パイプライン処理とは？

パイプライン処理の意味

命令実行の各段階（フェッチ・デコード・実行など）を、複数の命令について同時並行にずらしながら処理する高速化技術。1命令の処理に複数サイクルかかっても、複数命令を並行して流すことで単位時間あたりの処理数（スループット）を高められる。

パイプライン処理の具体例

5段階のパイプラインなら、命令1がフェッチを終えてデコード段階に進むと同時に、命令2のフェッチを開始できる。理想的には5命令を1命令分の時間差だけずらして同時処理できる。

パイプライン処理は試験でどう引っ掛けられる？

分岐命令（if文など）が実行されると、先読みしていた命令が無駄になる「分岐ハザード」が起き、パイプラインが乱れて性能が低下することがある。

パイプライン処理と関連する用語

• CPUの命令実行サイクル
• スーパースカラとマルチコア

パイプライン処理が出た過去問

• ITIL 2011 editionによれば、サービス・ポートフォリオの説明のうち、適切なものはどれか。

  正解：サービス・プロバイダの約束事項と投資を表すものであって、サービス・プロバイダによって管理されている“検討中か開発中”，“稼働中か展開可能”及び“廃止済み”の全てのサービスが含まれる。

  要点：サービスポートフォリオは検討中から廃止済みまで全サービスを含む

  サービスポートフォリオは、サービスプロバイダが管理する全サービスの一覧であり、検討中・開発中のサービスパイプライン、稼働中または展開可能なサービスカタログ、廃止済みサービスの3つをすべて含む。顧客に公開されるのはこのうちサービスカタログの部分だけである。

  出典：令和3年度 春期 応用情報技術者試験 午前 問56（IPA）

• 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コンピュータがある。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…

  正解：24

  要点：パイプラインの所要サイクルはステージ数＋命令数−1

  パイプラインでは最初の命令が完了するまでにステージ数分のサイクルが必要で、その後は1サイクルごとに1命令が完了します。したがって必要サイクル数は「ステージ数＋（命令数−1）」で求められます。5＋（20−1）＝24サイクルが答えです。停止がない理想的な条件なので、この式がそのまま使えます。

  出典：平成28年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問8（IPA）

• パイプライン制御を適切に表しているものはどれか。ここで、図中の記号Dは解読、Eは実行、Fは命令フェッチとする。

  正解：ウ：命令1がF→D→E、命令2はFが命令1のDと重なって開始、命令3はFが命令2のDと重なって開始する、正しくパイプライン化された図

  要点：パイプラインはF→D→Eを1段ずつずらして重ねる

  パイプライン制御は1命令の処理をフェッチ(F)・解読(D)・実行(E)などの段に分け、先行命令が次の段へ進んだ時点で後続命令の第1段を開始する方式である。したがって各命令がF→D→Eという正しい順序を保ちながら、1段ずつずれて時間的に重なって進む図が該当する。

  出典：平成29年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問8（IPA）

• 1件のデータを処理する際に、読取りには40ミリ秒、CPU処理には30ミリ秒、書込みには50ミリ秒掛かるプログラムがある。このプログラムで、n件目の書込みと並行し…

  正解：1,200

  要点：パイプラインの処理能力は最も遅い工程の時間で決まる

  読取り・CPU処理・書込みを別々の件に対して並行実行できるので、全体はパイプラインとして動きます。パイプラインのスループットは最も遅い工程で決まり、ここでは書込みの50ミリ秒です。1分＝60,000ミリ秒を50ミリ秒で割ると1,200件となります。

  出典：令和1年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問15（IPA）

• 1件のデータを処理する際に、読取りには40ミリ秒、CPU処理には30ミリ秒、書込みには50ミリ秒掛かるプログラムがある。このプログラムで、n件目の書込みと並行し…

  正解：1,200

  要点：パイプラインのスループットは最も遅い工程で決まる

  読取り40、CPU処理30、書込み50ミリ秒の3工程を並行して流すパイプライン処理なので、全体のスループットは最も遅い工程（ボトルネック）で決まる。ここでは書込みの50ミリ秒が律速となり、1件あたり50ミリ秒間隔で処理が完了する。1分＝60,000ミリ秒を50で割ると1,200件になる。

  出典：令和3年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問15（IPA）