Pipelining

Pipelining은 컴퓨터의 성능을 높이기 위한 방법 중 하나로, 프로세서의 실행 과정을 여러 단계로 분할하여 한 번에 여러 명령어를 처리할 수 있도록 하는 기술이다. Pipelining은 대부분의 현대 CPU에서 사용되고 있다. CPU의 pipelining 구조는 대개 다음과 같은 5개 단계로 구성된다.

Instruction Fetch (명령어 가져오기)

메모리에서 명령어를 가져오는 단계이다 프로그램 카운터(PC)가 가리키는 주소에서 명령어를 읽어들인다. 가져온 명령어는 다음 단계에서 디코딩된다.

Instruction Decode (명령어 디코딩)

가져온 명령어를 분석하여 명령어의 유형과 필요한 데이터를 결정한다. 이 정보는 다음 단계에서 사용된다.

Execute (실행)

명령어가 실제로 실행되는 단계이다. ALU (Arithmetic Logic Unit) 등의 기능 블록에서 명령어에 따라 계산이 수행된다.

Memory Access (메모리 액세스)

명령어가 메모리를 사용하는 경우, 메모리에서 데이터를 읽거나 쓰는 단계이다. 일부 CPU에서는 이 단계를 건너뛰거나 여러 번 수행할 수 있다.

Write Back (레지스터 업데이트)

실행된 명령어에서 변경된 레지스터 값이 메모리에 저장되거나, 다음 명령어에서 사용되도록 레지스터에 저장된다.

Pipeline Execution

위와 같은 5단계로 명령어를 처리하면, 각 단계가 병렬로 수행될 수 있으므로 CPU의 처리량이 향상된다. 이러한 pipelining 구조를 가진 CPU에서는 한 번에 여러 개의 명령어가 처리될 수 있으므로, 실행 시간이 크게 단축될 수 있다.

하지만, 파이프라이닝 구조에서는 명령어 실행에 필요한 자원들이 한 번에 사용되지 않기 때문에, 데이터 레이스(data hazards)나 명령어 레이스(instruction hazards)와 같은 오류가 발생할 수 있다. 이러한 오류를 해결하기 위해 하드웨어나 소프트웨어적으로 다양한 기술이 사용되며, pipelining의 성능 개선을 위한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다.