遅延分岐（delayed branch）は、CPUの命令実行を効率化するための重要な技術です。
この仕組みは、分岐命令によるパイプライン処理の無駄を減少させ、全体的なパフォーマンスを向上させる役割を果たします。
本記事では、遅延分岐の基本的な概念、動作の仕組み、さらには実際のアプリケーションでの利用例について詳しく説明します。
遅延分岐の基本概念
遅延分岐の定義
遅延分岐とは、CPUが分岐命令を実行した後、分岐先に関わらず実行される命令を配置することで、パイプライン内での無駄な空白時間を防ぐ仕組みです。
これにより、条件分岐が行われた際のパイプラインの効率を保ちながら、全体の処理速度を向上させます。
パイプライン処理と制御ハザード
パイプライン処理は、複数の命令を同時に実行することで、CPUの性能を高める手法ですが、条件分岐命令が存在する場合、どの命令を次に実行するかは条件評価が完了するまで不明です。
この状況を「制御ハザード」または「分岐ハザード」と呼び、パイプラインにおける空白が生じる原因となります。
遅延スロットの活用
遅延スロットの役割
遅延分岐を採用したCPUでは、分岐命令の直後に位置する命令（これを遅延スロットと呼ぶ）には、分岐先に依存しない命令を配置します。
分岐先が確定するまでの間、この遅延スロットで無駄な時間を減らし、パイプラインの効率を最大限に活用します。
NOP命令の使用
プログラムによっては、遅延スロットに適切な命令を配置できない場合もあります。
その場合、何も実行しないNOP命令（No Operation）を使用することがありますが、これにより無駄な時間が生じることがあります。
コンパイラによる最適化
命令の並び替え
遅延分岐を効果的に利用するためには、コンパイラが命令の順序を最適化する必要があります。
具体的には、分岐命令を遅延スロットの長さ（パイプラインステージの数）分だけ前に移動させる処理を行います。
この最適化により、プログラム全体の実行効率が向上します。
実際のアプリケーションにおける遅延分岐の重要性
ゲームやリアルタイム処理
特にゲームやリアルタイム処理が求められるアプリケーションでは、遅延分岐が非常に重要です。
ユーザーの入力に即座に反応する必要があるため、分岐命令による遅延を最小限に抑えることが、パフォーマンスを大幅に改善します。
高速計算やデータ処理
また、高速計算や大量のデータ処理を行うシステムにおいても、遅延分岐を適切に活用することで、全体の処理時間を短縮し、効率を高めることが可能です。
まとめ
遅延分岐は、CPUにおける命令実行の高速化を図るための重要な技術であり、パイプライン処理における無駄な時間を削減します。
制御ハザードを避けるために、遅延スロットを活用することで、分岐先が不明な場合でも命令の実行を効率的に行うことができます。
この技術は、特にリアルタイムアプリケーションや高速データ処理において、その効果を発揮します。
今後のCPU設計やプログラミングにおいて、遅延分岐の理解と活用はますます重要になるでしょう。