分岐命令

分岐命令とは

分岐命令（branch instruction）は、プロセッサがプログラムを実行する際に、次に実行する命令のアドレスを変更する命令です。プログラムは通常、メモリ上のアドレス順に実行されますが、分岐命令によって実行の流れを制御することができます。分岐命令は、ジャンプ命令とも呼ばれます。

分岐命令の種類

分岐命令には、主に以下の2種類があります。

1. 条件ジャンプ命令: 特定の条件が満たされた場合にのみ、指定されたアドレスにジャンプする命令です。条件は、演算結果やレジスタの値などに基づいて判断されます。
2. 無条件ジャンプ命令: 条件に関係なく、常に指定されたアドレスにジャンプする命令です。

厳密には、条件ジャンプのみが「分岐」に該当しますが、一般的には無条件ジャンプも分岐命令として扱われます。また、サブルーチン呼び出しや戻り命令も、分岐命令の一種とみなされることがあります。

分岐命令の動作

一般的なプロセッサでは、機械語の命令はアドレスの昇順に順番に実行されます。しかし、分岐命令が実行されると、プログラムカウンタ（次に実行する命令のアドレスを保持するレジスタ）の値が変更され、指定されたアドレスから命令の実行が開始されます。

高水準言語のプログラムでは、条件文（if文など）、goto文、サブルーチン呼び出しなどの制御構造が用いられます。コンパイラは、これらの制御構造を機械語の分岐命令に変換します。

分岐命令とパイプライン処理

命令パイプラインを持つプロセッサでは、命令のフェッチ、デコード、実行などの処理が並列に行われます。しかし、分岐命令によって実行順序が変更されると、パイプラインが中断し、性能が低下する可能性があります。これをパイプラインハザードと呼びます。

遅延分岐

パイプラインハザードを軽減するための技術の一つに、遅延分岐があります。遅延分岐では、分岐命令の直後にある命令（遅延スロットの命令）は、分岐処理の前に実行されます。これにより、パイプラインの空き時間を減らし、性能低下を抑えることができます。

遅延分岐は、MIPS、SH、SPARCなどの初期のRISCプロセッサや、デジタルシグナルプロセッサ（DSP）で採用されていました。しかし、最近のプロセッサでは、より高度な分岐予測技術が採用されるようになり、遅延分岐はあまり使われなくなっています。

分岐予測

分岐予測は、分岐命令が実行される前に、どの方向に分岐するかを予測する技術です。予測が成功すれば、パイプラインの処理を中断することなく、命令の実行を継続できます。予測が失敗すると、パイプラインをフラッシュする必要があるため、ペナルティが発生します。

分岐予測は、静的予測と動的予測の2種類に分類できます。

静的予測: 分岐命令の種類やアドレスなどに基づいて、常に同じ方向に予測します。
動的予測: 過去の分岐履歴に基づいて、動的に予測します。

分岐命令の削減

分岐命令は、プログラムの実行速度を低下させる可能性があるため、可能な限り削減することが望ましいです。

条件実行命令

条件実行命令は、特定の条件が満たされた場合にのみ、命令を実行する命令です。これにより、条件分岐を必要とせずに、同じ結果を実現することができます。ARMプロセッサでは、すべての命令を条件付きで実行できます。

プログラムカウンタの汎用レジスタ化

一部のプロセッサでは、プログラムカウンタを汎用レジスタとして扱うことができます。これにより、分岐命令の代わりに、汎用レジスタに対する演算命令でプログラムカウンタを操作することができます。

分岐命令の歴史と動向

初期のプロセッサでは、分岐命令はプログラムの制御に不可欠でした。しかし、パイプライン処理やキャッシュメモリなどの技術が進歩するにつれて、分岐命令の性能に対する影響が大きくなりました。そのため、分岐予測や遅延分岐などの技術が開発され、分岐命令のオーバーヘッドを削減する取り組みが進められてきました。

また、RISCプロセッサの登場とともに、命令セットを単純化し、分岐命令を減らすことが重視されるようになりました。しかし、最近では、条件実行命令や分岐予測などの技術の進歩により、再び分岐命令が注目されるようになっています。

まとめ

分岐命令は、プログラムの実行順序を制御する上で不可欠な命令です。分岐命令の種類や動作、パイプライン処理における影響、そして分岐予測などの最適化技術について理解することは、効率的なプログラムを作成する上で重要です。

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