パイプラインハザードとは？

パイプラインハザードの意味

パイプラインの流れが乱れて待ち（ストール）が生じる要因の総称。先行命令の結果を後続が使おうとするデータハザード、分岐で後続の投入先が確定しない制御ハザード、同じハードウェア資源を同時に使おうとする構造ハザードに分けられる。

パイプラインハザードの具体例

直前の加算結果を次の命令が参照する場合、書戻しを待たずに演算結果を直接回すフォワーディング（バイパス）で待ちを減らす。

パイプラインハザードは試験でどう引っ掛けられる？

データハザードはキャッシュ一貫性の話ではない。複数プロセッサ間の整合性はコヒーレンシの問題であり、別物として選択肢に並べられる。

パイプラインハザードと関連する用語

• 命令パイプライン
• 分岐予測

パイプラインハザードが出た過去問

• パイプラインハザード対策に関する記述のうち、アウトオブオーダ実行方式を用いたものはどれか。

  正解：演算に必要なデータがそろうまで実行が待たされている命令によって、後続の命令の実行が待たされることを防ぐために、既にデータがそろっている後続の命令があれば、それを先に実行する。

  要点：アウトオブオーダ実行は準備できた命令から順に実行する

  アウトオブオーダ実行は、命令をプログラム順に縛られず、オペランドがそろって実行可能になった命令から順に演算器へ投入する方式である。これにより、データ待ちで止まっている命令の後ろに並ぶ、実行可能な命令までもが待たされる事態を避けられる。結果は最終的に元の順序に戻して確定させるため、プログラムの意味は変わらない。

  出典：令和3年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問1（IPA）

• パイプラインの深さをD、パイプラインピッチをP秒とすると、I個の命令をパイプラインで実行するのに要する時間を表す式はどれか。ここで、パイプラインは1本だけとし、…

  正解：（I＋D－1）×P

  要点：パイプラインの所要時間は(I＋D－1)×ピッチ

  パイプラインでは、最初の命令が全Dステージを通過し終えるまでにDピッチかかり、その後は1ピッチごとに1命令ずつ完了する。残るI－1命令はI－1ピッチで流れ出るので、総所要時間は(D＋I－1)ピッチ、すなわち(I＋D－1)×P秒となる。

  出典：令和5年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問3（IPA）

• パイプラインの深さをD、パイプラインピッチをP秒とすると、I個の命令をパイプラインで実行するのに要する時間を表す式はどれか。ここで、パイプラインは1本だけとし、…

  正解：(I+D-1)×P

  要点：パイプラインの所要時間は(I＋D－1)×ピッチ

  パイプラインでは、先頭の命令が全Dステージを通り抜けるのにDピッチかかり、以降は1ピッチごとに1命令ずつ完了していく。残るI－1個の命令はI－1ピッチで流れ出るので、合計は(D＋I－1)ピッチ、すなわち(I＋D－1)×P秒となる。

  出典：令和7年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問1（IPA）