コンピュータシステム約 3 分 853 字

CPU 命令とパイプライン

命令サイクル (フェッチ→デコード→実行) と、それを並列化するパイプラインの仕組み・ハザードを整理。

CPU は AP コンピュータシステム分野の出発点。命令サイクル (フェッチ→デコード→実行) と、それを並列化するパイプラインの仕組みを押さえます。

砂原ニコ

CPU って中で何してるの?

緒方ナオミ先生

基本は『命令フェッチ → 命令デコード → 実行』のサイクル。
これを 1命令ずつ順番にやるのが古典的な動作よ。

鳴海理央

このサイクルを段階的に重ねるのがパイプライン。
命令1がデコード中に、命令2がフェッチを始める、という具合に並行処理して、見かけの命令スループットを向上させます。

藤咲まりあ

重なって動かしてるんですねぇ。
何か問題は出ないんですかぁ?

鳴海理央

はい、発生します。
これらを総称してハザードと呼びます。
データハザード (前の命令の結果に依存)・制御ハザード (分岐) ・構造ハザード (資源競合) の3種ですね。

緒方ナオミ先生

分岐ハザードは分岐予測で軽減。
当たれば高速、外れたらパイプラインを破棄してやり直し。
投機実行のような技術と組み合わせて性能を上げる代わりに、Spectre/Meltdown のようなセキュリティ問題も生んだわ。

確認クイズ

CPU パイプラインで『データハザード』が発生する典型的なケースはどれか。

こたえを見る

正解: 1. 後続命令が前命令の結果を入力として必要とする

データハザードは『後続命令が前命令の結果を入力として必要とする』場合に発生。フォワーディングやストールで対処します。2 は制御ハザード、3 は構造ハザード。

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