[ 컴퓨터 구조 ] 16. Datapath - Pipeline

Pipeline

 

● 목적 : 전체 작업을 하는 데 걸리는 시간을 줄임  →  [ CPU의 성능 향상 ]

 

● 특징 : 여러 개의 명령어를 동시에 실행한다

 

single : 하나의 일은 무조건 @시간 만큼 해라

Multi : 빨리 끝나면 바로 그 다음 거 해라

 

 

Processing을 구조를 그림으로 보면 

 

[ Sequential ]

 

[ Pipeline ]

 

 

직관적인 예시로는

노래방에서 차례대로 노래 부르는 거  / 돌림노래 부르는 거 차이라고 생각하면 된다.

 

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Pipeline 특

 

• 하나의 작업이 빨리 끝나게 도와주는 게 아니라
  전체 작업을 빨리 끝내는 거다 (퇴근 일찍 할 수 있게 해주는 거임)
  
  
• 다른 영역의 일들을 같은 시간대에 작업한다
• 시간이 줄어들 확률 = Pipe로 나눈 영역의 개수
  
  
• Pipeline으로 나눈 것들 중에서 가장 오래 걸리는 영역의 시간으로 맞춘다.
  → 그래서 빨리 끝나는 것들은 시간 Waste가 있음.

 

 

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N개의 job , 하나의 job은 T초가 걸린다.

 

a) Pipeline X

→ Ts = n*T

( 한 개의 명령어당 T가 걸리고, n개의 명령어를 실행하면 n*T )

 

 

b) Pipeline O => k개의 stage로 나눠놨다 ( 동시에 k개의 작업 가능 ) , 각 stage는 T/k 초가 걸린다. 

→ Tp = (n+k-1) * T/k

 

 한 명령어를 k개로 쪼개면 한  [ work = 작업= stage ]당 걸리는 시간 =  T/k

=> 첫 번째 inst 가 끝나는 건 k번째 CLK일 때( k개로 쪼갰으니까)

     두 번째 inst 가 끝나는 건 k+1번째 CLK일 때

 ...  n번째 inst가 끝나는 건 (k+(n-1))번째 CLK일 때 .

 

그럼 지속시간은 (k+n-1) 이고 이걸 * T/k와 곱해준다. )

 

+ speedUp 은 = Sp = Ts / Tp = (n*k) / (n+k-1)

n이 무한대로 가면 극한으로 계산해서 k(/1) 가 된다.

 

 

예제)

 

 

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Pipeline Execution

 

 

 

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[ Single CLK 이 작업하는 방식 ]

 

 

[ Multi CLK (+Pipeline) 이 작업하는 방식 ]

 

 

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실행 시간의 차이가 얼마나 있는지 LW명령어로 확인해보자

 

Pipeline X

1) 각각의 단계가 시간이 달라도 그냥 통으로 작동하니 크게 고려할 거 없음

 

2) 간단한 step이 빨리 끝나면, 다음 step으로 바로 가기 때문에

  하나의 명령어 한정으로는 이게 더 빠를 수도 있음 (waste가 없기 때문)

 

Pipeline O

 

가장 긴 시간이 걸리는 단계를 기준으로 맞춰서

빨리 끝나는 것들은 비는 시간이 생긴다.

 

 

결론: Sepedup = 2400 ps / 1400 ps = 1.7 쯤

 

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Pipeline을 쉽게 할 수 있는 이유!

 

●  all instructions are the same length

→ Simplicity favors Regularity

어떤 건 32bits고, 어떤 건 48bits이면 뭐가 제대로 안 됨

 

 

●  just a few instruction formats

→ 사용하는 명령어가 주로 8~9개로 정해져있기 때문에 뭐가 와도 준비되어 있음

 

●  memory operands appear only in loads and stores

→ Mem 접근은 LW / SW에만 있기 때문에 그래도 할만하다. 자주 안 가도 돼서

   Mem 대신 레지스터를 사용하기 때문에 Mem access가 많지 않다.

 

Pipeline을 어렵게 만드는 요소

 

●  Structural hazards : 그냥 구조적인 문제라고 하심

●  Data hazards : 명령어에서 쓰이는 Data들끼리 서로 Dependency가 있을 때 생기는 문제

●  Control hazards : Branch 하면 기껏 들고왔던 다음 명령어들이 쓰이지 않게 되어 생기는 문제

 

 

 

(출처)

한동대학교 용환기교수님 - 컴퓨터구조