ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第67回

CPUアーキテクチャーの進化

CPU高速化の常套手段 パイプライン処理の基本 【その1】

パイプライン処理の基本
ステージごとに次々と処理させる

　以上の基礎知識を踏まえた上で、もう少しCPU内部の話をする。一般にCPUの場合、行なう処理は次の5段階(ステージと呼ぶ)からなる。

Fetch

次に処理すべき命令を、メモリーやキャッシュから取得する。

Decode

取得した命令を解釈し、どんな処理を実行すべきかを決定する。

Data Fetch

必要なら、処理に必要なデータを取り込む。

Execute

処理する。

Writeback

処理結果を出力。

　古いCPUでは、DecodeとData Fetchが一緒になって4ステージとか、ExecuteとWritebackを一緒にして3ステージとか、FetchとDecodeも一緒にして2ステージとか、いくらでも簡単にはできるのだが、機能で分割すればおおむねこの5ステージとなる。

　そしてこれらを実装する場合、内部回路は大雑把に図4のようになる。上の5つのステージはそれぞれ、複数の回路をつなげる形で実装されている。基本的には、Writebackの最終処理が終わったら、それをトリガーに次の命令のFetchを開始するような仕組みだ。

図4 基本的なCPUのステージ構成

　そして図4の場合、どのように命令が処理されてゆくかを示したのが図5である。ここではとりあえず、5つのステージがいずれも同じ時間で処理できるという前提にしているが、仮に1ステージ1クロックで処理できるとしても、1命令あたり5クロックを要することになる。図のように4命令実行なら、20クロック必要になる計算だ。

図5 命令処理の流れ

　これを「もう少し高速化できないか？」ということで考えられたのが、パイプライン処理である。基本的な構造は変わらないが、これまでは「Writebackの出力が終わったら次のFetchを開始する」だったのが、「各ステージごとに、処理が終わったら次の命令の処理を始める」形に変更されている(図6)。

図6 パイプライン化されたステージ

　これを実行した場合、処理の進み方は図7のようになる。

図7 パイプライン処理での命令処理の流れ

　各々のステージに要する時間は変わらないが、各ステージが常に処理を行なっているため、実質的な処理能力が(この図の場合)5倍になっているわけだ。こうした形で、常にCPUの内部回路全体が動作するようにしたものが、パイプラインと呼ばれる高速手法である。