計算機システムⅡ  パイプライン処理  

和田俊和

講義計画 1.  コンピュータの歴史１ 2.  コンピュータの歴史２　 3.  コンピュータの歴史３　 4.  論理回路と記憶，計算：レジスタとALU 5.  主記憶装置とALU，レジスタの制御 6.  命令セットアーキテクチャ 7.  演習問題 8.  パイプライン処理（←本日） 9.  メモリ階層：キャッシュと仮想記憶 10.  命令レベル並列処理 11.  命令実行順序の変更 12.  入出力と周辺装置：DMA,割り込み処理 13.  演習問題 14.  現代的な計算機アーキテクチャの解説 15.  総括と試験 •  教科書：坂井修一著：電子情報通信学会レクチャーシリーズＣ−９，コンピュータアー

キテクチャ，コロナ社 •  終回の試験によって成績評価を行う．５回以上欠席で不合格とする．

本日の講義の範囲

３．１　命令パイプライン

4.1.1　パイプラインの原理

•  自動車製造の工程（ステージ）数N  •  各工程（ステージ）の所要時間（全工程で同じ）T  •  1台の自動車作成に要する時間　N×T  •  単位時間当たりに製造される車の台数 1/T  

 

（実行時間）

（スループット）

4.1.2  命令パイプラインの基本

•  一つの命令の処理時間：　N×T  •  スループット：　1/T  –  命令フェッチ:  (instruc0on  fetch,  F)  –  命令デコード:(instruc0on  decode,  D)  –  演算実行:(execu0on,  E)  –  結果の格納:(write  back,  W)  

4.1.3  基本命令パイプラインの実現

•  図2.12をパイプライン実行順序に従って（ステージ毎に）書き直したもの

基本命令パイプラインの実現（続き）

•  各ステージ間でデータを保持しないといけない．パイプラインレジスタの導入

4.2  基本命令パイプラインの阻害要因

4.2.1  オーバヘッド

•  阻害要因１．　 も時間のかかるステージの処理時間で全体のスループット が決まる．  

•  阻害要因2．　パイプラインレジスタによる遅延.  – できるだけ高速なレジスタを使うことが唯一の解決

策．  – これによって， 大のステージ数が決まる．

NTmax − Tii=1

N

∑ = (Tmax −Ti )i=1

N

∑

1/Tmax

4.2.2  ハザード(hazard)

•  阻害要因３．　命令をクロック毎にパイプライン動作させられない状態を「パイプラインハザード」もしくは「ハザード」と呼ぶ．  

1.  構造ハザード  2.  データハザード  3.  制御ハザード

4.2.3  構造ハザード(structural  hazard) •  コンピュータの内部構成が原因のハザード．  例:命令フェッチと，メモリの読み書きが同時に実行できない場合に，下記のようなストールが起きる．これは，命令メモリとデータメモリの区別がなく，並列アクセスが出来ない場合などに起きる．  

資源の多重化によって，解決が可能である．

4.2.4  データハザード(data  hazard) •  命令間の依存関係(dependency)が原因のハザード．  例:命令Aで生成されるデータが命令Bで使われるケース．(producer-­‐consumer関係)  

Ｎ＝５で，4ステージなので，８クロックで終了するはずだが，  16クロック必要になる．

データハザードの他の例

•  2命令離れてもデータハザードは起こりうる．  

（ステージ数−１）間離れた命令の間では，データハザードは起こらない．  左図の場合，8クロックで終了する筈の処理が，10クロックかかっている．

4.2.5  制御ハザード •  分岐命令とそれ以降の命令間には「制御依存」

の関係がある．4ステージの場合，制御依存により，分岐命令後に3クロックのストールが起きる．

4.3  ハザードの解決方法

4.3.1  フォワーディングによる  データハザードの解消

•  データの依存関係は消せないが，直前の命令のEステージの結果が，直後の命令で参照できれば解消できる．

フォワーディングが組み込まれた  パイプライン

直後の命令のEステージで，直前の命令のEステージの結果が参照できるようになる．

4.3.2  命令アドレス生成のタイミング •  無条件分岐の場合，Dステージ直後にＰＣを更新

すれば制御ハザードが緩和できる．  •  条件分岐では使えない．

4.3.3  遅延分岐

分岐のあるなしにかかわらず，実行する命令を「遅延分岐命令」の直後に入れておくと，ストールが防げる．

4.3.4  分岐予測

•  分岐するかどうかを予測して実行し，「予測が外れた場合に分岐命令以下の命令を破棄する」方法．  

 •  外れた場合，F,D,Eステージに入っている命令をフ

ラッシュする．

分岐予測 •  固定予測  •  命令アドレスが小さくなる方を予測  •  動的予測  右の状態遷移図に  従って動作する．    この状態遷移を各  分岐命令毎に管理  するために，分岐  命令アドレスでイン  デックス付けされた  分岐履歴テーブル  を持つ．飽和カウンタ

2レベル適応予測器

•  各分岐命令毎に，過去の分岐の有無を記録した「大域分岐履歴レジスタ」を持っておき，この履歴のパターン毎に，飽和カウンタによる予測を行う．

4.3.5  命令スケジューリング

•  依存関係にある命令を，プログラム中で出来るだけ離した位置に置くように並べ替える．

本日の講義の範囲