CPU パイプラインは、コンピューターの中央処理装置 (CPU) における一連の処理ステージです。ステージは通常、フェッチ、デコード、実行、および書き戻しです。 パイプラインは、ほとんどの CPU の基本的な設計要素であり、その目的はパフォーマンスを向上させることです。命令の処理を別々の段階に分割することにより、CPU は複数の命令を同時に処理し続けることができます。 これは並列処理または並列処理として知られており、パフォーマンスを大幅に向上させることができます。ただし、複雑さが増すという犠牲が伴い、命令を順不同で実行する必要がある場合は、遅延 (パイプライン ストールと呼ばれる) が発生する可能性があります。
この投稿では、説明します コンピュータ プロセッサ パイプラインとは .中央処理装置 (Central Processing Unit の略) は、コンピューターの重要な部分であり、脳のように機能します。そして、私たちはすでにそれを知っています。しかし、CPU を効率的にする技術については、私たちが知らないかもしれません。これらのテクニックの 1 つは、 パイプライン .知りたい場合 パイプライン化された CPU とは何か、パイプライン化によって CPU のパフォーマンスがどのように向上するか 次に、この投稿を読んでください。
コンピューターの CPU パイプラインとは
コンピューター サイエンスでは、命令は、プログラムによって中央処理装置に与えられるコマンドです。これは、CPU が理解して実行する機械語コードで構成されています。例: |_+_|情報を RAM に格納するように CPU に指示するために使用される命令です。 パイプラインはテクニック 最新のプロセッサの開発に使用されます。これ 全体的なコマンド スループットが向上します (1 秒あたりに実行される命令の数) CPU が並列処理できるサブタスクに命令を分割することによって。
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パイプライン プロセッサとは
パイプライン化された CPU はパイプライン化の原則に基づいて動作し、一連の命令を多数のサブタスクに分割し、各サブタスクが 1 つの操作を実行します。パイプラインには 2 つのエンドポイント: 入口と出口 . 1 つのサブタスクの出力が次のサブタスクの入力に接続されるように、これらの端の間にいくつかのサブタスクが蓄積されます。したがって、パイプライン化された CPU は同時に複数のサブタスクを実行します。
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パイプライン処理はプロセッサのパフォーマンスをどのように向上させますか?
一般に、CPU は次の場合に命令をブレークできます。 4 つのサブタスク （非常に基本的なレベルで）：
- 持っていく – メモリから命令をフェッチします。
- 解読する - デコード命令。
- 満たす - 命令の実行。
- 書く – 結果をメモリに書き戻す。
今仮定します CPU には、これらの各サブタスクを実行するための専用ブロックがあります。 . 1 つのブロックがサブタスクを実行している間、残りの CPU ブロックはアイドル状態になり、その間何もしません。パイプライン処理では、これらのアイドル ユニットを利用して、キューに置かれた他の命令を処理します。
例でこれを理解しましょう。次の図を見てください。
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上の図は、パイプライン化されていない CPU 環境とパイプライン化された CPU 環境で、2 つの命令のセットがどのように実行されるかを示しています。ご覧のとおり、パイプライン化されていない CPU は 2 つの命令を実行するのに 8 サイクルかかりますが、パイプライン化された CPU は同じ命令セットをわずか 5 サイクルで実行します。
よく見ると、パイプライン化された CPU は Fetch ブロックを使用して 2 番目の命令の最初のサブタスクを実行していますが、Decode ブロックはすでに最初の命令の 2 番目のサブタスクを実行しています。したがって、最初のブロックと同時に 2 番目のブロックが使用されます。これがなければ、パイプライン化されていない環境ではアイドル状態になります。
したがって、特定の命令セットの実行速度を上げると、プロセッサの速度が向上します。パイプライン処理によってプロセッサの効率がどのように向上するかを次に示します。 ここで重要な注意事項 パイプライン化によって、プロセッサが命令を実行するのにかかる時間が短縮されないということです。むしろ、CPU が同時に処理できる命令の数が増えます。したがって、サブタスクの数を増やしても、パイプライン化された CPU がパイプライン化されていない CPU よりも高速になるということにはなりません。実際、パイプライン化されていない CPU は、含まれるパイプライン ステージの数 (サブタスクの数) によっては、パイプライン化された CPU よりも 1 つの命令を実行するのにかかる時間が短い場合があります。
上記の説明で、コンピューターの CPU パイプラインが何であるかが明確になることを願っています。疑問がある場合は、下のコメント欄で共有してください。
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パイプライン処理はプロセッサのパフォーマンスを向上させますか?
パイプライン アーキテクチャにより、プロセッサ サイクルごとに処理される命令数が増加します。命令のスループットを向上させることで、CPU の全体的なパフォーマンスが向上します。ただし、命令セットが複雑な命令 (分岐命令など) で構成されている場合、CPU は次の命令を読み取る場所を事前に認識できず、現在の命令が完全に実行されるまで待機する必要があります。このような場合、パイプライン化されたアーキテクチャは CPU 効率を提供しない可能性があります。
パイプライン処理は実行時間を増加させますか?
パイプライン化により、各クロック サイクルで同時に実行される命令の数が増加します。ただし、これにより、1 つの命令の実行にかかる時間が必ずしも長くなるわけではありません。たとえば、パイプライン処理は、順次実行を別のパスに迂回させる分岐命令の実行には適していません。分岐の問題を解決するための適切な方法が導入されない限り、この混乱はパイプラインを壊したり、完全にクリーンアップしたりする可能性があります。
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