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計算機システム Ⅱ パイプライン処理. 和田俊和. 講義計画. 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
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計算機システムⅡパイプライン処理 和田俊和
講義計画 • 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．
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
4.2.1 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． • 構造ハザード • データハザード • 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．
4.3.1 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．
