Transcript CS2-8

計算機システムⅡ
パイプライン処理
和田俊和
講義計画
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コンピュータの歴史１
コンピュータの歴史２
コンピュータの歴史３
論理回路と記憶，計算：レジスタとALU
主記憶装置とALU，レジスタの制御
命令セットアーキテクチャ
演習問題
パイプライン処理（←本日）
メモリ階層：キャッシュと仮想記憶
命令レベル並列処理
命令実行順序の変更
入出力と周辺装置：DMA,割り込み処理
演習問題
現代的な計算機アーキテクチャの解説
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
•
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•
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 （実行時間）
単位時間当たりに製造される車の台数 1/T
（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 1 / Tが決まる．
max
N
N
NT - åT = å (T - T )
i
max
i=1
max
i
i=1
• 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