構造ハザード (コウゾウハザード) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

構造ハザード (コウゾウハザード) の読み方

日本語表記

構造ハザード (コウゾウハザード)

英語表記

structural hazard (ストラクチュラルハザード)

構造ハザード (コウゾウハザード) の意味や用語解説

構造ハザードとは、コンピュータのCPUが命令を実行する際に発生する問題の一つだ。CPUは、プログラムの命令を順番に実行していくが、その過程で複数の命令が同じハードウェア資源（メモリ、演算器など）を同時に使用しようとすると、命令の実行が一時的に停止したり、遅延したりすることがある。この状態を構造ハザードと呼ぶ。 CPUは、複数の命令を同時に実行することで処理速度を向上させる技術（パイプライン処理）を利用している。パイプライン処理では、命令のフェッチ（命令の読み出し）、デコード（命令の解釈）、実行、ライトバック（結果の書き込み）といった処理を段階的に行う。複数の命令が異なる段階で同時に実行されることで、見かけ上の処理速度が向上する。しかし、複数の命令が同じハードウェア資源を同時に必要とする場合、パイプライン処理は中断され、性能が低下する。 例えば、命令のフェッチとデータの読み出しが同じメモリに対して同時に行われようとした場合、メモリへのアクセスは一度に一つしか処理できないため、どちらかの命令は待たなければならない。また、整数演算器が一つしかないCPUで、複数の命令が同時に整数演算を実行しようとした場合も同様に、どちらかの命令は演算器が空くまで待機する必要がある。 構造ハザードが発生する原因は、主にハードウェア資源の不足にある。CPUの設計において、利用可能なハードウェア資源の数には限りがあるため、複数の命令が同時に同じ資源を要求する状況が発生する可能性がある。特に、初期のパイプラインCPUや、コストを抑えた組み込みシステム向けのCPUなどでは、ハードウェア資源が限られているため、構造ハザードが発生しやすい。 構造ハザードへの対策としては、主に以下の方法がある。 一つ目は、ハードウェア資源の増強だ。例えば、メモリポートを増やしたり、複数の演算器を搭載したりすることで、同時に複数の命令が同じ資源を要求しても、競合を避けることができる。ただし、ハードウェア資源の増強は、CPUのコストや消費電力の増加につながるため、トレードオフを考慮する必要がある。 二つ目は、命令スケジューリングの最適化だ。コンパイラやCPU内部のスケジューラが、命令の実行順序を調整することで、構造ハザードの発生を抑制することができる。例えば、同じハードウェア資源を使用する命令同士の間隔を空けたり、別の種類の命令を挿入したりすることで、資源の競合を回避する。 三つ目は、パイプラインストールの挿入だ。構造ハザードが発生する可能性がある場合、CPUは意図的にパイプライン処理を一時停止させる（ストール）。ストールによって、資源の競合を解消し、正しい命令実行を保証する。ただし、ストールは処理速度の低下につながるため、できるだけストールが発生しないように設計することが重要だ。 構造ハザードは、CPUの性能に影響を与える重要な要素の一つだ。システムエンジニアは、CPUのアーキテクチャや命令セットを理解し、構造ハザードが発生しやすい状況を把握することで、より効率的なプログラムを作成したり、システム全体の性能を最適化したりすることができる。また、CPUの選択においても、構造ハザードへの対策が十分に施されているかどうかを考慮することが重要だ。