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１2. 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ALU5. 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• 最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 : (instruction fetch, F)– 命令デコード :(instruction decode, D)– 演算実行 :(execution, 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．　最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，最大のステージ数が決まる．

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