CPU・命令実行・クロックの全体像

CPU性能問題は、CPUの内部要素、命令の実行手順、クロック周波数・CPI・実行時間の関係を別々に覚えるより、命令を何クロックで処理するかという流れでつなぐと理解しやすい。

この単元で学ぶこと

  • 制御装置の意味と役割を説明できる
  • 演算装置(ALU)の意味と役割を説明できる
  • レジスタの意味と役割を説明できる
  • 命令数・CPI・クロック周波数から実行時間を計算できる

本文解説

CPUは命令を取り出し、解読し、必要な演算やデータ転送を行う。クロックは内部処理の時間基準であり、周波数が高いほど1クロック時間は短い。ただし性能は周波数だけでなく命令数やCPIにも依存する。

制御装置 命令を解読し、各装置へ動作の指示を出すCPU内部の機能。 命令の流れを統括する役割を持つ。

演算装置(ALU) 算術演算や論理演算を実行するCPU内部の機能。 加減算、比較、AND/ORなどを担当する。

レジスタ CPU内部にある高速で小容量の記憶領域。 命令・アドレス・演算途中の値などを保持する。

クロック周波数 1秒間のクロック回数を表す値。Hzで表す。 周波数fなら1クロック時間は1/f秒。

CPI 1命令を実行するのに平均何クロック必要かを示す値。 命令数×CPI÷クロック周波数で概算実行時間を求められる。

性能計算では「命令数×CPI=必要クロック数」「必要クロック数÷周波数=実行時間」の二段階で書く。GHz、MHz、ns、μsの指数を先にそろえ、単位を式に残す。

100万命令、平均2CPI、2GHzなら必要クロックは200万、実行時間は2,000,000÷2,000,000,000=0.001秒=1ms。

図解

命令実行と性能計算の流れ
命令取出し→解読→実行と、命令数×CPI÷周波数の関係を対応付ける。

重要ポイント

  • 制御装置: 命令を解読し、各装置へ動作の指示を出すCPU内部の機能。
  • 演算装置(ALU): 算術演算や論理演算を実行するCPU内部の機能。
  • レジスタ: CPU内部にある高速で小容量の記憶領域。
  • クロック周波数: 1秒間のクロック回数を表す値。Hzで表す。
  • クロック周波数が高いだけでは性能は決まらず、命令数とCPIも必要である。

間違えやすい点

  • GHzを10^6Hzとして扱わない。Gは10^9である。
  • CPIをクロック周波数へ掛けるのでなく、命令数へ掛けて必要クロック数を求める。
  • CPUのレジスタと主記憶を同じものとして扱わない。

用語解説

制御装置
命令を解読し、各装置へ動作の指示を出すCPU内部の機能。
演算装置(ALU)
算術演算や論理演算を実行するCPU内部の機能。
レジスタ
CPU内部にある高速で小容量の記憶領域。
クロック周波数
1秒間のクロック回数を表す値。Hzで表す。
CPI
1命令を実行するのに平均何クロック必要かを示す値。

関連教材

参考資料

教材データに登録された参考リンクです。リンク先の内容や更新日は提供元でご確認ください。

確認問題の出題・採点や学習履歴の保存にはログインが必要です。