[기출] CPU의 명령어 처리에서 파이프라인(pipeline) 방식과 비파이프라인 방식에 대해 각자의 CPU 처리 시간을 비교

문제: CPU의 명령어 처리에서 파이프라인(pipeline) 방식과 비파이프라인 방식에 대해 각자의 CPU 처리 시간을 비교하여 설명하시오. (단, 파이프라인의 단계 수를 m, 각 파이프라인 단계에서의 처리 시간을 K, 실행할 명령어들의 수를 n이라고 한다.) (25점)

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1. 비파이프라인 방식 (Non-Pipeline)

질문: 비파이프라인 방식에서의 CPU 처리 시간은 어떻게 계산되나요?
답변: 비파이프라인 방식에서는 각 명령어가 순차적으로 처리되며, 모든 단계를 완료할 때까지 다음 명령어가 대기합니다. 각 명령어는 m 단계가 필요하며, 각 단계의 처리 시간은 K입니다. 따라서 비파이프라인 방식에서 n개의 명령어를 처리하는 데 걸리는 총 시간은 다음과 같습니다:

Total_Time_Non_Pipeline = n * m * K

2. 파이프라인 방식 (Pipeline)

질문: 파이프라인 방식에서의 CPU 처리 시간은 어떻게 계산되나요?
답변: 파이프라인 방식에서는 여러 명령어가 동시에 처리될 수 있습니다. 각 명령어는 m개의 단계로 나뉘며, 각 단계에서의 처리 시간은 K입니다. 파이프라인이 완전히 가동되면, 각 명령어는 단계별로 순차적으로 처리됩니다.

1. 파이프라인 시작: 첫 번째 명령어가 모든 m단계를 거치며, 이때 걸리는 시간은 m * K입니다.
2. 이후 명령어 처리: 그 이후에는 각 명령어가 매 K시간마다 처리됩니다.

따라서 n개의 명령어를 처리하는 데 걸리는 총 시간은 다음과 같습니다:

Total_Time_Pipeline = m * K + (n - 1) * K

이를 정리하면:

Total_Time_Pipeline = m * K + (n - 1) * K
Total_Time_Pipeline = (m + n - 1) * K

3. 처리 시간 비교

질문: 두 방식의 처리 시간을 비교하면 어떤 결과가 나오나요?
답변: 비파이프라인과 파이프라인 방식의 처리 시간을 비교하면 다음과 같습니다:

• 비파이프라인 방식:

Total_Time_Non_Pipeline = n * m * K

• 파이프라인 방식:

Total_Time_Pipeline = (m + n - 1) * K

이 두 수식을 비교할 때, 일반적으로 n이 크고 m이 작을수록 파이프라인 방식의 효율성이 높아집니다. 따라서, 파이프라인 방식을 사용하면 CPU의 처리 시간을 상당히 단축시킬 수 있습니다.

결론적으로, 파이프라인 방식은 여러 명령어를 동시에 처리할 수 있기 때문에, 전체 처리 시간이 비파이프라인 방식에 비해 훨씬 빠르게 감소하는 경향이 있습니다.