バレルプロセッサー

バレルプロセッサは、サイクルごとに実行スレッドを切り替えるCPUです。このCPU 設計手法は、「インターリーブ」または「細粒度」のテンポラル マルチスレッドとも呼ばれます。最新のスーパースカラーアーキテクチャの同時マルチスレッドとは異なり、通常、1 サイクルで複数の命令を実行することはできません。

プリエンプティブ マルチタスクと同様に、各実行スレッドには独自のプログラム カウンターとその他のハードウェア レジスタ(各スレッドのアーキテクチャ状態) が割り当てられます。バレル プロセッサは、通常 1 つの実行スレッドを数千万サイクル実行し、その間他のすべてのスレッドは順番を待つプリエンプティブ マルチタスクマシンとは異なり、各スレッドがnサイクルごとに 1 つの命令を実行することを保証できます。

C スローイングと呼ばれる技術は、シングルタスク プロセッサ設計から対応するバレル プロセッサ設計を自動的に生成できます。この方法で生成されたnウェイ バレル プロセッサは、元のシングルタスク プロセッサのn 個の個別のマルチプロセスコピーのように動作し、それぞれが元の速度のおよそ 1/ nで動作します。 ^{[引用が必要]}

バレル プロセッサの最も初期の例の 1 つは、 CDC 6000 シリーズスーパーコンピュータの I/O 処理システムでした。これらのシステムは、10 個の異なる仮想プロセッサ (周辺プロセッサと呼ばれる) のそれぞれから 1 つの命令(または命令の一部) を実行してから、最初のプロセッサに戻りました。^[1] CDC 6000 シリーズには、 「周辺プロセッサは、まとめてバレル プロセッサとして実装されます。各周辺プロセッサは、他の周辺プロセッサとは独立してルーチンを実行します。これらは、バス マスタリングまたは直接メモリ アクセスの前身です。」 と書かれています。

バレル プロセッサの導入の動機の 1 つは、ハードウェア コストを削減することでした。CDC 6x00 PPU の場合、プロセッサのデジタル ロジックはコア メモリよりもはるかに高速であるため、10 個のプロセッサではなく、PPU 用に 10 個のコア メモリ ユニットが個別に用意されていますが、それらはすべて単一のプロセッサ ロジック セットを共有しています。

もう一つの例はHoneywell 800で、8つのレジスタグループがあり、最大8つの同時プログラムを実行できる。各命令の後、プロセッサは（ほとんどの場合）順番に次のアクティブなプログラムに切り替えた。^[2]

バレルプロセッサは、大規模な中央プロセッサとしても使用されています。Tera MTA （1988） は、コアあたり128スレッドの大規模バレルプロセッサ設計でした。^{[3] [4] MTAアーキテクチャは、2012年に最初に導入され（YarcData uRiKAとして）、データマイニングアプリケーションを対象とした}Cray Urika-GDなどの後継製品で継続的に開発されてきました。^[5]

バレル プロセッサは組み込みシステムにも使用されており、決定論的なリアルタイムスレッド パフォーマンスに特に役立ちます。

初期の例としては、ナショナル セミコンダクターが 1981 年に発表した4 ビット COP400の「デュアル CPU」バージョンが挙げられます。このシングルチップマイクロコントローラには、命令、メモリ、およびほとんどの IO デバイスを共有する、一見独立した 2 つの CPU が含まれています。実際には、デュアル CPU は 1 つの 2 スレッド バレル プロセッサです。このプロセッサは、アーキテクチャ状態を格納するプロセッサの特定のセクションを複製することで動作しますが、 ALU 、バス、メモリなどの主要な実行リソースは複製しません。A (アキュムレータ)、B (ポインタ レジスタ)、C (キャリー フラグ)、N (スタック ポインタ)、および PC (プログラム カウンタ) を複製して、個別のアーキテクチャ状態を確立します。^[6]

もう 1 つの例は、コアあたり 8 つのスレッドを持つ 4 ステージ バレル プロセッサであるXMOS XCore XS1 (2007) です ( XMOSの新しいプロセッサも同じタイプのアーキテクチャを備えています)。XS1 は、イーサネット、USB、オーディオ、制御デバイス、および I/O パフォーマンスが重要なその他のアプリケーションで使用されています。XS1 を「XC」言語でプログラムすると、ソフトウェア制御の直接メモリ アクセスを実装できます。

バレル プロセッサは、8 スレッドのUbicom IP3023 ネットワーク I/O プロセッサ (2004)などの特殊なデバイスにも使用されています。Padauk Technology の一部の 8 ビットマイクロコントローラには、コアあたり最大 8 スレッドのバレル プロセッサが搭載されています。

シングルタスク プロセッサは、キャッシュ ミスやパイプライン ストールが発生すると、アイドル状態が長く続き、何も役に立たなくなります。シングルタスク プロセッサよりもバレル プロセッサを使用する利点は次のとおりです。

• 停止したスレッドが待機している間に、他のスレッドで有用な作業を実行する機能。
• n深度のパイプラインを備えたnウェイ バレル プロセッサの設計は、シングルタスク プロセッサの設計よりもはるかに簡単です。これは、バレル プロセッサにはパイプライン ストールがなく、フィードフォワード回路も必要ないためです。
• リアルタイムアプリケーションの場合、バレル プロセッサは、他のスレッドに何が起こっても、他のスレッドが無限ループでロックしたり、ハードウェア割り込みによって継続的に中断されたりしても、「リアルタイム」スレッドが正確なタイミングで実行できることを保証できます。

バレルプロセッサにはいくつかの欠点があります。

• コストのかかるオフチップ コンテキスト スイッチを回避するために、各スレッドの状態はオンチップ (通常はレジスタ) に保持する必要があります。これには、一般的なプロセッサと比較して多数のレジスタが必要です。
• すべてのスレッドが同じキャッシュを共有する必要があり、システム全体のパフォーマンスが低下するか、実行スレッドごとに 1 つのキャッシュ ユニットが必要になり、トランジスタ数が大幅に増加して CPU のコストが増加する可能性があります。ただし、バレル プロセッサがよく使用されるハード リアルタイム 組み込みシステムでは、メモリ アクセス コストは通常​​、最悪のケースのキャッシュ動作を想定して計算されるため、これはあまり問題になりません。^[要出典] XMOS XS1などの一部のバレル プロセッサにはキャッシュがまったくありません。

• スーパースレッディング
• コンピュータのマルチタスク
• 同時マルチスレッド(SMT)
• ハイパースレッディング
• ベクトルプロセッサ
• クレイXMT

• ソフト周辺機器 Embedded.com の記事で Ubicom の IP3023 プロセッサを検証
• ガンマ60の設計評価
• 歴史と建築 du Gamma 60 (フランス語と英語)