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プレミアムで見るCPUはコンピュータの頭脳!演算と制御の2つの機能を持っているよ!
簡単にいうと
CPUはコンピュータの頭脳!演算と制御の2つの機能を持っているよ!
① CPUの2つの機能
CPU(Central Processing Unit)は、コンピュータの中枢として制御機能と演算機能の2つを担います。
制御機能は以下の3段階で動作します。
1. 命令の読み込み(フェッチ): 主記憶装置からプログラムの命令を1つ取り出す
2. 命令の解読(デコード): 取り出した命令の内容を解読し、何をすべきか判断する
3. 実行制御: 演算装置や各装置に対して、具体的な動作指示を出す
演算機能は大きく2種類に分かれます。
② 性能評価指標
CPUの処理速度を測る指標は複数あり、それぞれ異なる観点から性能を表します。
| 指標 | 意味 | 説明 |
|---|---|---|
| クロック周波数 | 1秒あたりの信号振動回数 | 単位はHz。内部クロック(CPU内部の動作速度)と外部クロック(バスとの通信速度)がある |
| CPI | 1命令あたりに必要なクロックサイクル数 | Cycles Per Instruction。値が小さいほど高速 |
| MIPS | 1秒間に実行できる命令数(百万単位) | Million Instructions Per Second。値が大きいほど高速 |
| FLOPS | 1秒間に実行できる浮動小数点演算数 | Floating point Operations Per Second。科学技術計算の性能指標 |
MIPS値は次の式で計算できます。
たとえば、クロック周波数3GHz(
| コア数 | 名称 |
|---|---|
| 2 | デュアルコア |
| 4 | クアッドコア |
| 6 | ヘキサコア |
| 8 | オクタコア |
| 10 | デカコア |
| 12 | ドデカコア |
コア数が多いほど同時に処理できるタスクが増えますが、ソフトウェアが並列処理に対応していなければ性能向上にはつながりません。
具体例
パイプライン制御の効果を、具体的な数値で確認してみましょう。
1つの命令を処理するのに4ステージ(各ステージ1クロック)かかるとします。パイプラインを使わない場合、3つの命令を処理するには
クロック必要です。
一方、パイプライン制御を使うと、各ステージが重複して実行されるため、
1番目の命令: ステージ1→2→3→4(クロック1〜4)
2番目の命令: ステージ1→2→3→4(クロック2〜5)
3番目の命令: ステージ1→2→3→4(クロック3〜6)
つまり3つの命令が6クロックで完了します。12クロック→6クロックと、処理時間が半分になりました。
一般に、
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MIPS となります。
③ 高速化技術
CPUの処理を高速化する代表的な技術を見てみましょう。
パイプライン制御
命令処理を複数のステージ(一般的には「命令取り出し→解読→実行→書き込み」の4ステージ)に分割し、それぞれのステージを重複(オーバーラップ)して実行する方式です。工場の流れ作業(ベルトコンベア方式)に似た仕組みで、個々の命令の処理時間は変わらなくても、全体のスループット(単位時間あたりの処理量)が向上します。
マルチプロセッサ
複数のCPUを搭載して並列に処理を行う構成です。サーバやワークステーションで採用されることが多く、負荷を分散させることで全体の処理能力を高めます。
マルチコアCPU
1つのCPUチップの中に複数の処理コア(演算・制御の中核部分)を搭載する技術です。コア数に応じて以下のように呼ばれます。
クロックで完了します。命令数が大きくなるほど、パイプラインの効果は大きくなります。
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