wenn die Zahl x von Dummy-Zyklen, die zu dem entsprechenden Befehl
hinzugefügt
worden sind, 0 ist, dass der Ausgang von dem ersten Pipeline-Register 40 ausgewählt wird,
wenn die Zahl x von Dummy-Zyklen 1 ist, und dass der Ausgang von dem
Kalkulator 30 (Operationsergebnis) ausgewählt wird,
wenn die Zahl x von Dummy-Zyklen 2 ist. Falls irgendeine der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 bis 102 einen
Dummy-Zyklus ausführt, überträgt der vorstehende
Ausführungssteuerabschnitt 11 ein
Dummy-Zyklus-Ausführungs-Signal
zu dem vorstehenden Ressource-Hazard-Steuerabschnitt 8b.
-
Als nächstes wird, unter Bezugnahme
auf 12, die Operation
des Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung einer komplizierteren Datenverarbeitungssequenz
beschrieben: C =
A + B (1)
E = C + D (2)
G = E + F (3)
J = H + I (4)
L = J + K (5)
N = L + M (6)
P = N + O (7)
S = Q + R (8)
U = S + T (9)
X = U + V (10).
-
Von diesen zehn Datenprozessen besitzt
jeder der Datenprozesse, mit Ausnahme der Datenprozesse (1), (4)
und (8), eine datenabhängige
Beziehung in Bezug auf den vorhergehenden Datenprozess.
-
In 12 werden
drei Befehle, um die Datenprozesse C, E und G durchzuführen, zuerst
decodiert und gleichzeitig ausgegeben. Der ersten Datenprozess C,
der zweite Datenprozess E und der dritte Datenprozess G schreiten
in den Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100, 101 und 102 jeweils
fort. Unter diesen existiert eine datenabhängige Beziehung zwischen dem
ersten und dem zweiten Datenprozess C und E, während eine datenabhängige Beziehung
auch zwischen dem zweiten und dem dritten Datenprozess E und G besteht.
Die Zahl x von Dummy-Zyklen, um in die Pipeline-Datenverarbei tungsschaltung 101 eingesetzt
zu werden, wird 1, da a = 1, b = 0 und c = 0 in der vorstehenden
Berechnungsgleichung gilt. Die Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 102 eingesetzt
werden soll, wird 2, da a = 1, b = 1 und c = 0 in der vorstehenden
Berechnungsgleichung gilt.
-
In dem ersten Zyklus werden drei
Befehle, um die darauffolgenden Datenprozesse J, L und N durchzuführen, decodiert.
Da die zwei Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 101 und 102 Dummy-Zyklen
ausführen,
werden Ressource-Hazard-Signale für diese Verarbeitungsschaltungen 101 und 102 erzeugt.
Hieraufhin wird nur ein Befehl, um den vierten Datenprozess J auszuführen, ausgegeben, so
dass der Datenprozess J in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 fortschreitet.
Da der vierte Datenprozess J keine datenabhängige Beziehung zu irgendeinem
der existierenden Datenprozesse C, E und G hat, ist die Zahl x von
Dummy-Zyklen 0 in der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 zum Durchführen des
Datenprozesses J.
-
In dem zweiten Zyklus werden die
anderen zwei Befehle, die nicht in dem vorhergehenden Zyklus ausgegeben
worden sind, und ein Befehl, um den siebten Datenprozess P durchzuführen, decodiert.
Da nur die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 102 einen
Dummy-Zyklus ausführt,
wird ein Ressource-Hazard-Signal für die Verarbeitungsschaltung 102 erzeugt.
Hieraufhin werden zwei Befehle, um den fünften und den sechsten Datenprozess
L und N durchzuführen,
ausgegeben, und die Datenprozesse L und N schreiten in den Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 und 101 jeweils fort.
Hier existiert eine datenabhängige
Beziehung zwischen dem vierten und dem fünften Datenprozess L und N,
während
eine datenabhängige
Beziehung auch zwischen dem fünften
und dem sechsten Datenprozess L und N existiert. Demzufolge wird
die Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 eingesetzt
werden soll, 0, da a = 1, b = 0 und c = 1 in der vorstehenden Berechnungsgleichung
gilt. Die Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 101 eingesetzt
werden soll, wird 1, da a = 1, b = 0 und c = 0 in der vorstehenden
Berechnungsgleichung gilt.
-
In dem dritten Zyklus werden der
andere Befehl, der nicht in dem vorherigen Zyklus ausgegeben worden
ist, und Befehle, um den achten und den neunten Datenprozess S und
U durchzuführen,
decodiert. Da nur die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 101 einen
Dummy-Zyklus ausführt,
wird ein Ressource-Hazard-Signal für die Verarbeitungsschaltung 101 erzeugt.
Hieraufhin werden zwei Befehle, um den siebten und den achten Datenprozess P
und S durchzuführen,
ausgegeben, so dass die Datenprozesse P und S in den Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 100 und 102 jeweils
fortschreiten. Hier existiert eine datenabhängige Beziehung zwischen dem
siebten und dem achten Datenprozess N und P. Demzufolge wird die
Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 eingesetzt
werden soll, 1, da a = 1, b = 1 und c = 1 gilt. Andererseits ist
die Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 102 eingesetzt
werden soll, 0, da keine datenabhängige Beziehung zwischen dem
siebten und dem achten Datenprozess P und S existiert.
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In dem vierten Zyklus werden der
andere Befehl, der nicht in dem vorherigen Zyklus ausgegeben worden
ist, und ein Befehl, um den zehnten Datenprozess X durchzuführen, decodiert.
Da nur die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 100 einen
Dummy-Zyklus ausführt,
wird ein Ressource-Hazard-Signal für die Verarbeitungsschaltung 100 erzeugt.
Hieraufhin werden zwei Befehle, um den neunten und den zehnten Datenprozess
U und X durchzuführen, ausgegeben,
so dass die Datenprozesse U und X in den Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 101 und 102,
jeweils, fortschreiten. Hierbei existiert eine datenabhängige Beziehung
zwischen dem achten und dem neunten Datenprozess S und U, während eine
datenabhängige
Beziehung auch zwischen dem neunten und dem zehnten Datenprozess
U und X existiert. Demzufolge wird die Zahl x von Dummy-Zyklen,
die in die Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 101 eingesetzt
werden soll, 0, da a = 1, b = 0 und c = 1 in der vorstehenden Berechnungsgleichung
gilt. Andererseits wird die Zahl x von Dummy-Zyklen, die in die
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 102 eingesetzt werden
soll, 1, da a = 1, b = 0 und c = 0 in der vorstehenden Berechnungsgleichung
gilt.
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In der vorliegenden Ausführungsform
fällt der
Zeitpunkt, zu dem alle Befehle, um zehn Datenprozesse durchzuführen, ausgegeben
worden sind, in den fünften
Zyklus, während
der Zeitpunkt, zu dem die Ausführung
aller Datenprozesse abgeschlossen worden ist, in den neunten Zyklus
fällt,
wie anhand der 12 ersichtlich
werden wird. Andererseits fällt, falls
die vorstehende Datenverarbeitungssequenz unter Verwendung des herkömmlichen
Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts
der 17 ausgeführt wird, der
Zeitpunkt, zu dem alle zehn Datenprozesse ausgegeben worden sind,
in den achten Zyklus, während der
Zeitpunkt, zu dem die Ausführung
aller Datenprozesse abgeschlossen worden ist, in den zehnten Zyklus
fällt,
wie in dem Zeitabstimmungsdiagramm der 13 dargestellt ist.
-
Aus einem Vergleich der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, dargestellt in 12, mit der herkömmlichen Ausführungsform,
dargestellt in 13, wird
ersichtlich werden, dass das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät in der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Vorteil gegenüber der herkömmlichen
Ausführungsform
im Hinblick auf die Leistung der Betriebsgeschwindigkeit besitzt.
-
(Zweite Ausführungsform
eines Pipeline-Datenverarbeitungsgeräts)
-
14 stellt
ein Pipeline-Datenverarbeitungsgerät, das eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, dar.
-
In der vorliegenden Ausführungsform
sind drei zusätzliche
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 103 bis 105,
die dieselbe Struktur haben, parallel in der Struktur der 1 vorgesehen. Jede der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltungen 103 bis 105 besitzt
einen Mehrfach-Eingang-Kalkulator 30'',
der drei oder mehr Eingänge
(drei Eingänge
in der Zeichnung) besitzt. In Übereinstimmung
mit dem Kalkulator 30'' mit 3 Eingängen sind
drei Dateneingangsanschlüsse 17 bis 19 und
drei Dateneingangsregister 20 bis 22, jeweils
zum Speichern von Daten, eingegeben zu dem entsprechenden Dateneingangsanschluss,
vorgesehen worden. Die Daten, gespeichert in den Dateneingangsregistern 20 bis 22,
werden zu dem vorstehenden Kalkulator 30'' mit
3 Eingängen eingegeben
und einer Addition oder Subtraktion unterworfen. Die anderen Komponenten
sind dieselben wie solche der Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung
der ersten Ausführungsform,
dargestellt in 4, so
dass die Beschreibung hiervon weggelassen wird, indem dieselben
Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet werden. In 14 bezeichnen die Bezugszeichen 9j bis 9r Register
in der Registerdatei 9.
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15 stellt
die Struktur eines grundsätzlichen
Bereichs eines Prozessors, umfassend das vorstehende Pipeline-Datenverarbeitungsgerät der 14, dar. Da die gesamte
Struktur des Prozessors ähnlich
zu der Struktur des Prozessors der vorstehenden ersten Ausführungsform,
dargestellt in 1, ist,
werden nur die unterschiedlichen Komponenten nachfolgend beschrieben.
Der Prozessor der 15 ist
gegenüber
dem Prozessor der 1 nur dahingehend
unterschiedlich, dass der Befehl-Ausgabesteuerabschnitt 8' mit dem Ausgabesteuerabschnitt 8c' versehen ist,
anstelle des Befehl-Ausgabesteuerabschnitts 8 mit dem Befehl-Steuerabschnitt 8c.
Der Befehl-Steuerabschnitt 8c' ändert eine Mehrzahl von Datenprozessen,
die ausgeführt
werden sollen, um so eine datenab hängige Beziehung zwischen den
Datenprozessen zu beseitigen. Zum Beispiel wird, in einer Mehrzahl
von (zwei) Datenprozessen, die die folgende, datenabhängige Beziehung C = A + B
D = E + C,dazwischen
haben, der letztere Datenprozess durch D = E
+ C = E + (A + B) = E + A + Bersetzt.
-
Danach wird ein Befehl, um den Datenprozess
D durchzuführen,
ausgegeben, so dass der Datenprozess D durch die vorstehende Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung 103,
die den Kalkulator 30'' mit 3 Eingängen besitzt,
ausgeführt.
Dementsprechend kann eine Mehrzahl von Datenprozessen, die ursprünglich eine
datenabhängige
Beziehung haben, gleichzeitig parallel wie eine Mehrzahl von Datenprozessen,
die keine datenabhängigen
Beziehung haben, ausgeführt
werden.
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Dementsprechend können, in dem Fall, bei dem
die folgenden sechs Datenprozesse, die eine datenabhängige Beziehung
haben, sie in dem Pipeline-Datenverarbeitungsgerät der vorliegenden Ausführungsform
ausgeführt
werden: C = A + B
D =
E + C
G = F + D
H
= I + G
J = K + H
L
= M + J,Befehle, um die sechs Datenprozesse auszuführen, die
eine datenabhängige
Beziehung haben, können ausgegeben
werden und können
gleichzeitig unter den zwei Effekten einer Beseitigung der datenabhängigen Beziehung
durch das Pipeline-Datenverarbeitungsgerät, das den Kalkulator 30'' mit 3 Eingängen besitzt, und eines Einsetzens
des Dummy-Zyklus, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ausgeführt werden.
-
Obwohl die vorliegende Ausführungsform den
Kalkulator 30'' mit 3 Eingängen für den Kalkulator 30 der
Pipeline-Datenverarbeitungsschaltung, dargestellt in 4, substituiert hat, wird
ersichtlich werden, dass der Kalkulator 30 jeder der Pipeline- Datenverarbeitungsschaltungen,
dargestellt in den 5, 6 und 7, durch den Kalkulator 30'' mit 3 Eingängen ersetzt werden kann.