パイプラインとハザードを理解する

命令パイプラインは、1命令を複数段階へ分け、異なる命令の段階を重ねて処理することでスループットを高める。理想状態と、ハザードによる停止・やり直しを分けて考える。

この単元で学ぶこと

k段パイプラインでは、最初の命令が完了するまでkサイクル程度かかるが、その後は理想的には1サイクルごとに1命令を完了できる。依存関係、資源競合、分岐などでこの理想が崩れる。

パイプライン命令処理を複数段へ分け、複数命令を段階的に並行処理する方式。 1命令のレイテンシより全体のスループット改善が主目的。

データハザード後続命令が先行命令の結果を必要とし、まだ利用できないため起こる競合。フォワーディングや待ちで対処することがある。

制御ハザード分岐などで次に実行すべき命令が確定しないため起こる問題。分岐予測やフラッシュで影響を減らす。

構造ハザード同じハードウェア資源を同時利用しようとして起こる競合。資源の複製やスケジューリングで軽減できる。

ストールハザード回避のためパイプラインの進行を一時停止すること。待ちサイクルが増えるため実効CPIが悪化する。

理想k段パイプラインでn命令を処理する基本式はk+n-1サイクル。そこへ問題文で与えられたストール数や分岐ペナルティを加える。ハザード種類は「データ依存・分岐・資源競合」のキーワードで分類する。

5段パイプラインで10命令を理想的に処理するなら5+10-1=14サイクル。途中で合計3サイクルのストールが入れば17サイクルになる。

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