【応用情報】CPUのパイプライン制御とマルチプロセッサを解説

パイプライン制御

• パイプライン制御では単独のCPU内で複数の命令を同時並行で処理する。
• 処理に分岐がある場合、次に実行する命令を予測することを分岐予測と言い、分岐予測に基づいて先に命令を実行することを投機実行と言う。
• 依存関係がない命令をあらかじめ1つの命令にまとめる技術をVLIWと言う。

マルチプロセッサ

• CPUとプロセッサは同じ意味の言葉
• マルチプロセッサは1つのコンピュータ内に複数のプロセッサを搭載して処理効率を上げる技術
• 密結合マルチプロセッサは複数のプロセッサが1つの主記憶装置を共有する技術。主記憶装置へのアクセスが同時に発生すると処理効率が比例して上がらなくなる。
• プロセッサ数を2倍、3倍と増やしても、並行処理できない命令がある場合、処理効率は2倍、3倍と増えていかずに限界が来る。これをアムダールの法則と言う。

VLIW(Very Long Instruction Word)

VLIWは、同時に実行可能な複数の命令を1つの命令にまとめて実行させる手法です。

分岐予測のところでも見たように、処理する命令には前後関係のような依存関係がある命令もあります。CPUは命令同士に依存関係があるかどうか判断しながら命令を実行していくので大変です。

そこで依存関係がない複数の命令を、あらかじめ1つにまとめておき、CPUが判断する回数を減らしておこうとしたのがVLIWです。

CPUとプロセッサの違い

結論から言うとCPUとプロセッサに違いはありません。
厳密には、プロセッサはデータ処理や制御を行う装置全般のことで、CPUはコンピュータ内部の演算装置と制御装置です。でも、これって同じことですよね。
なので、CPU＝プロセッサで問題ありません。

マルチプロセッサの話をするときは、プロセッサを使う多いので、プロセッサという言葉を使っていきます。

応用情報技術者
午前試験　令和6年度春期問14

1台のCPUの性能を1とするとき，そのCPUをn台用いたマルチプロセッサの性能Pが，

P=\(\displaystyle \frac{n}{1+(n-1)a}\)

で表されるとする。ここで，aはオーバーヘッドを表す定数である。例えば，a=0.1, n=4とすると，P≒3なので，4台のCPUから成るマルチプロセッサの性能は約3になる。この式で表されるマルチプロセッサの性能には上限があり，nを幾ら大きくしてもPはある値以上には大きくならない。a=0.1の場合，Pの上限は幾らか。

ア　5　　　　　イ　10　　　　　ウ　15　　　　　エ　20

応用情報技術者
午前試験　令和5年度秋期問9

パイプラインの性能を向上させるための技法の一つで，分岐条件の結果が決定する前に，分岐先を予測して命令を実行するものはどれか。

応用情報技術者
午前試験　令和5年度春期問9

全ての命令が5ステージで完了するように設計された，パイプライン制御のCPUがある。20命令を実行するには何サイクル必要となるか。ここで，全ての命令は途中で停止することなく実行でき，パイプラインの各ステージは1サイクルで動作を完了するものとする。

ア　20　　　　　イ　21　　　　　ウ　24　　　　　エ　25

応用情報技術者
午前試験　令和4年度春期問8

プロセッサの高速化技法の一つとして，同時に実行可能な複数の動作を，コンパイルの段階でまとめて一つの複合命令とし，高速化を図る方式はどれか。

ア　CISC　　　　　イ　MIMD　　　　　ウ　RISC　　　　　エ　VLIW

応用情報技術者
午前試験　令和4年度春期問12

プロセッサ数と，計算処理におけるプロセスの並列化が可能な部分の割合とが，性能向上へ及ぼす影響に関する記述のうち，アムダールの法則に基づいたものはどれか。

ア　全ての計算処理が並行化できる場合，速度向上比は，プロセッサ数を増やしてもある水準に漸近的に近づく。

イ　並列化できない計算処理がある場合，速度向上比は，プロセッサ数に比例して増加する。

ウ　並列化できない計算処理がある場合，速度向上比は，プロセッサ数を増やしてもある水準に漸近的に近づく。

エ　並行化できる計算処理の割合が増えると，速度向上比は，プロセッサ数に反比例して減少する。