パイプラインとハザードの試験問題への適用

パイプラインの計算問題は、理想サイクル数を先に出し、ストール・分岐ミス・資源競合の追加サイクルを後から足すと整理しやすい。性能向上率を問われる場合は、非パイプラインとの基準を揃える。

この単元で学ぶこと

k段パイプラインでn命令を理想処理するとk+n-1サイクルになる。実際にはハザードによる停止やフラッシュが入り、実効CPIは1より大きくなる。高速化率は比較対象の総時間を同じ単位へ揃えて求める。

理想サイクル数 k段パイプラインでn命令ならk+n-1サイクルが基本。最初の命令がk段を通過した後、理想的には1サイクルごとに完了する。

ストール加算待ちが発生したサイクル数を理想サイクル数へ追加する。データ依存や資源競合の影響を総時間へ反映する。

分岐ペナルティ分岐予測ミスなどで無効化・再取得が必要になった追加サイクル。分岐回数×ミス率×1回当たりペナルティで平均影響を求める場合がある。

実効CPI 総クロック数を実行命令数で割った平均クロック数/命令。理想CPI1にストール等の平均追加分が上乗せされる。

高速化率基準方式の実行時間を改善後の実行時間で割った比。同じクロック周期ならサイクル数の比で求められる。

「理想」と書かれている値と「追加損失」を混ぜない。まず理想サイクル数を求め、イベント回数×ペナルティを加算する。高速化率では分子・分母を逆にしない。

5段で100命令なら理想104サイクル。データ待ち8サイクル、分岐ミス4回×2サイクルなら合計120サイクル。実効CPIは120/100=1.2。

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