파이프라인이란?
파이프라이닝 기술이라고도 하며 하나의 명령어 사이클을 여러 단계로 나누고 각 단계에서 동시에 다른 세부 작업을 처리하도록 설계하는 것이다.
파이프라인을 이용해 CPU 성능을 높일 수 있다.
Like 큰 함수 쪼개서 병렬 task 로 처리하기
만약 단일 사이클(<-> 파이프라인의 반대) 에 처리를 해야한다면
윗 그림 처럼 해야하지만 파이프라인을 이용하면 아래 그림 처럼 가능하다.
명령어 종류
IF - Instruction Fetch 인출
- 실제 명령어를 메모리에서 읽어 CPU로 가져온다.
ID - Instruction Decode 해석
- 인출한 명령에 포함된 데이터를 가지고 명령어를 해독
EX - Instruction Execution 실행
- 명령어 실행
MEM - Memory Access 메모리 접근
- 메모리 접근
WB - Writeback 저장
- 실행 결과 저장
가장 효율적인 파이프라인 조건
처리 시간이 일정하지 않고 처리 단계가 균등하지 않아 발생하는 파이프라인의 지연, 중지 현상을 Hazard, 해저드라고 한다.
해저드
구조적 해저드
시스템에 하나만 존재하는 리소스(Memory, ALU, Register 등)에 동시에 접근할 때, 발생한다(`리소스 해저드`라고도 한다). 대개, IF와 MEM 과정에서 발생한다. 왜냐면, 2개다 메모리에 접근하기 때문이다. 해결 방법은 2가지가 있다.
Bubble 삽입해 지연
NOP 명령어를 추가하여 파이프 라인 수행을 일시 중지
메모리 영역 분리
이 문제를 해결하는 방법은 간단하다. 메모리를 명령어 영역과 데이터 영역으로 나누면 된다. 그런데, 메모리는 2개로 나누는 것은 이전 모델의 호환성을 지키지 못하게 됨으로 좋은 방법이 아닌 듯 하다. 더 좋은 방법은 메모리를 여러 계층 구조로 나누는 것이다. 메모리에 위에 명령어 캐시와 데이터 캐시를 두고 CPU는 명령어가 없으면 메모리에서 명령어를 읽어와 명령어 캐시에 저장하고, 데이터가 없으면 데이터를 읽어와서 데이터 캐시에 저장하는 구조를 이용하면, 2개의 캐시가 서로 독립적이기 때문에
IF단계는MEM,WB단계에 영향을 주지 않는다. 반대도 마찬가지다. 이렇게, 구조적 해저드를 막을 수 있다.
데이터 해저드 - Data Hazard
다른 명령어있는 데이터에 의존적일 때 발생
해결법
전방전달
레지스터 파일에 반영되기 전에 EX 단계에서 계산된 결과를 다른 명령어로 전달
추가적인 하드웨어가 필요
지연
- 컴파일러 수준에서 해저드 발견 및 NOP 명령어 삽입
비순차 실행
- 의존적인 데이터와 관계 없는 명령어 먼저 수행
프로그래밍 방식 개선
- 변수를 늘리거나 계산이 완료된 후에 실행해서 해저드 최소화
제어 해저드 - Control Hazard
분기에 의해서 수행하지 않는 명령이 파이프라인에 존재하는 경우 발생
해결책
분기예측
- 분기를 예측하여 명령어 수행
브랜치 지연
컴파일러가 분기문을 발견하면 NOP
손실되는 클럭 동안 프로그램에 영향이 없는 다른 명령을 수행
(분기가 결정나면 진행하겠다는 의미)
프로그래밍 방식 개선
- 조건분기를 최소화하여 해저드 최소화
참고한 사이트