パイプラインハザード（pipeline hazard）は、マイクロプロセッサ（MPU/CPU）の効率的な動作を妨げる重要な問題です。
本記事では、パイプライン処理の基本的な概念から、パイプラインハザードの種類とそれが発生する理由について詳しく解説します。
これにより、パイプライン処理の最適化と性能向上のための知識を深めることができます。
パイプライン処理の基本
パイプライン処理の概要
パイプライン処理は、CPUが複数の命令を同時に実行するための技術です。
一つの命令を複数の段階に分け、それぞれの段階を異なる回路で処理します。
この仕組みによって、CPUは命令の並行処理を実現し、高い処理能力を持つことができます。
パイプラインハザードの定義
パイプラインハザードは、命令間の依存関係やリソース競合によって、パイプラインの処理が中断されたり、命令のやり直しが必要になる状況を指します。
これにより、CPUの性能が低下し、処理の効率が悪化する可能性があります。
パイプラインハザードの種類
データハザード
データハザードは、ある命令が直前の命令の結果を必要とする場合に発生します。
この場合、次の命令がその結果を待たなければならず、パイプラインの進行が滞ります。
例えば、以下のような命令があるとします。
この場合、2番目の命令は1番目の命令が完了するまで実行できません。
構造ハザード
構造ハザードは、複数の命令が同時に同じハードウェアリソースにアクセスしようとする際に発生します。
たとえば、2つの命令が同時にメモリにアクセスしようとすると、処理が競合し、パイプラインが停止します。
この競合を回避するためには、ハードウェア資源の設計を見直すことが必要です。
制御ハザード/分岐ハザード
制御ハザードは、条件分岐によって発生します。
条件の評価を待たずに次の命令を実行すると、間違った命令群がパイプラインに投入される可能性があります。
以下の例を見てみましょう。
このように、条件が評価される前に次の命令が実行されると、パイプラインの内容を破棄して正しい命令群を再投入する必要が生じます。
まとめ
パイプラインハザードは、CPUのパフォーマンスを低下させる要因として非常に重要です。
データハザード、構造ハザード、制御ハザードの3つの種類があり、それぞれが異なる状況で発生します。
これらの理解を深めることで、パイプライン処理の最適化と効率的なプログラム設計が可能になります。
パイプラインハザードの対策を講じることで、より高速で効率的なプロセッサの設計が実現できるでしょう。