CPU・命令実行・クロックの違いと使い分け
CPU内部構成・命令サイクル・クロックは同じ性能問題で一緒に出るが、役割は異なる。構造、処理手順、時間尺度という3つの観点で切り分け、必要な式や用語を選ぶ。
この単元で学ぶこと
- CPU構成の意味と役割を説明できる
- 命令サイクルの意味と役割を説明できる
- クロックの意味と役割を説明できる
- 構造問題・手順問題・性能計算問題を見分けて解法を選べる
本文解説
CPUは処理主体、命令実行はCPUが命令を処理する手順、クロックはその動作タイミングの基準である。性能計算では命令数とCPIからクロック数を出し、周波数で時間へ変換する。
CPU構成 ALU・制御装置・レジスタなど処理主体の内部構造を扱う観点。 役割の対応を問う問題で使う。
命令サイクル フェッチ・デコード・実行・格納など処理の順序を扱う観点。 何が先に起こるか、どのレジスタを使うかを追う。
クロック CPU内部動作の時間基準を扱う観点。 Hz・周期・必要クロック数を計算する。
CPI 命令実行手順と時間尺度をつなぐ平均クロック数/命令の指標。 命令数×CPIで必要クロック数になる。
実行時間式 命令数×CPI÷クロック周波数で概算実行時間を求める関係。 単位をそろえれば複数CPUの比較に使える。
設問に「保持」「装置」があればCPU構成、「順序」「取り出す」があれば命令サイクル、「Hz」「CPI」「実行時間」があれば性能式を疑う。複合問題では式の各項が何を意味するか確認する。
CPU Aが2GHz・1CPI、CPU Bが3GHz・2CPIなら、同じ命令数の場合の1命令当たり時間はA=0.5ns、B≈0.667nsでAの方が短い。周波数だけではBが速いと断定できない。
図解
重要ポイント
- CPU構成: ALU・制御装置・レジスタなど処理主体の内部構造を扱う観点。
- 命令サイクル: フェッチ・デコード・実行・格納など処理の順序を扱う観点。
- クロック: CPU内部動作の時間基準を扱う観点。
- CPI: 命令実行手順と時間尺度をつなぐ平均クロック数/命令の指標。
- 性能比較は「周波数が高い方」ではなく命令数×CPI÷周波数で比較する。
間違えやすい点
- 装置の役割と時間計算を混ぜない。
- CPIが小さいほど一般に同一命令数で必要クロック数が少ない。
- CPU AとBで命令数自体が異なる場合もあるため条件を読む。
用語解説
- CPU構成
- ALU・制御装置・レジスタなど処理主体の内部構造を扱う観点。
- 命令サイクル
- フェッチ・デコード・実行・格納など処理の順序を扱う観点。
- クロック
- CPU内部動作の時間基準を扱う観点。
- CPI
- 命令実行手順と時間尺度をつなぐ平均クロック数/命令の指標。
- 実行時間式
- 命令数×CPI÷クロック周波数で概算実行時間を求める関係。
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参考資料
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