令和3年度春期 システムアーキテクト 午前Ⅱ 問21

処理順を整理するための視点

パイプラインを検討するときは、各段階の役割を個別に捉え、処理の前後関係と同時に扱える範囲を整理して、全体の流れと判断の根拠を落ち着いて確認しましょう。

この問題で問われていること

一つの観点として、段階どうしの依存関係に注目してください。ある処理の結果が次の処理の前提になるかを見極め、順序を考える材料を整理し、個別の知識だけで決めずに検討してください。

視点

各段階を独立した役割として書き出し、入力・出力・前提条件のつながりを比べます。全体を一度に判断せず、隣接する段階の関係から流れを確認すると整理しやすくなります。

確認ポイント

• 各段階の結果が、後続の段階を始める前提になっているかを確認する。
• 段階間のつながりを、処理の目的と受け渡される情報に分けて整理する。
• 全体の順序を決める前に、前後関係が必要な箇所だけを見分ける。

正解

イ

解説

パイプラインの深さがDステージ、ピッチがP秒なら、最初の命令の完了までにDピッチ、その後は命令ごとに1ピッチずつ進む。したがってI個目までの所要時間は(D+I-1)P秒です。

理由

最初の命令はD個のステージを通過するため、完了までD×P秒かかる。その後、パイプラインハザードがないので、命令は1ピッチ、すなわちP秒ごとに完了する。残りのI-1個の命令には(I-1)×P秒が必要です。よって、合計はD×P＋(I-1)×P＝(I＋D－1)×P秒となる。

比較

この問題では、各命令をDステージ分ずつ順番に処理するのではなく、ステージを重ねて利用する。したがって、命令数Iとステージ数Dをそのまま掛け合わせる式や、時間の単位がそろっていない式は、パイプラインの完了間隔を正しく表していない。

選択肢ア

これは不正解だよ。Dステージを通過する初回の完了までと、その後の命令が1ピッチずつ完了する部分を合わせると、必要なピッチ数はD＋I－1になる。この式はD＋Iとしており、最後の命令までの間隔を1回分多く数えている。

選択肢イ（正解）

これは正解だよ。最初の命令が完了するまでにDピッチ、その後のI－1個の命令はそれぞれ1ピッチ間隔で完了する。したがって必要な時間は、(D＋I－1)ピッチに相当する(I＋D－1)×P秒となる。

選択肢ウ

これは不正解だよ。I×Dは、パイプラインの重なりを考えず、全命令がDステージを順番に処理する場合の段階数に近い表し方である。また、そこへPを加えており、ステージ数を表す無次元量と秒を足しているため、時間の単位も整合しない。

選択肢エ

これは不正解だよ。I×D－1という部分は、命令数とステージ数を単純に掛けた値を基にしており、パイプラインで後続命令が1ピッチごとに完了する関係を表していない。さらに、その値にPを加えるだけで、全体をP秒単位に換算していない。

学習のポイント

初回の処理完了時間と後続命令の処理間隔を区別する。