コントロールストア

コントロールストアの基礎知識

コントロールストアはCPUの制御装置の一部を形成し、マイクロプログラムを保存するための特別な記憶装置です。この装置は、プロセッサが命令を実行する際の管理や制御を行うために設計されています。

歴史的背景

コントロールストアの起源は1947年にさかのぼります。当時のWhirlwindコンピュータに使われた「プログラムタイミングマトリックス」がその先駆けとされています。初期のプロセッサでは、ダイオードの配列を用いたROM形式で実装されることが多く、その後、IBMのSystem/360メインフレームでも使用されました。このシステムでは、リードオンリーのコントロールストアを採用し、後のSystem/370では高速RAMを利用した書き換え可能なコントロールストアが登場しました。

この進化により、IBMはマイクロプログラムのバグを迅速に修正することが可能となりました。初期のリードオンリーのコントロールストアでも、オプションとしてユーザーがマイクロプログラムを更新できる書き換え可能なストアを提供することが一般的でした。

機能と設計

コントロールストアは、次のマイクロ命令を出力するためのレジスタを持っています。シーケンサは、実行したマイクロ命令の結果を基に次のアドレスを決定します。このプロセスでは、レジスタを通じて競合状態を防ぎながら作業が行われます。

多くの設計では、その他の情報もレジスタを介して処理されます。もし次のマイクロ命令の実行が1サイクル遅延される場合、全体のマシンのパフォーマンスは向上するといったトレードオフがあります。このとき使用されるレジスタは「パイプライン・レジスタ」と呼ばれます。

実行すべき次のマイクロ命令は現在のマイクロ命令の実行結果に依存するため、その結果が決定されるまで待つ必要があります。実際には、コントロールストアの出力を一つの大きなレジスタに統合することで、次の命令を確実に処理できるようになります。かつては、このレジスタとEPROMを一つのチップに統合した設計もありました。

クロック信号とサイクルタイム

システム全体のサイクルタイムを決定するクロック信号は、主にこのレジスタを駆動する役割を果たしています。したがって、コントロールストアの設計や実装は、システム全体のパフォーマンスに大きな影響を及ぼします。高性能なプロセッサを実現するためには、コントロールストアの設計の最適化が欠かせません。

まとめ

コントロールストアは、コンピュータアーキテクチャにおいて重要な役割を果たす要素です。その歴史的背景やさまざまな設計戦略について知識を深めることで、コンピュータ技術の進化を理解する手助けとなるでしょう。

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