応用情報技術者 2016年秋期午前2 問08

問題文

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（正解）

エ：25

パイプラインは5ステージで構成されており、1命令を完了するのに5サイクルかかります。しかし、パイプライン処理の特徴として、2命令目以降は各ステージが並列に動作するため、1命令あたりの追加サイクルは1サイクルです。
したがって、20命令の実行に必要なサイクル数は、

5 + (20 - 1) = 24

となり、選択肢の中ではウ: 24が正解です。

パイプラインの各ステージが1サイクルで完了するため、単純に命令数と同じ20サイクルと考える誤りが多いです。初期のパイプライン充填時間を忘れてしまうこともあります。

パイプライン処理はCPUの性能向上に不可欠な技術で、命令を複数の段階に分割し並列処理を行います。初期の「パイプライン充填時間（レイテンシ）」を理解することが、性能評価や問題解答のポイントです。命令数が多くなるほど、パイプラインの効果が顕著になります。

Q: なぜ最初の命令は5サイクルかかるのですか？
A: 5ステージの各段階を順に処理するため、最初の命令は全ステージを通過するのに5サイクル必要です。

Q: 2命令目以降はなぜ1サイクルで処理できるのですか？
A: パイプラインの各ステージが同時に動作するため、2命令目以降は前の命令の次のステージに入り、1サイクルごとに命令が完了します。

関連キーワード: パイプライン処理、命令実行サイクル、CPU性能、初期遅延、並列処理

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