CPU（中央演算処理装置）

この繰り返しを命令サイクルといいます。人間が料理をするときに、レシピを1行読み（フェッチ）、何をするのか理解し（デコード）、手を動かす（実行）のを繰り返すのと同じ構造です。

③ 演算機能

演算機能は、データの算術演算や論理演算を行う機能です。

• 算術演算……加算・減算・乗算・除算といった四則演算。数値そのものを扱います。
• 論理演算……AND（論理積）、OR（論理和）、NOT（否定）、XOR（排他的論理和）など、真偽値に基づく演算。条件判定や、ビット単位の操作に使われます。

論理演算は、たとえば「会員であり、かつ、購入金額が1万円以上」という絞り込みをコンピュータが処理するときの土台になります。データベースのWHERE句でANDやORを使う場面が、そのまま演算機能の出番です。

④ 主記憶装置とのやり取り

CPUと主記憶装置の間では、3種類のやり取りが行われます。

CPUが直接やり取りできるのは主記憶装置だけです。補助記憶装置にあるプログラムやデータは、必ずいったん主記憶装置に読み込まれてから処理されます。この一本道が、のちに学ぶキャッシュメモリや仮想記憶の話の前提になります。

CPIだけが「小さいほど速い」という点が、いちばん狙われるところです。4つのうち3つは「大きいほど速い」ので、うっかりCPIも同じ向きだと思い込むと、比較問題で真逆の答えを選んでしまいます。

② クロック周波数

CPUは、水晶など安定した基準パルス発生器が発生するクロックパルスに合わせて作動しています。この周波数をクロック周波数（内部クロック周波数）とよび、単位は[Hz]で表されます。クロック周波数はCPUが作動する基本のリズムのようなもので、値が大きいほど高速になります。

一方、CPUと主記憶装置などを結ぶ伝送路（バス）の動作周波数を外部クロック周波数といいます。こちらも値が大きいほどデータの転送速度が高速になります。内部と外部の2つがある、という点を押さえてください。メトロノームのテンポが内部クロック、CPUと部屋の外をつなぐ廊下の混み具合が外部クロック、というイメージです。

③ CPI（Cycles Per Instruction）

CPIは、1命令を実行する際に必要となる平均のクロック周期数を表したものです。値が小さいほど演算処理速度が速くなります。

ここでいうクロック周期とは、1クロックあたりの時間を意味します。クロック周波数とクロック周期は逆数の関係にあり、

$\text{クロック周期} = \dfrac{1}{\text{クロック周波数}}$

となります。たとえばクロック周波数が2GHz（$2 \times 10^9$ Hz）なら、クロック周期は $\dfrac{1}{2 \times 10^9} = 0.5 \times 10^{-9}$

④ MIPS（Million Instructions Per Second）

MIPSは、1秒間に実行できる命令（Instruction）数を百万単位で表したものです。1MIPSは「1秒間に100万命令実行できる」性能を意味します。

クロック周波数とCPIが与えられれば、MIPSは次の式で求められます。

$\text{MIPS} = \dfrac{\text{クロック周波数[Hz]}}{\text{CPI} \times 10^6}$

分母に $10^6$ があるのは、単位を「百万命令」にそろえるためです。式を丸暗記するよりも、「1秒間に何クロック進むか（＝クロック周波数）を、1命令に何クロックかかるか（＝CPI）で割れば、1秒間の命令数が出る」と意味で覚えるほうが、応用が利きます。

⑤ FLOPS（FLoating point Operations Per Second）

FLOPSは、1秒間に実行できる浮動小数点演算の数を表したものです。浮動小数点演算は、主に科学技術計算で用いられます。たとえば1GFLOPSは「1秒間に10億回の浮動小数点演算が実行できる」性能ということを表します。

MIPSが命令の本数を数えるのに対し、FLOPSは小数の計算の回数を数えます。気象予測や構造解析のように小数計算が大量に出てくる分野では、命令の本数よりも小数計算の回数のほうが実態に近いため、FLOPSが使われます。スーパーコンピュータの性能がペタFLOPSやエクサFLOPSで語られるのは、この理由によります。

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。1人でしかできない作業に10人を割り当てても、9人は手持ち無沙汰になるのと同じことです。「コアを増やせば必ず速くなる」と書かれた選択肢は誤りです。