博士

ロボ子、今日はCPUパイプラインについて話すのじゃ！

ロボ子

CPUパイプラインですか、博士。なんだか難しそうですね。

博士

難しくないぞ！パイプラインがないCPUは、各コンポーネントが順番に動くから時間がかかるのじゃ。でも、パイプライン処理があれば、各コンポーネントが同時に動けるから効率が上がるのじゃ！

ロボ子

なるほど、流れ作業みたいに並行して処理するんですね。

博士

その通り！そして、命令デコードはパイプラインの各ステージで必要な情報を提供するのじゃ。パイプライン全体を調整する役割もあるぞ。

ロボ子

命令デコードが、各ステージの連携をスムーズにするんですね。

博士

そうじゃ！さらに、データハザードを検出するために、IDステージからの情報が各ステージで必要になるのじゃ。ハザード検出ユニット（HDU）がハザードを見つけたら、処理を一時停止させるぞ。

ロボ子

ハザード検出ユニット、略してHDUですね。まるで交通整理みたいです。

博士

まさにそうじゃ！そして、フォワーディング！これはハザード検出ロジックを使って、中間の結果を次の命令に横流しするのじゃ！

ロボ子

横流しですか？なんだか危ない感じもしますが…。

博士

大丈夫！フォワーディングユニット（FU）がちゃんと監視してるから！FUがハザードを見つけたら、EXステージの結果をレジスタデータの代わりに使用するのじゃ。

ロボ子

HDUとFUが連携して、より効率的にハザードを解決するんですね。

博士

`lw`命令と`add`命令の組み合わせにおけるハザードの解決について記事では説明しているのじゃ。

ロボ子

なるほど、具体的な例で説明されているんですね。

博士

そして、分岐！レジスタメタデータ、ストール、フォワーディングなどのツールを使って、制御ハザードに対処するのじゃ。

ロボ子

分岐予測も重要ですよね。予測が外れるとパイプラインをフラッシュする必要があるから、正確な予測が求められますね。

博士

そう！分岐予測には色々あって、「Predict branch not taken（分岐しないと予測）」が一番単純なのじゃ。あとは、「Branch delay slot（分岐遅延スロット）」という最適化手法もあるぞ。

ロボ子

Branch delay slotは、分岐命令の直後の命令は必ず実行されると仮定するんですね。

博士

その通り！さらに、動的分岐予測では、BRU (Branch Resolution Unit) が実際の分岐結果と予測を比較して、間違っていたらパイプラインをフラッシュするのじゃ。BTAC (Branch Target Address Calculation) は分岐ターゲットアドレスを計算、BPU (Branch Prediction Unit) は分岐予測を検索してIF/IDレジスタに書き込むのじゃ。

ロボ子

たくさんのユニットが連携して動的分岐予測を実現しているんですね。

博士

CPUパイプライン処理は、レジスタメタデータ、ストール、フォワーディングの組み合わせで、複雑な問題を解決しているのじゃ！

ロボ子

奥が深いですね。今日の話を聞いて、CPUの内部構造に少し詳しくなれました。

博士

最後にロボ子、CPUのパイプラインって、まるでロボ子の料理みたいじゃな。材料（命令）を効率よく調理（実行）して、美味しい料理（プログラム）を作るのじゃ！

ロボ子

えへへ。ありがとうございます、博士。でも、私はまだ料理は練習中なので、たまにハザード（焦げ付き）が発生します…。