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• 積極的な高速化 — パイプラインなど
  • 本質的な計算過程を高速化
    • 浮動小数点演算実行数の増加
    • 比較・移動操作実行数の増加
    • 演算操作実行数 = クロック周波数 × 同時実行の演算数
• 消極的な高速化 — コンパイラ・OSなどがやる高速化
  • 計算に伴うオーバーヘッドの削減
    • プロセッサの遊び時間の減少
      • パイプラインのバブル
      • メモリアクセスの待ち時間
    • 非本質的命令実行数の減少
    • OSの実行命令数の減少
    • ライブラリの実行命令数の減少
    • I/O待ち時間の減少

1. デバイスの高速化
2. 多数の素子を使って同時に実行できる数を増やす（アーキテクチャ）
3. メモリアクセス高速化
4. 並列性の利用

• CPU基本アーキテクチャの問題点
  • 5フェーズが逐次的に実行
  • CPU資源の一部だけが動作
  • 一命令に5〜10クロック

• 作業資源の有効利用
  • 縦方向の並列性
    • 1つ1つのステージの昨日が小さい（資源を必要としない）
    • プログラミングが容易（同期の問題）

• CPUのパイプライン ⇒ 各フェーズが1段が基本
• FFのセットアップ時間 + FFの出力遅延、2:1セレクタ時間
• 素子から見た性能限界
  • パイプライン段間の遅延時間の不均等
  • パイプラインレジスタの遅延時間とクロックのスキュー

• パイプラインの可変性
  • マルチサイクル実行命令
  • キャッシュメモリアクセス
• パイプライン段間の依存性/逆依存性
  • パイプラインハザードによる遅延
• ハードウェア量の増加、配線量の増加
  • 回路遅延時間の増大
  • 資源の競合 ⇒ 演算器、メモリポート、バス
• 制御回路の複雑化
  • 命令の前後の組み合わせ（シミュレーションが困難）
  • パイプライン段の分岐・合流・バイパス

• 基本方式 : In Order Issue , In Order Completion
  • Issue（命令実行） : 命令を実行パイプラインに投入 — Fetch, Decode
  • Completion（命令完了） : 命令結果を書き込み、命令パイプラインから除去 — Read, Exec, Write
  • 実行時間が可変の場合、投入に待ち合わせがあるとき(?)
• In Order Issue , Out Order Completion
  • 実行時間に合わせ、実行完了順が入れ替わる
    割り込みを含め、逐次実行と同じ結果を得ることが望ましい
• Out Order Issue , Out Order Completion
  • 実行時間に合わせ、開始、完了順が入れ替わる
    割り込みを含め、逐次実行と同じ結果を得ることが望ましい
• Out Order Issue , In Order Completion
  • 使われない、意味がない

下に行くほど（一番下は除いて）速度が速く、難易度が高く、シミュレーションが困難

命令間のさまざまな依存/競合関係でパイプライン実行が遅延 ↔ 正しくない実行結果

1. 命令間のオペランド依存関係
2. 命令間のオペランド逆依存関係
3. 制御依存関係
4. CPU内リソースの競合
   • 演算器
   • メモリポート
   • バスなどのCPU内部のデータ転送路

• 達成すべき状態
  • 逐次実行と同じ結果
  • 計算時間短縮
  • 少ないハードウェア、高速クロック
  
  ↓ ハザードを避ける
• バブル投入
• 投機的実行

• 構造ハザード
  • CPU内の資源の競合で実行が阻害される
  • 資源の確保方法が悪いとデッドロックが発生
    ↔
  • 資源確保を同時に
  • 資源確保に命令投入順の優先順位をつける
  • 回避するには
    • 競合する資源の多重化・多ポート化
      • メモリ — 命令とデータ分離 など
    • パイプラインバブルを入れる
• データハザード
  • 前後の命令間でのデータ依存関係・逆依存関係の不正
  • データ依存関係（RAW Hazard — Read After Write）
    • 先行する命令における書き込み完了前に、同一レジスタ・メモリからデータを読み出す
  • 回避するには
    • オペランドデータのバイパス
      — 実行フェーズの出力をレジスタ/メモリを解さず直接後続命令の入力オペランドとして使用
      • パイプライン上命令の出力レジスタ（メモリ）アドレスと、後続命令の入力レジスタ（メモリ）アドレスを比較
      • 一致する場合にセレクタを介してALUへ