「パイプラインって何？」
応用情報技術者試験でもコンピュータアーキテクチャ分野で頻出ですが、
- 並列処理と何が違うの？
- CPU高速化の仕組み？
- スループット？
- ハザードって何？
で混乱する人がかなり多いテーマです。
この記事では、
- パイプラインとは？
- なぜ高速化できるのか？
- ハザードとは？
- 試験での頻出ポイント
を5分で理解できるように解説します！
まず結論
パイプラインとは？
「命令処理を複数の工程に分けて同時進行する方式」
です！
超簡単にいうと
「工場の流れ作業」
なぜ必要？
CPUは命令を実行するとき、
命令取得
↓
解読
↓
実行
↓
結果保存
という手順を踏みます。
パイプラインなし
命令A 完了
↓
命令B 開始
↓
命令C 開始
問題
待ち時間が多い
パイプラインあり
命令A 取得
命令B 取得
命令C 取得
を工程ごとに重ねて実行。
イメージ
工場の流れ作業
工程1 → 工程2 → 工程3 → 工程4
製品A
製品B
製品C
CPUの場合
取得(IF)
↓
解読(ID)
↓
実行(EX)
↓
書込(WB)
パイプラインの効果
超頻出！
スループット向上
一定時間あたりの処理量増加
ポイント
重要！
1命令の処理時間はほぼ変わらない
速くなるのは
全体処理量
イメージ
処理時間
× ほぼ同じ
処理件数
↑ 増加
ハザードとは？
超頻出！
意味
パイプラインの障害
主な種類
- データハザード
- 制御ハザード
- 構造ハザード
データハザード
最重要！
原因
前命令の結果待ち
Aの結果必要
↓
まだ終わってない
制御ハザード
頻出！
原因
分岐命令
IF文
switch文
どこへ進むか
分からなくなる。
構造ハザード
重要！
原因
資源競合
同じ装置を
同時利用
ハザード対策
発展知識！
フォワーディング
結果を先渡し。
分岐予測
分岐先を予想。
パイプラインと並列処理の違い
超頻出！
| 比較 | パイプライン | 並列処理 |
|---|---|---|
| 対象 | 工程分割 | CPU分割 |
| イメージ | 流れ作業 | 人数増加 |
| 目的 | 効率化 | 同時実行 |
イメージ
パイプライン
↓
1人で流れ作業
並列処理
↓
複数人で作業
応用情報で超頻出
かなり狙われる👇
- スループット
- ハザード
- 分岐命令
- CPU高速化
- 流れ作業
よくあるひっかけ
「パイプラインで命令実行時間が短くなる」
→ ❌違う！
短くなるのは
全体処理時間
1分で復習！
パイプライン
流れ作業
効果
スループット向上
ハザード
- データ
- 制御
- 構造
超重要
分岐命令で性能低下
練習問題
問題
パイプライン処理の主な目的として最も適切なものはどれか。
ア 主記憶容量を増やす
イ 命令処理のスループットを向上させる
ウ データを圧縮する
エ 通信速度を向上させる
解答
正解：イ
解説
パイプライン処理は命令実行工程を重ね合わせ、CPUのスループットを向上させる技術です。
まとめ
パイプラインとは
「CPUの流れ作業」
効果
スループット向上
超重要
- 流れ作業
- ハザード
- 分岐命令
- CPU高速化
まずは、
「パイプライン＝工場のベルトコンベア」
このイメージを持つとかなり理解しやすくなります！
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