데이터 해저드의 종류
데이터 해저드는 두 명령어가 동일한 데이터에 접근할 때 발생하며, 크게 세 가지로 분류됩니다:
1. RAW (Read After Write) 해저드:
• 한 명령어가 데이터를 쓰기(Write)하기 전에 다른 명령어가 해당 데이터를 읽으려고(Read) 할 때 발생합니다.
• 예:  (쓰기) →  (읽기). 이 완료되기 전에 가 을 읽으려 하면 RAW 해저드가 발생합니다.
2. WAR (Write After Read) 해저드:
• 한 명령어가 데이터를 읽기(Read)하기 전에 다른 명령어가 그 데이터를 쓰려고(Write) 할 때 발생합니다. 이는 주로 파이프라인 구조가 복잡할 때 나타납니다.
• 예:  (읽기) →  (쓰기). 가 의 읽기 작업이 끝나기 전에 데이터를 덮어쓰려 하면 WAR 해저드가 발생합니다.
3. WAW (Write After Write) 해저드:
• 두 명령어가 동일한 레지스터에 쓰기(Write) 작업을 수행할 때, 순서에 맞지 않게 실행되면 발생합니다.
• 예:  → . 가 의 결과를 덮어쓰려 하면 WAW 해저드가 발생합니다.데이터 해저드를 해결하는 방법
이러한 해저드를 해결하기 위해 포워딩, 인터록, 명령어 스케줄링과 같은 기법이 사용됩니다.
- 포워딩 (Forwarding)
포워딩은 RAW 해저드를 해결하기 위한 주요 방법으로, 데이터를 레지스터에 기록하기 전에 후속 명령어가 직접 사용할 수 있도록 전달하는 기법입니다.
동작 방식
• 명령어가 산술 연산을 완료하고 결과를 생성하면, 그 결과를 포워딩 유닛을 통해 즉시 다음 명령어로 전달합니다.
• 예:  연산이 끝난 후, 의 결과가 레지스터에 기록되기 전에  명령어에서 그 결과를 바로 사용할 수 있도록 포워딩합니다.개선 효과
• 포워딩을 사용하면 스톨(지연) 없이 파이프라인에서 연속적으로 명령어를 실행할 수 있습니다. 성능을 크게 개선할 수 있는 효율적인 방법입니다.- 인터록 (Interlock)
인터록은 하드웨어가 데이터 해저드를 감지하고, 해당 데이터를 사용할 수 있을 때까지 파이프라인을 멈추는 방식입니다. 특히 RAW 해저드를 다루는 기본적인 방법입니다.
동작 방식
• 해저드를 감지하면 하드웨어가 자동으로 명령어의 실행을 멈추고, 필요한 데이터가 준비될 때까지 후속 명령어의 진행을 지연시킵니다.
• 예: 의 결과가 완성되기 전, 에서 인터록 메커니즘이 동작하여 이 준비될 때까지 를 멈춥니다.개선 효과
• 인터록은 데이터 일관성을 보장하지만, 스톨을 발생시키므로 파이프라인 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.- 명령어 스케줄링 (Instruction Scheduling)
명령어 스케줄링은 데이터 해저드를 최소화하기 위해 명령어의 순서를 조정하는 방법입니다. 컴파일러나 하드웨어에서 미리 해저드를 분석하고, 의존성이 없는 명령어들을 먼저 실행하여 스톨을 줄입니다.
동작 방식
• 컴파일러 기반 스케줄링: 컴파일러는 명령어들의 의존성을 분석하여, 데이터 해저드를 일으키지 않도록 명령어 순서를 재배치합니다.
• 하드웨어 기반 스케줄링: CPU가 명령어를 실행할 때 동적으로 명령어 순서를 재조정하여 데이터 해저드를 피합니다.개선 효과
• 명령어 스케줄링은 스톨을 최소화하며, 파이프라인의 성능을 최적화하는 데 기여합니다.결론: 데이터 해저드 해결 방안의 비교
• 포워딩: 연산 결과를 즉시 전달하여 스톨을 방지하고 성능을 향상시킵니다. 주로 RAW 해저드를 해결하는 데 사용됩니다.
• 인터록: 데이터가 준비될 때까지 파이프라인을 멈춰 일관성을 보장하지만, 성능 저하를 초래할 수 있습니다.
• 명령어 스케줄링: 명령어 순서를 조정해 해저드를 최소화하며, 스톨 없이 명령어를 효율적으로 처리합니다.이 기법들은 파이프라인에서 데이터 해저드를 해결하여 CPU 성능을 최대한 높이고, 명령어 처리 속도를 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.
