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JP3520611B2 - プロセッサの制御方法 - Google Patents

プロセッサの制御方法

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JP3520611B2
JP3520611B2 JP17067595A JP17067595A JP3520611B2 JP 3520611 B2 JP3520611 B2 JP 3520611B2 JP 17067595 A JP17067595 A JP 17067595A JP 17067595 A JP17067595 A JP 17067595A JP 3520611 B2 JP3520611 B2 JP 3520611B2
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純男 菊池
教安 森
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洋一 竹内
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Hitachi Ltd
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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に
おける消費電力の削減、高速実行、を行うためのプログ
ラミング言語のコンパイラにおける消費電力の制御方法
に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般に、マイクロプロセッサはCMOS回路
で構成されるため、プロセッサの消費電力はプロセッサ
のクロック周波数に比例して増加することとなる。この
ため、以下に示すように、これまでに幾つかの消費電力
削減方式が考案されている。 【０００３】(１)特開平3-51902の「データ処理装置」
では、ハードウェアによりプロセッサの負荷を検出し、
負荷が低い場合にプロセッサ全体のクロック周波数を低
く変更する手段を具備することによって消費電力を削減
する方式が述べられている。 【０００４】(２)特開平3-10306の「マイクロプロセッ
サ」では、パイプライン処理を行なうプロセッサにおい
て、命令をデコードした時点で、その実行に必要となる
機能ブロックを特定し、当該機能ブロックに対してのみ
クロックを供給する方式が述べられている。 【０００５】(３)特開昭61-98426の「クロック周波数切
替機能付マイクロコンピュータ」では、命令によりマイ
クロプロセッサ全体の動作周波数を切替可能とする手段
が述べられている。 【０００６】こうしたマイクロプロセッサへの入力クロ
ックの最大値は、同一のクロックを分配して使用する構
成を採ることが多いことから、一般に、各ハードウェア
資源を構成する回路間の遅延を考慮して、実行に矛盾が
生じないよう、動作周波数の最も低いハードウェア資源
の動作周波数に合わせて決定される。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】処理の負荷によってプ
ロセッサ全体のクロック周波数を変更する上記(１)およ
び(２)の従来技術では、プロセッサ全体のクロック周波
数を変更するため、プロセッサの負荷が低い処理に対し
てしか消費電力を削減することができないという問題点
があった。 【０００８】また、上記(１)および(２)の従来技術で
は、クロック発生装置の制御をハードウェアによって行
なわなくてはならないため、クロック制御のためのハー
ドウェアが複雑化するという問題点があった。 【０００９】また，上記(２)の従来技術では、命令で利
用しない機能ブロックへはクロックの供給を停止してし
まうので、クロック供給によって状態を保つような回路
に対して消費電力を削減することができないという問題
点がある。 【００１０】さらに、上記のように、従来のプロセッサ
の入力クロックは動作規格周波数の最も低いハードウェ
ア資源に合わせて設定され、当該回路を使用しない処理
を行なう場合でも、クロック周波数が低い周波数に限定
されてしまうという問題があった。 【００１１】本発明の目的は、ハードウェアを複雑化す
ることなく、処理の負荷が高いか低いかに関わらず、消
費電力を削減することを可能とし、かつ、高速に命令を
実行するためのプロセッサの制御を行うための命令を自
動的に生成する方法を提供することにある。 【００１２】 【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ため、本発明では、(１)CPUを構成するレジスタファイ
ルや演算器といったハードウェアを構成する各ハードウ
ェア資源に対するクロック入力を個別に命令によって制
御する機構をプロセッサに設け、(２)コンパイラによっ
て、プログラムの各命令の実行に必要とするハードウェ
ア資源をコンパイル時に検出し、この結果に基づいてプ
ログラムの実行に不要なハードウェア資源へのクロック
入力を停止あるいは低周波数に設定する命令を生成する
ことにより、実行性能を低下することなく、プロセッサ
の消費電力を低下させると共に、規格動作周波数の低い
ハードウェア資源を使用しない場合には、より高い周波
数で高速にプロセッサを動作させることを可能とする。 【００１３】 【作用】本発明のプロセッサ及びその制御方法によれ
ば、プロセッサの動作の実行に不要あるいは高速性が要
求されないハードウェア資源の周波数を、コンパイラが
個別に低く設定することにより、プロセッサ全体の消費
電力を低く押えることができる。この際、他のハードウ
ェア資源に対する入力クロックの周波数は影響を受けな
いので、プロセッサの処理速度を低下させることなく消
費電力を削減することができる。 【００１４】また、特定の周波数以上の入力クロックで
は動作しないハードウェア資源を利用する必要がない場
合には、他のハードウェア資源をより高速な周波数で動
作させることによりプロセッサの処理速度を向上するこ
とができる。 【００１５】上述のように、本発明ではプログラムの各
命令の実行に必要とするハードウェア資源をコンパイル
時に検出し、各ハードウェア資源の入力クロックの周波
数を命令によって制御する。このため、上記機能を実現
するためには、各機能ユニットのクロックを制御するク
ロック制御回路を追加し、各機能ユニットのクロックを
変更する命令を認識してクロック制御回路を動作させる
機能を命令デコーダに追加するだけであるので，多量の
ハードウェアは必要としない。 【００１６】 【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の一実施例
について説明する。本実施例では、適用対象として多長
形式の命令によって複数のハードウェア資源を同時ある
いは個別に制御可能なVLIW(超多長命令)形式のプロセッ
サを説明する。ただし、本発明はVLIW形式のプロセッサ
のみに適用対象を限定するものではなく、通常のRISCお
よびCISC型プロセッサへも適用できる。 【００１７】図１は本発明を適用したマイクロプロセッ
サの例である。プロセッサ100は、各ハードウェア資源
への入力クロックを制御するクロック制御回路101を有
する。複数のレジスタファイル103、演算器104、キャッ
シュメモリ105は、各々破線で表されるクロック入力に
よってクロック制御回路101に接続されている。また、
命令デコーダ102は、演算器104等を用いて通常のマイク
ロプロセッサと同様な命令の処理を行なうと共に、クロ
ック制御命令を認識した場合には、クロック制御回路10
1に、クロック変更対象のハードウェア資源の番号と変
更するクロックの周波数値あるいは周波数値を表す番号
を示す制御信号とを信号線106を通して送り、指定され
たハードウェア資源の入力クロックの周波数を変更す
る。 【００１８】このように、本発明ではこれらハードウェ
ア資源への入力クロック周波数を、クロック制御回路10
1を制御する命令を実行することにより個別に変更する
ことができることを特徴とする。 【００１９】図１に示すハードウェアにより、例えば、
メモリ参照を抑止する処理を実行する場合、クロック制
御回路101からキャッシュメモリ104への入力クロックを
停止あるいは低下する。上記のように、CMOSプロセッサ
の場合、消費電力はクロック周波数に比例して増加する
ため、これによりキャッシュメモリ104によって消費さ
れる電力を削減することができる。 【００２０】また、本実施例でキャッシュメモリ104の
最大動作周波数が100MHz、その他のハードウェア資源の
最大動作周波数が200MHzであるとすると、キャッシュメ
モリへのアクセスを行なう処理では各ハードウェア資源
の入力クロック周波数を100MHzとし、キャッシュメモリ
へのアクセスを行なう処理では、キャッシュメモリ以外
のハードウェア資源の入力クロック周波数を200MHzとす
ることにより、キャッシュメモリへのアクセスを行なう
必要がない処理では通常の２倍の速度で処理を行なうこ
とができる。 【００２１】図２はクロック制御回路101の１つの実施
例である。本実施例では、周波数の異なる複数のクロッ
ク発生器201が各ハードウェア資源202の入力クロック信
号線へ結合され、信号線１０６を介した命令によって選
択切替え可能なスイッチ２０３により相互に接続されて
いる。命令によりこれらの接続関係を切替えることによ
り、各ハードウェア資源の入力クロックを変更すること
が可能になる。また、ハードウェア資源202をクロック
発生器201と接続しなければ、当該ハードウェア資源の
入力クロックは停止状態となる。クロック制御回路101
を実現する際に、ここで述べた方法以外にも、複数種類
に分周可能なクロックをハードウェア資源毎に用意する
などの方法を用いることもできる。 【００２２】図３は指定ハードウェア資源の周波数を変
更する命令の一実施例である。この命令では、レジスタ
ファイル１０３、演算器１０４、キャッシュメモリ１０
５など、プロセッサを構成するハードウェア資源に対し
て、資源指定オペランド301で指定された資源の入力ク
ロック周波数を、クロック周波数指定オペランド302で
指定された周波数に変更する。 【００２３】本命令を特殊化した形態として、上記クロ
ック周波数を変更する命令で設定可能な周波数を例えば
０Hzとプロセッサ全体の最大動作周波数の２種に限定し
た場合、図４に示すような２つの命令を考えることもで
きる。図４の例では、資源指定オペランド403に指定し
たハードウェア資源に対するクロック入力を開始する命
令401と、資源指定オペランド404に指定したハードウェ
ア資源に対するクロック入力を停止する命令402によっ
て、あるハードウェア資源の使用を開始する前にクロッ
ク入力を開始し、ハードウェア資源の使用が終了した時
点でクロック入力を停止することにより、消費電力を削
減することができる。 【００２４】図５は、図３又は図４に示したクロック周
波数を変更する命令を生成するためのコンパイラの命令
生成部の構成図である。図５において、クロック周波数
変更命令の挿入部500は、クロック周波数変更命令を含
まない中間語503を入力し、クロックサイクル変更命令
を含んだ中間語505を出力する。ここで、資源利用表５
０４は、プログラム実行の何サイクル目でどの様なハー
ドウェア資源が利用されるかという情報を記録した表で
ある。クロック周波数変更命令の挿入部500では、資源
利用表作成部501によって入力中間語に対する資源利用
表504が作成され、表504を参照してクロック制御命令挿
入部502によってクロック周波数変更命令を挿入した中
間語505が生成される。 【００２５】図６は資源利用表５０４の例である。図６
で、横軸はクロックを制御可能なハードウェアの各資源
を表し、縦軸は実行の各サイクルを表している。図６
で、丸がついている欄は当該サイクルで当該ハードウェ
ア資源が使用されることを表している。 【００２６】図７は、図５の資源利用表作成部501のフ
ローチャートである。資源利用表作成部５０１において
は、まず、ステップ７０２で、中間語に含まれるの命令
を１つ選択し、ステップ７０３で、選択した命令がプロ
グラム実行の各サイクルで使用するハードウェア資源を
資源利用表５０４に記憶する。次に、ステップ７０４で
は、中間語に未処理命令が残っていればステップ７０２
を再度実行し、なければ処理を終了する(ステップ７０
５)。 【００２７】図８は、図５のクロック制御命令挿入部50
2のフローチャートである。クロック制御命令挿入部５
０２では、まず、ステップ801で処理を開始し、ステッ
プ802で未処理のハードウェア資源を１つを選択する。
ステップ803では、選択した資源に関して資源利用表を
参照して、当該資源が未使用であるサイクルの区間を求
める。ステップ804では、資源の未使用サイクルがクロ
ックの変更に要するサイクルよりも多いかどうか確か
め、資源の未使用サイクル数が多ければステップ805
へ、少なければステップ806へ制御を移す。ステップ805
では、求めた未使用区間の最初に当該ハードウェア資源
のクロック周波数を低下する命令を挿入し、未使用区間
の最後にクロック周波数を元に戻す命令を挿入する。ス
テップ806では、当該ハードウェア資源の未使用区間が
まだ残っているかどうか確かめ、残っていればステップ
803へ、残っていなければステップ807へ制御を移す。ス
テップ807では未処理のハードウェア資源が残っている
かどうか確かめ、残っていればステップ802へ制御を移
し、残っていなければステップ808へ制御を移して処理
を終了する(ステップ８０８)。 【００２８】例えば、図９(ａ)に示すようにハードウェ
ア資源Ａ、Ｂがクロック制御可能で、ループ902ではハ
ードウェア資源Ａのみを使用し、ループ入口901とルー
プ出口903ではハードウェア資源Ａ、Ｂを使用している
とすると、上記方法により資源利用表からループボディ
902では資源Bが利用されないことが分かるので、図９
(ｂ)に示すように、ループ入口の直前に資源Ｂのクロッ
ク周波数を低下する命令904が挿入され、ループ出口の
直後に資源Ｂのクロック周波数を元に戻す命令905が挿
入される。これにより、ループ902の実行中において、
ハードウェア資源Ｂによって消費される電力を削減する
ことができる。 【００２９】なお、クロック制御命令挿入部５０２の処
理では、未使用ハードウェア資源による電力消費を可能
な限り削減するよう、クロック制御命令を挿入している
が、同時実行可能な命令の制限からクロック制御命令の
挿入により実行サイクル数が増加してしまう場合もあ
る。このような場合には、図８のステップ805でクロッ
ク制御命令を挿入する際に、サイクル数が増加するか否
かを確かめれば良い。 【００３０】 【発明の効果】マイクロプロセッサを構成する各ハード
ウェア資源が処理に必要ない場合、各ハードウェア資源
の入力クロックをクロック変更命令によって変更して低
いクロックを設定することにより、消費電力を削減する
ことができる。また、一定サイクル以上では動作しない
ハードウェア資源を使用する必要がない場合には、当該
ハードウェア資源以外のハードウェア資源のクロック周
波数を高く設定することにより処理を高速化することが
できる。
【図面の簡単な説明】 【図１】本発明を適用したプロセッサの例である。 【図２】クロック制御回路の例である。 【図３】クロック制御命令の例である。 【図４】特殊化したクロック制御命令の例である。 【図５】コンパイラのクロックサイクル変更命令生成部
の構成図である。 【図６】資源利用表の例である。 【図７】資源利用表作成部のフローチャートである。 【図８】クロック制御命令挿入部のフローチャートであ
る。 【図９】クロック制御命令の使用例である。 【符号の説明】 101…クロック制御回路、102…命令デコーダ、103…レ
ジスタファイル、104…演算器、105…キャッシュメモリ
フロントページの続き (72)発明者 森 教安 神奈川県川崎市麻生区王禅寺1099番地 株式会社日立製作所 システム開発研究 所内 (72)発明者 西本 哲 神奈川県川崎市麻生区王禅寺1099番地 株式会社日立製作所 システム開発研究 所内 (72)発明者 竹内 洋一 神奈川県川崎市麻生区王禅寺1099番地 株式会社日立製作所 システム開発研究 所内 (56)参考文献 特開 平２−14308（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−127210（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−303445（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−62720（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−100522（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−286213（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06F 1/04 301 G06F 1/06

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】プログラムのコンパイル時に、多長形式の
    各命令の実行のために必要なプロセッサの各ハードウェ
    ア資源の利用状態をクロックサイクル毎に示すハードウ
    ェア資源利用表を作成し、前記ハードウェア資源利用表
    に基づいて、ある１のハードウェア資源の未使用サイク
    ル数がクロック周波数変更に要するサイクル数よりも大
    きい場合に、前記ある１のハードウェア資源に対する入
    力クロックのクロック周波数変更命令をオブジェクトコ
    ードに挿入し、前記クロック周波数変更命令を実行する
    ことを特徴とするプロセッサの制御方法。
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