平成年度

学士学位論文

自己タイミング型パイプライン機構におけるデータ転送制御回路に関する研究

別役 宣奉
指導教員

年

岩田 誠

月

日

高知工科大学 情報システム工学科

要 旨

自己タイミング型パイプライン機構におけるデータ転送制御回路に関する研究別役 宣奉

半導体集積化技術の発展の恩恵を受けて、これまで、集積化プロセッサの性能は著しく向上してきた。しかしながら、近い将来、極限集積化時代に突入すれば、現状のノイマン型処理方式では、クロック同期信号の配線が原因となり、高速化、集積化、省電力化の障害となることは明らかである。この問題を根本的に解決する手段が自己タイミング型パイプライン機構である。この方法は、配線を局所化でき、処理に本質的に必要な回路モジュールのみでしか電力を消費しないため省電力化が可能になると同時に、スループットの飛躍的向上も可能になるという優れた特徴を有している。
本論文は、この自己タイミング型パイプライン機構の最も基礎となるデータ転送制御回路の最適な適用法について検討を加えたものである。現行のデータ転送制御回路を複合化集積システムを構築する観点から再検討し、パイプライン内のデータ流量の変動が少ない機能モ
ジュールに適用可能な２つの高速回路構成を提案した。さらに、これらの回路と現行の回路をスループット性能およびパイプライン効率について比較し、各回路構成の得失に応じた適用法を示し、自己タイミング型パイプライン機構を用途に応じてより最適な回路で構成可能になることを示した。

キーワード

自己タイミング型パイプライン機構、データ転送制御回路、パイプライン効率、スループット、複合化集積システム

目次
第

章

序論

第

章

自己タイミング型パイプライン機構
緒言
自己タイミング型パイプライン機構の構成
自己タイミング型パイプライン機構の特質
結言

第

章

データ転送制御回路
緒言
データ転送制御回路の機能的考察
データ転送制御の基本理念
Ｃ素子実用化における

Ｃ素子の問題点

実用化レベルのデータ転送制御回路の用データ転送制御回路
各データ転送制御回路の比較
結言
第章

高速化データ転送回路とその適応領域
緒言
提案回路
結言

第

章

適応領域の検証と性能評価

例

目次

緒言
提案回路の適応領域
における適応領域
における適応領域
結果の考察
性能評価
結言
第

章

謝辞
参考文献

結論

図目次
自己タイミング型パイプライン機構の構成図
自己タイミング型パイプライン機構の動作図
Ｃ素子
実用レベルデータ転送制御回路の例

実用レベルデータ転送制御回路の入出力状態遷移図
用データ転送制御回路
用データ転送制御回路の入出力状態遷移図
データ転送制御回路
データ転送制御回路
データ転送制御回路の入出力状態遷移図

表目次
ノイマン型プロセッサとの比較

データ転送制御回路における基本論理の１例
Ｃ素子のデータ転送状態表
種類のデータ転送制御回路の比較
性能比較表

第

章

序論

近年、半導体技術の発達によって集積化プロセッサの性能は著しく向上している。しかし、極限集積化時代に突入すればノイマン型処理方式の根本的原理である集中制御による逐次処理そのものが高性能化の阻害要因になることが指摘されている。その理由としてはノイマン型処理方式ではシステム全体を制御するためのクロック信号をバス配線によって配信している。そのためシステム全体にわたるクロックスキュー（歪み）をクロック周期に対して完全に押え込む必要がある。そのためには①十分に長いクロック周期を用いる。②高電圧を用いる。などの要件が必要となってくる。①の問題ではクロック信号の高速化が阻害され②の問題では省電力化が阻害される。
素子の比例縮小によってトランジスタの動作速度は向上するが配線遅延時間は向上しない。そのためバスを介したデータ通信速度は相対的に遅くなる。さらにチップサイズが増大する傾向にあるためバス配線長が長くなり、さらにデータ通信速度が遅くなる。
ノイマン型のアーキテクチャにおいても機能モジュールの並列化やパイプライン化による処理スループット向上がはかられているが、集中制御による逐次処理を前提としたオ
ブジェクトコードの場合、複数の機能モジュールや深いパイプライン段を活性化するだけの並列度が得られず、性能向上に限界が生じる。
ここに挙げた問題点はすべてノイマン型処理方式の根源的な部分から派生しており従来のシステム実現手段のまま解決することは非常に困難である。
そこで、これらの問題点を原理的に解決可能な理想的なシステム実現手段として自己タイ
ミング型パイプライン機構が提案されている。

。２章で詳しく述べるが、この方式では

配線を局所化することができる。それによってクロックスキューやデータ転送速度に関する問題点を解消する。さらに、この方式では処理に本質的に必要な機能モジュールのみを駆動させるため、ノイマン型処理方式と比して格段に省電力化をはかる事ができる。自己タイミ
ング型パイプライン機構に対して制御駆動を用いたプロセッサ設計も提案されているが、自己タイミング型パイプライン機構と非常に親和性の高い処理方式であるデータ駆動方式（処理に必要なデータが機能モジュールに揃う事によって駆動する方式）を用いれば、この方式を前提としたオブジェクトコードを与える事によって複数の機能モジュールや深いパイ
プライン段に対して充分な並列度を得られる。これにより、飛躍的なスループットの向上をはかることができる。
上記のような利点を有する自己タイミング型パイプライン機構を基にしたシステムを実用化するにあたって、処理方式としてデータ駆動方式を採用し、すでにデータ駆動型
ルチプロセッサ（）

マが実用化されている。

本論文では自己タイミング型パイプライン機構において最も重要な要素回路であるデー
タ転送制御回路について新知見を述べるが、その比較回路としてデータ転送制御回路を用いる。

に採用されている

データ転送制御回路はあらゆるタイミングで到着するデータ流に対して転送制御が可能である。そのためデータ転送制御回路としては完全に機能を満足しているということができる。データ転送制御回路の機能については３章において詳しく述べる。
本研究の最終的に目指すところは、将来的な高速通信に対応すべくデータ転送制御回路の冗長性に着目し、これに比して同等の機能を保持し、かつトランジスタ数を削減し、同時にデータ転送回路自体のスループット性能やパイプライン効率を向上させることである。本論文では現在までの研究成果を活用して新知見を述べることとする。
現在、データ転送制御回路の機能を完全には保持することはできないものの、

データ流量がある程度安定であるという前提条件付きであれば、正常に動作し、トランジス
タ数削減および性能向上が実現可能な２つの回路を提案する。このことと、システムの要求仕様によってはデータ流量が非常に安定である個所が存在する。という２つの事項により、

用途に応じてより最適な回路構成が可能である事を示す。この事は４章において詳しく述べる。
加えて、５章では、４章で提案した回路が、どの程度のデータ流量の揺らぎならば正常に動作するかを明確に示し、その後データ転送制御回路と比して回路そのものの潜在性能について、その優位性を述べる。
最後に章において、提案した方式を用いる事によって、自己タイミング型パイプライン機構を前提とした複合化集積システムが最適に構築可能である事を、検証結果によって明らかにし、結論とする。

第章

自己タイミング型パイプライン機構

緒言
この章では、ノイマン型処理方式に根源的に内在する問題点を原理的に解決可能な理想的方式である自己タイミング型パイプライン機構について、その構成および特質を詳しく述べる。

自己タイミング型パイプライン機構の構成
自己タイミング型パイプライン機構の基本構成は図に示すように、パイプライン間で転送されるデータを保持するデータラッチ（フリップフロップの接続と考えることができる）、データ処理回路Ｐ 、ならびに、の開閉をハンドシェーク方式によって制御する

データ転送制御回路から構成される。

自己タイミングパイプライン機構の基本的な処理の流れとしては、図ようによりが有意なデータを保持していない場合データラッチにデータが転送される。また、図データが保持されており、かつの左側に示すの状態に関係なくの右側に示すようにに有意なに有意なデータが保持されている場合にははデータの転送を待機する。このことによってパイプライン中の任意の場所でデータ流が一時的に停止状態になったとしても、停止場所より後段のデータラッチにデータが順に詰められる事になり、停止が後段のデータ流に影響しない性質をもっている。上記したような自己タ
イミング型パイプラインにおけるデータ転送制御は実質的にはデ ータラッチに接続された自己タイミング型パイプライン機構の構成

図

自己タイミング型パイプライン機構の構成図

図

自己タイミング型パイプライン機構の動作図

データ転送制御回路によって行われている。データ転送制御回路は要求信号（と応答信号（パルス）

パルス）がデータ処理回路Ｐ の処理遅延時間と完全な同期を行ったうえで動作し、それに伴ってデータラッチに開閉信号を発生する。このことからデータ転送制御
回路は自己タイミング型パイプライン機構において最も重要な要素回路である。

自己タイミング型パイプライン機構の特質

自己タイミング型パイプライン機構の特質
前節において自己タイミング型パイプライン機構の構成および動作を明確にした。これをうけて本節ではノイマン型処理方式と比して有利な特質について述べる。
ノイマン型処理方式
制御方式

同期型制御

非同期型制御

駆動方式

制御駆動

データ駆動

配線長

冗長

局所化

集積化

困難

容易

クロックスキュー

高性能化に支障有り

支障無し

電力

高

低

並列化、パイプライン化

困難

容易

汎用性

高

低

表

ノイマン型プロセッサとの比較

ノイマン型処理方式ではバス配線によってシステムクロックを配信し、システム全体を同期させて駆動している。これに対して自己タイミングパイプライン機構では自己転送制御
回路の相互通信によって駆動している。したがって、自己タイミング型パイプライン機構ではバス配線を必要としない。このため配線の局所化が可能となりクロックスキューの発生確率が格段に低い。加えて、ノイマン型処理方式はクロックによって一斉にすべての機能モ
ジュールを駆動させるのに対して、自己タイミング型パイプライン機構は、現状態で処理に必要な機能モジュールのみを駆動させるため平均の消費電力が格段に低い。さらにはデータ駆動処理方式を採用することにより、この方式を前提としたオブジェクトコードを与える事
によって、複数の機能モジュールや深いパイプライン段を活性化させる並列度を得る事が容易となり、スループット性能の格段の向上が見込める。
ノイマン型処理方式を用いた一般的なプロセッサと自己タイミング型パイプライン機構を

結言用いたプロセッサであるについての比較を表に示す。

結言
本章において詳しく述べたように、自己タイミング型パイプライン機構はノイマン型処理
方式が根源的に抱える問題を理想的に解決しうるシステムである。反面、データ流量が疎であったり、並列化、パイプライン化が根本的に困難な仕様を持つシステムでは自己タイミン
グ型パイプライン機構の優位性が保てなくなり、汎用性が低いという問題点を有している。
しかし、画像処理、ルータなど比較的データ流量が多く処理の並列化、パイプライン化に期待を持てる分野においては、専用プロセッサとして格段に高い性能を示す潜在能力を有しており、次世代の高速データ処理の主役を担うシステムであるといえる。

第章

データ転送制御回路

緒言
２ ２で述べたように、自己タイミング型パイプライン機構のデータ制御はデータラッチに接続されたデータ転送制御回路によって行われている。自己タイミング型パイプライン機構が提案された当初の最も古典的な回路はＣ素子と呼ばれる回路であった。その後、データ転送制御回路の実用化に際して、システムの要求仕様に応じた機能を持つように拡張すべく様々な疑似Ｃ素子が考案された。本章では、データ転送制御回路が保持しておくべき機能について詳しく述べ、その後に採用されているデータ転送制御回路について検証を加える。

データ転送制御回路の機能的考察
データ転送制御の基本理念
データ転送制御回路は回路間のハンドシェークによってデータラッチの開閉を制御している。具体的には入力信号として後段からの転送要求信号（
号（
求信号（
は

があり、出力信号として前段への転送要求信号（と前段からの転送許可信と後段への転送要がある。全ての信号は１ビットデータであり、データラッチへの開閉信号信号と同論理もしくは逆論理とするため特に議論の対象としない。

データ転送制御回路の基本理念は前段からの転送許可信号と後段からの転送要求信号が入力（遷移）された時前段への転送要求信号および後段への転送許可信号を出力（遷移）すデータ転送制御回路の機能的考察

る。つまり２入力の信号遷移を受けて２出力を信号遷移させるような回路である。表にデータ転送制御回路における基本的論理の１例を示す。

表

データ転送制御回路における基本論理の１例

Ｃ素子に示したのはデータ転送制御回路の祖である

Ｃ素子である。

Ｃ素子

はデータ転送制御回路の基本的理念に沿った機能を有している。ここでは、

Ｃ素子

図の機能を通してデータ転送制御回路の基本的機能について検証する。基本的機能は４つのトランジスタによって構成されている。図信号と転送許可入力信号からも明らかなように転送要求入力

が同論理の時、転送要求出力信号及び転送許可出力信号が同時に遷移する構造となっている。ここでデータ転送をわかりやすくするためにＣ素子における信号状態について意味的前提条件を示す。

データラッチを起動する信号は転送要求出力信号
データのデータラッチへの入出力は転送要求信号
転送要求信号と同意である。よっての入出力と同意と考えてよい。

では、信号がである時、転送要求状態であり、 である時、転では、信号がである時、転送許可状態であり、 である時、転送

送待機状態である。
転送許可信号禁止状態である。
データ転送回路の種類によっては信号レベルの意味付けが上記の前提条件と異なる場合も存在するが、データ転送における信号の相対的関係は変わらない。

データ転送制御回路の機能的考察

図

これにより

Ｃ素子

Ｃ素子におけるデータ転送の状態は表のように表す事ができる。

続いて表に示す各状態について詳細に説明する。
①．データ転送制御回路はリセット時において接続されているデータラッチに有意なデータが保持されていない状態にならなければならない。よってリセット時には下記のような状態となる必要性がある。
データ転送要求入力信号

は要求待機状態である。

Ｃ素子ではデータ転送要求出力信号

は要求待機状態である。

Ｃ素子ではデータ転送許可入力信号

は許可状態である。

Ｃ素子ではデータ転送許可出力信号

は許可状態である。

Ｃ素子では

データ転送制御回路の機能的考察

初期状態ではデータの投入、すなわちデータ転送要求入力信号ている状態となる 表

では状態番号の遷移を待っ

。

状態番号

リセット時
リセット時
状態

出力

初期状態

要求信号及び

要求信号待ち

許可信号待ち

前出力を保持許可信号及び

許可信号待ち

データ転送状態

前出力を保持禁止信号及び

要求待機信号を発信

表

要求信号を発信

Ｃ素子のデータ転送状態表②．初期状態からデータがデータラッチに投入される事を考える。この時データの投入と同時にデータ転送要求入力信号が要求状態に遷移する
うけてデータ転送要求出力信号

→

。これを

が要求状態に遷移 前段のデータラッチにデー

タを投入）し、データ転送許可出力信号
番号

Ｃ素子では

が禁止状態に遷移する 表

では状態。この状態遷移によってデータの転送が行われる。

③．データがデータラッチに投入された時にデータ転送許可入力信号態であった場合を考える。この時、データ転送要求入力信号
するが、 出力は前状態を保持し遷移しない 表が要求状態に遷移

では状態番号

入を待機しており、この後データ転送許可入力信号

が禁止状。つまりデータの投が許可状態になったと同時にデータを投入する。
④．データを前段に投入した後、データ転送許可入力信号
タ転送要求入力信号が禁止状態となりデー

が待機状態となると、データ転送許可出力信号がデータ転送制御回路の機能的考察

許可状態に復帰しデータ転送要求出力信号が待機状態となる 表

番号が許可状態に復帰すると初期状態と。その後データ転送許可出力信号

では状態

なる。
データ転送制御回路の最も基本的なデータ転送の流れは、上記の状態遷移より①→②③→④→①のサイクルによって行われる。

実用化におけるに示したようにＣ素子の問題点
Ｃ素子はデータ転送制御回路の基本理念に基づいた機能を有しているため、データ転送制御回路の動作が非常に分かりやすく、データ転送制御回路の基礎を理解するのには最適である。しかし、次のような理由により、自己タイミング型パイ
プライン機構を実用化するには、致命的な問題点を有している。
の図の右側に示したように自己タイミングパイプライン機構では、前段のデータ

ラッチにデータが保持されている間データの転送を待機しなければならない。そのためには
次のようなつの要件がデータ転送制御回路に求められる。

データ転送許可入力信号が禁止状態の時データ転送要求入力信号

は転送待機状態でなければならない。
データ転送要求入力信号（が要求状態の時データ転送許可出力信号は禁止状

態でなければならない。
の要件は前段のデータラッチにデータが保持されている時データ転送を待機するということであり、 の要件は自段のデータラッチにデータが保持されている時は後段のデータラッ
チに対してデータ転送禁止の信号を与えるということである。
Ｃ素子では、１の要件は満たしているが、 の要件は部分的に満たしているに過ぎない。

の表で説明すると自段のデータラッチにデータが保持されている状態は状態番

号

である。

と

の場合にはデータ転送許可出力信号るため要件を満たしているが、は禁止となっていは前状態と同じ出力状態になっているためデータ転送許データ転送制御回路の機能的考察

可出力信号
状態が

は前状態に依存する。つまり、前状態がならば問題はないが、前であると、自段にデータを保持しているにも関わらずデータ転送許可出力信号が許可状態となってしまう。
つまり、想定される状況としては、自己タイミング型パイプライン機構において、データ
ラッチに挟まれた各データ処理回路の遅延時間に格差があった場合、データがデータラッチに順に詰められる状況が起こり得る。この時、Ｃ素子では、前段にデータが保持されており、かつ 自段にデータが保持されていても後段へのデータ転送許可出力信号が許可となっているのでデータが投入され続ける。しかし、自段のデータラッチにはデータがすでに保持されているため、結局、データが消失することになる。
このことより、Ｃ素子が安定に動作するのは、完全に安定したデータ流量が保証されている時のみ、ということになる。これは、データラッチ間の各処理回路がまったく同等の遅延時間でなければならない事を示し、かつ、パイプライン中のデータ流に対して操作を加える事ができない事を示す。実際にはこのようなシステムは存在しないので実用化が非常に困難である。この問題を解決し、データ転送制御回路を実用化できるレベルまで改良す
るには、入出力の前状態によって、１種類の入力状態に対して２種類の出力状態を持つような状態遷移をするシステムが必要となる。このようなシステムは順序回路であり、記憶素子が必要であることが即座に想像できる。

実用化レベルのデータ転送制御回路の実用化レベルのデータ転送制御回路は、最低らない。つまり、の図例で示した問題を解決されてなければなで示した２つの動作を完全に実現できる必要がある。図に示すのは実用化レベルに改良されたデータ転送制御回路の一例である。このデータ転送制御
回路は力ゲートのクロス配線によって構成されたフリップフロップと単独の入ゲートによって構成されている。このデータ転送制御回路の動作は次の様なものであるが 注意しなければならないのは、のＣ素子とは、データ転送要求信号の論理が逆になっている所である。すなわち、 で要求状態、 で要求待機状態である。

データ転送制御回路の機能的考察

図

初期状態では実用レベルデータ転送制御回路のＣ素子と同じ意味的状態となっている。データ転送要求信号

は待機状態でデータ転送許可信号

は許可状態である。

初期状態からデータ転送要求入力信号の入力が例

が要求状態になると、 入力となり、データ転送要求出力信号（の出力はが要求状態となる。 入力

フリップフロップの入力にフィードバックされているので、一定のゲート遅延後、データ転送要求出力信号（は自動的に要求待機状態に戻る。一方データ転送許可出力

はデータ転送要求入力信号が要求状態になると同時に禁止状態となり後段のデータ転送を禁止する。その後、データ転送要
求入力信号

が、自動的に要求待機状態になると、許可状態となり後段のデー

タ転送を禁止する。
前段のデータラッチにデータが保持されていて自段にデータが保持されていない場合、
つまり、データ転送要求入力信号
出力信号は要求待機状態であり、データ転送許可

が禁止状態であるような場合である。この時、データ転送許可出力
は許可状態なので後段からデータが投入される可能性がある。このような状

況の時、データ転送要求入力信号が要求状態になると、 入力の出データ転送制御回路の機能的考察

力は変わらないのでデータ転送要求出力信号方、データ転送許可出力信号

は待機状態のままである。一は禁止状態となる。つまり、自段にデータを保持した後、後段に禁止信号を発信している。
は初期状態の説明である。 は通常のデータ転送の様子の説明である。 はげた、
図

Ｃ素子の実用化の問題点を解決している事の説明である。
は図に示したデータ転送制御回路の入力と出力の関係を示している。

図

図

で取りあ

実用レベルデータ転送制御回路の入出力状態遷移図

は入力に対して出力がどう変化するかを示している。通常のデータ転送はのサイクルで行われ、データが順に詰めていく時は先頭のデータ転送制御回路に→→の変化が後段に順に伝播していき、の変化がおこるとデータが順に流れ出すシステムである。このデータ転送制御回路では出力状態

はデータを保持している間データ転送許可出力信号が許可状態となる事を示しており、これはデータ転送制御回路の基本理念に反するため、存在しないように回路構成されている。よってこの回路は自己タイミングパイプライン機構が要求する機能を完全に満たしている事になる。

データ転送制御回路の機能的考察

しかし、システムの仕様によってはデータ転送要求入力信号

やデータ転送許可

信号が様々なタイミングで到着することが考えられる。それを踏まえて、図入力が誤作動を起こすタイミングの範囲で到証すると、構成されているゲートの性質から着する事が考えられる。図データ転送は送中に一定時間

入力の回路を検を使用して具体的に説明すると次のつとなる。

の出力によって決定されている。この回路ではデータ転

入力

の入力が

が禁止状態（信号レベルに揃う。この間にデータ転送許可入力信号になるとデータ転送要求信号のパルス幅が短くなって誤作動を起こす可能性がある。
フリップフロップの

入力である

と

が両方信号レベルになるとフリップフロップが禁止状態となり、出力に発振 連続的にパルスが発生する事 が起こり、その事によって誤動作が起きる。具体的にはデータ転送中のなっている間に次のデータ転送要求入力信号が信号レベルにが要求状態になる、等が考えられる。
図の回路は、理論上は自己タイミングパイプライン機構の機能を完全に満たしているが、非常に複雑なデータ到着間隔に対しては誤作動を起こすタイミングの領域が存在する。
よって、データの分岐や合流といった複雑なタイミング、つまりはデータ流を要求されるよ
うなシステムには使用できない。したがって現在実際のシステムには採用されていない。しかし、逆の発想をすれば、データ流量が比較的安定であるようなシステムでは応用が可能である、というのが今回の論文の主張するところであるがそれについては、 章、 章において詳しく述べる。

用データ転送制御回路
現在、実際にデータ駆動型マルチプロセッサ
路を図

に示す。

に採用されているデータ転送制御回で述べたように複雑なタイミングを要求されるシステムではどのようなタイミングでも正常に動作する自己転送制御回路が要求される。

の内部では

データ転送制御回路の機能的考察

データの分岐や合流が頻繁に行われるため、データ転送制御回路に要求される機能は非常に高度なものである。そのため図のデータ転送制御回路は複雑な入力のタイミングに柔軟に対応できる構成となっている。

図

用データ転送制御回路

用データ転送制御回路は、これまで述べてきたような自己タイミング型パイプラ
イン機構に必要な機能は完全に有している。また
によって、データ転送要求入力信号

つのフリップフロップとデータ転送許可入力信号の到着タイミングのずれによって起こる誤動作を完全に押え込んでいる。このことから、用データ転送制御回路はあらゆるシステムに対して適用可能であり、機能的には完成された
データ転送制御回路である。
図に示したのは、データ転送要求信号の要求、待機をそれぞれ、転送許可信号の許可、禁止をそれぞれ、とし、データとした時の入力＞の状態遷移を表したものである。この図によれば即座にと出力＜用

データ転送制御回路の具体的な信号遷移が理解できるであろう。
本研究の最終目標は、データ転送制御回路としての機能を完成させた用データ転送制御回路に注目し、この回路に比して、省電力で同等の機能を有しかつ、トランジスタ数

各データ転送制御回路の比較が少なく、高速に動作するデータ転送制御回路を開発することである。しかし、トランジス
タを削減すると機能が保証できなくなるという困難な問題を含んでいるため、今回の論文では、そこまでの研究成果は報告できない。しかし、以後、引き続き研究を行う予定である。

図

用データ転送制御回路の入出力状態遷移図

各データ転送制御回路の比較
これまで、自己タイミング型パイプライン機構においてのデータ転送制御回路の機能について、Ｃ素子、実用化レベルデータ転送制御回路の回路のそれぞれ

例、

用データ転送制御

種類の回路を例に述べてきた。この節では大局的な観点から

タ転送制御回路を比較する。

種類のデー各データ転送制御回路の比較

まず、実用化の観点から比較すると、Ｃ素子はデータをデータラッチに順に詰めておく事ができないので、実用化することは非常に困難である。実用化レベルデータ転送制
御回路の例は誤動作を起こす入力タイミングが存在するため複雑なシステムへの適用は難しい。しかし、データ流量が比較的安定なシステムには適用可能と考えられ、そのような要求仕様のシステムでは実用可能である。

用データ転送制御回路は機能的に完成しており、どのようなシステムでも実用可能である。
次に、消費電力はトランジスタ数に依存するため、それぞれを比較すると、子では極小、実用化レベルデータ転送制御回路の例では中程度、Ｃ素

用データ転送制

御回路は大となる。
次に、データ転送回路自体の性能は回路の素子遅延に依存するため、それぞれを比較すると、

Ｃ素子では高速、実用化レベルデータ転送制御回路の例では中速、用

データ転送制御回路は低速となる。
次に、製造コストであるが、これもトランジスタ数に依存するため、それぞれを比較すると、

Ｃ素子では低、実用化レベルデータ転送制御回路の

例では中、

用デー

タ転送制御回路は高となる。
これらの比較を表に示す。
Ｃ素子

実用化レベルデータ転送制御
制御回路の

例

用データ転送
制御回路

実用性

×

△

○

消費電力

低

中

高

回路性能

高

中

低

製造コスト

小

中

大

表

種類のデータ転送制御回路の比較

この事から、実用化の面を除けば、トランジスタ数が少ない事は他の全ての面において非常に大きなメリットとなることがわかる。

結言

結言
本章では、 種類のデータ転送制御回路について検証を加えた。その事により、Ｃ

素子は実用化の面であまりにも不完全であり使用できないが、実用化レベルデータ転送制御
回路の例はデータ流量が安定なシステムでは、上手く活用できる可能性があり、上手く活用できれば

用データ転送制御回路よりも高性能を実現できるであろう事が判明した。次章において本論文の提案内容でもあるデータ流量が比較的安定なシステムにおいての最適なデータ転送制御回路の適用について述べる。

第章

高速化データ転送回路とその適応領域

緒言
近年、光ファイバー通信等、超高速通信が行われるようになってきた。しかし光ファイ
バー自体の通信速度は非常に高速であるが、データ処理システムとのインタフェース部分の処理速度が低速であるため光ファイバーの性能を十分に反映できない事態が起こっている。
このインタフェース部分に自己タイミング型パイプライン機構を基にしたシステムを使用したと仮定すると、光ファイバー通信のインタフェース部分での要求仕様から、次のような事がいえる。
光ファイバーから流れてくるデータは１ビットシリアルであるため、データ処理システ
ムのインタフェース部分では、データラッチ間のデータ処理時間よりも、むしろデータ
転送制御回路の回路遅延が処理性能を決定するような場合が想定される。
流れてくるデータ流量は、ほぼ一定であるため、複雑なタイミング仕様をデータ転送制
御回路に設ける必要がない。
この事から章で示した、実用化レベルデータ転送回路の路が適用可能であり、める事ができるはずである。

例のようなデータ転送制御回

用データ転送制御回路と比較しても格段に性能の優位性を認

提案回路

本章では、上記のような前提条件の基、タ数が少なく高速転送が可能な用データ転送制御回路よりもトランジス

つの回路を提案し、その回路構成及び、動作、加えてデー

タ流量に対する回路の適応領域について述べる。

提案回路
つめの提案回路は章において、実用レベルデータ転送制御回路として取り扱った回路である。この回路は、用データ転送制御回路の改良前の回路である。以下この回路をとする。この回路の詳しい動作については すでにる。もう一つの回路との比較のために図図に改めて示す。

章において綿密に述べてあについての動作はすでにデータ転送制御回路章において述べたので、この回路が適応できるデータ流量について述べる。
ここで、データ流量とは、データ転送制御回路のデータ転送要求入力信号が要求状態になってから次の要求状態になるまでの時間によって決まると定義する。
データ転送要求入力信号が要求状態から待機状態になるまでの時間は十分短いとすると、誤動作が起こるタイミングは

章で述べたつの場合のみであり、これ以外のタ提案回路

イミングでデータが到着した場合は正常に動作する事が分かった。
図は今回の提案用に、の回路にデータ転送許可入力信号のタイミン

グのずれを吸収する配線を追加した新たなデータ転送制御回路である。以下とする。

の回路は配線を追加した事によって、回路の適応領域を拡大したものである。加えて、フリップフロップのが、入力状態が禁止になったとしても、出力が不安定にはなるの回路のように発振現象は起こさない。このため回路としての安全性が増しているのは明らかである。どのように適応領域が広がっているのかは章において詳しく述べる。
との回路の動作の変更点は、以下の点である。
がデータ転送要求入力信号の要求信号の入力で前段へのデータ投入を駆動するのに対して、

は待機信号の入力でデータ投入を駆動する。

が必ずデータ投入後に後段への許可信号を発信するのに対して、はデー

タ投入中に許可信号を発信することができる。

図

データ転送制御回路

ではデータ転送要求入力信号の要求状態と要求待機状態の間の時間が十分短くないと正常に動作しなかったが、 の要件によって、にはその制約がない。し

結言

たがって

では

に遅延を挿入し自由にパルス幅を調整できる利点がある。しかし、今回は非常に高速に投入されるデータを前提にしているため、本論文ではの遅延は考えず、最小のパルス幅によって回路の適応領域および性能について分析する。
の要件は、遅延素子の適応を最適に行う事によって、性能を高めることができることを示している。

の入出力状態遷移を図

図

ここで、

示す。

データ転送制御回路の入出力状態遷移図

が誤動作を起こす原因はプフロップへの禁止入力による誤動作ととまったく同じである。つまり、フリッの入力タイミングによるパルス幅の変化である。

結言
本章では、次世代の高速通信等に対応すべく データ流量が安定ならば前節で示したの回路がつ用データ転送制御回路に比して性能、コスト、電力について遥かに優位性を示す事を主張するものである。この事を前提に応領域について分析する。

章において性能評価、および、回路の適第章

適応領域の検証と性能評価

緒言
本章では

章において提案したつの回路に関してその適応領域とデータ転送制御回路自体の潜在性能について分析した結果を示す。潜在性能においては用データ転送制御回路を比較の対象とする。
準備として、の素子遅延時間をαの素子遅延時間をγ

入力

入力の素子遅延時間をβ

入力の素子遅延時間をσとする。

明らかに、これらの素子遅延時間の間にはα＜β＜γ＜σの関係が成立する。

提案回路の適応領域
における適応領域
本節では、緒言で定義した素子遅延時間を用いてデータ転送制御回路の適応領域について分析する。
ここで、適応領域とは回路が誤動作を起こさないデータ投入間隔であると定義する。
上記に基づき、誤動作を起こし得る状況を次のように定義する。
フリップフロップにおける
入力

の入力が

が入力される。

入力が状態となる。

のときデータ転送許可入力信号の禁止信号

提案回路の適応領域

ここでデータ投入間隔とはデータ転送要求入力信号の要求
号遷移時間の事である。

→待機の回路においては要求

→待機

→要求

間の信

間の信号遷移時間は、→要

回路のフィードバック遅延によって決定する。よって定数α＋β＋γである。待機
求間の信号遷移時間はシステムによって変化する時間なので、これを変数Δ

とおく

は、

と、データ投入間隔

＝α

β

γ

Δ

となる。
次にフリップフロップの入力がにならない様なデータ投入間隔について分析する。

あるデータが投入されてからそのデータの影響によって図のはデータ投入から考えて、α＋γの間である。つまりこの時

β＋γから

α＋

β＋

が

になっている時間

間間隔の間には次のデータを投入する事ができない。よって条件
＞

β＋

γ

の誤動作は抑制される。

が成立する時上記定義
次に上記定義α＋の誤動作が起こらないデータ投入間隔について考える。データ投入から考えて、そのデータの影響によって、データ転送入力信号が禁止になるまでの時間は変数時間 図のの遅延で任意に設定可能 を一方、データ投入から考えて、 入力
β＋γから

α＋

β＋

と置くと

の入力が

α＋

β＋γ＋

である。

となっている時間間隔はα＋γまでである。このことから、

条件

＞ γーβ
を得る事ができる。ここでの時間が十分に長く次のデータ投入の影響で誤動作が起きる

場合を考える。次のデータの影響によって、 入力
間隔はデータ投入間隔
ら

α＋

β＋

を使うと

γ＋Δ

＝α β γ Δの入力がなのでの間である。この時間領域とα＋となっている時間

α＋

β＋

β＋γ＋

γ＋Δ

が交わると誤動作を起こす事になる。よって
α＋

β＋

γ＋Δ

＜

α＋

β＋γ＋

＜

α＋

β＋

か

γ＋Δ

提案回路の適応領域

したがって
ーαー

γ＜Δ

＜

＋βーγ

これより
＋βーγ＜
となり、

と

＜

＋α＋

β

の間にこの関係がある時誤動作を起こす。結論としては、データ投入間隔

が＞であり、かつ

と

α＋

β＋

γ

の間に
＋βーγ＜

＜

＋α＋

β

の関係が成立しない時正常に動作する。

における適応領域
においてもとまったく同様の前提条件、手法で適応領域を示すため、詳細な導出仮定は省く。
結論として、

では、データ投入間隔＞α＋であり、かつ

と

が
γ

の間に
＋βーα＜

＜

＋α＋β＋γの関係が成立しない時正常に動作する。

結果の考察
、

共に導出された式はデータ投入間隔と任意に設定できる遅延素子との関係を表している。 つの回路をシステムに適用させるには、システムのデータ投入間隔の平均値に対して導出された式を基に遅延素子を設定すればよく、データ流量が安定であれば、安全に動作させることができる。

性能評価

性能評価
本節では

用データ転送制御回路について回路のもつ潜在性能について比較検討する。ここでの性能とは、スループット性能、パイプライン効率、トランジス
タ数の事である。
スループット性能とは単位時間当たり幾つのデータを処理できるかを示すものであり、自己タイミング型パイプライン機構においてはデータ投入間隔の逆数となる。パイプライン効率とはデータがデータラッチに入ってから出ていくまでの時間と出ていってから入ってくるまでの時間の比率であり、これが高いほどパイプラインが効率良く機能していることにな
る。表にそれぞれの性能を示す。この表からも明らかなように、数スループット
α＋

表

β＋

γ＋２σ

は、ス

稼働率
＜

α＋

β＋

γ

＝

α＋

β＋

γ

＞

性能比較表

ループット性能、パイプライン効率、トランジスタ数全てにおいて

用データ転送制

御回路に比して高い潜在性能を持っているといえる。

結言
本章においては「比較的安定した、データ流量であれば、本論文が提案した２つの回路が用データ転送制御回路に比して高性能である。」という主張の信頼性の高さを素子遅延時間をパラメタとして、パイプラインのスループット、稼働率を稼働率を導出することにより、定量的に明らかにした。

第

章

結論

半導体集積化技術の革新的発展により、プログラム処理ユニットだけでなく他の様々な機能システムも合わせてチップ内に組み込むいわゆる複合化集積システムの実現が期待されており、この技術を応用できれば、多岐の機能を有し、非常に高速な処理を行うことのできる携帯機器等の実現が可能になる。
上記に示したような、高速処理を行うことができ、かつ携帯可能な機器を従来のノイマン
型アーキテクチャを採用したシステムによって実現すると、以下のようなボトルネックにより効率良いシステム構築が非常に困難であると考えられる。
システムの駆動における消費電力が大きいため、それによる発熱を抑制する機器が別に必要となり、機器そのものの小型化を困難にする。
消費電力が大きいため、携帯機器が実用的に使用可能な動作時間を保証するだけの電源を確保する事が困難である。
この問題を自己タイミング型パイプライン機構を採用したシステムが理想的に解決可能である事は、すでに序論で述べたとおりである。よって、自己タイミング型パイプライン機構を採用したシステムがより半導体集積化技術の成果を反映できるシステムであり、複合化集積システムとの親和性が非常に高いといえる。
これを受けて、本論文では、より一般的な複合化集積システムにおいて、自己タイミング
パイプライン機構を採用する事を前提として、チップ内部の回路をより効果的に構築するために、データ転送制御回路の最適な適用法を考察した。つまり、携帯通信機器等において、外界との入出力インタフェース処理回路がプログラム処理ユニット等と合わせてチップ

内に構成されるとすると、その入出力インタフェース処理回路に適用するデータ転送制御
回路はプログラム処理ユニット等に適用するデータ転送制御とはまったく異なった要求仕様をもっている場合があり、その要求仕様毎に最適なデータ転送制御回路を適用する必要がある。
上記に述べたような観点から、実際に本論文が設定したシステム要求仕様は、データ流量は安定であるが非常に高速な処理が要求されるようなシステムについてであり、これに関してつのデータ転送制御回路を提案し、それらの提案した回路が、設定したシステム要求仕様に対して現存の回路より遥かに優位性を示す事を述べ、本手法の信頼性の高さを素子遅延時間をパラメタとして、パイプラインのスループット、稼働率を導出することにより、定量的に明らかにした。
今後、通信処理機能モジュール等への応用を通して本手法の有効性を実証すると同時に、他のシステム要求仕様に対しても最適な手法を考案し、理想的なシステム構築を目指す。
さらに、将来的な研究テーマとして、次のようなものを予定している。
プログラム処理ユニットに使用されるデータ転送制御回路について、様々なアプローチ
によって最適化を試みる。具体的には、（ ）ゲートよりも更に抽象度の低いトランジスタレベルによって回路構築を試みる。。
（ ）複雑な機能を持ったデータ処理回路、データラッチ、データ転送制御回路のつを大きな一つのモジュールととらえ、全体として最適な回路構築を試みる。
等が挙げられる。
複雑なデータの分岐、合流が起こるシステム要求について、より最適にデータ転送制御
回路を適応することで効率の良い回路構成を目指す。具体的には、（ ）データ転送制御回路自体を今より多岐な判断ができるように改良し、複雑なシステ
ム要求に対応可能なようにする。現在のデータ転送制御回路の入出力データを多ビットに拡張し幾つかの行き先をもつ用にすれば、複雑なデータ分岐を１つのデー
タ転送制御回路によって行える可能性があり、複雑なデータ分岐処理をより最適な回路構成で行うことができる。
（ ）最適化した幾つかのデータ転送制御回路を組みあわせて、複雑なデータ分岐、合流に適応できるようにする。この場合、組み合わせたデータ転送制御回路に新しく機能を追加できれば便利であるので、その事を考慮して最適化する。
等が挙げられる。

つのデータ転送制御回路を

謝辞
本研究に於いて懇切なる御指導、御鞭撻を賜った岩田 誠助教授に心より感謝の意を表します。
本研究を進めるに当たり、適切な御助言、御指導を賜った大森 洋一助手に深く感謝の意を表します。
日頃から温かい御支援、並びに御助言を頂いた大学院学生の細美 俊彦氏に感謝の意を表します。
日頃から御支援頂いた岩田研究室の方々、森川 大智氏、橋本 正和氏、古家 俊之氏、前田庸亮氏、森安 亮氏、刈屋 文彦氏 に感謝の意を表します。

参考文献

村松剛司 畠山 耕一 宮田 宗一 自己同期型転送制御回路

公開特許平

岩田 誠 宮田 宗一 寺田 浩詔 自己タイミングスーパパイプライン型データ駆動型プ
ロセッサ

信学論