中央処理装置(CPU)

Tags:

中央処理装置(CPU)

  • 中央処理装置(Central Processing Unit)
  • コンピューターの各装置を動作させ、正常な動作のために制御する制御装置を内蔵している。
  • 各種演算データを処理する演算装置を内蔵している。
  • 一時的なデータ保存のためのレジスタを内蔵している。
  • 算術論理演算装置を内蔵し、演算機能を実行する。
  • コンピューターの性能を左右し、機種を決定する要素である。
    • コンピューターの機種を決定する。
    • コンピューターの性能を決定する。

実行ユニット(EU: Execution Unit)
実行ユニットは、マイクロプロセッサーの各命令を実行するユニットである。
実行ユニットは、ALU(Arithmetic Logic Unit)、制御ユニット(CU: Control Unit)、レジスタで構成される。
ALUでは、加算や比較演算などの算術演算、論理演算を実行した後、中間結果をレジスタに保存する。

命令ユニット(Instruction Unit)
命令ユニット(Instruction Unit)は、メモリから取得した命令を実行ユニットで正確に実行できるよう制御するユニットである。
このとき制御ユニットは、ALUやレジスタが正しく動作するようにする。

アドレッシングユニット(Addressing Unit)
アドレッシングユニットは、CPUがメモリや入出力装置からデータを読み書きするときに、メモリまたは入出力アドレスを生成するユニットである。

バスインターフェースユニット(Bus Interface Unit)
バスインターフェースユニットは、アドレスバス、データバス、コントロールバスを通じて、マイクロプロセッサーを外部と接続するユニットである。

キャッシュメモリ

キャッシュメモリは、CPU内部で一時的に使用するバッファ(Buffer)メモリの一種である。

Cacheメモリの理解

キャッシュとは、速度の異なる2つの装置の間に位置する一時記憶装置であり、装置間のデータアクセス速度を向上させる役割を果たす。反復的なアクセスにおいて処理速度を向上させる。

キャッシュが適用されていない場合

  1. TEST.EXEというプログラムを実行する。
  2. (1) 補助記憶装置(ハードディスク)から、(3) 主記憶装置へTEST.EXEというプログラムを読み込む。
  3. プログラムを終了すると、(3)にロードされたプログラムは消える。
  4. 再び同じプログラムを実行する。
  5. すると再び(1)から(3)へプログラムを読み込む。この場合、利用者は毎回実行するたびに、(1)からプログラムが読み込まれる時間を待たなければならない。

キャッシュが適用された場合

  1. TEST.EXEを実行する。
  2. (1)から(3)へプログラムを読み込むと同時に、(2)にも記録される。
  3. プログラムを終了すると、(3)にロードされたプログラムは消える。しかし、(2)に保存されたものは消えない。
  4. 再び同じプログラムを実行する。
  5. 今回は(1)からプログラムを読み込むのではなく、(2)からプログラムを読み込む。(3)の立場では同じプログラムを読み込むことになるが、最初は速度の遅い補助記憶装置から読み込んだものである。2回目以降に繰り返し読み込む場合は、速度の速いキャッシュメモリから読み込むため、速度改善の効果がある。

クロック(動作周波数)

クロック(clock)とは、CPUの速度を表す単位である。クロックは、1秒間に波形が1回動く時間を意味し、この時間に処理するデータ量によってCPUの速度が変わる。
単位はHzで表記する。クロック値が高いほど性能が速いと言える。
ただし、性能を高めようとしてクロックだけを上げると、消費電力が大きくなり発熱も激しくなる可能性があるため、その点も考慮する必要がある。

Clock(クロック)とFSB

クロックとは、CPUおよびその他の装置を動作させるために、メインボードのクロック発生装置から作られる、一定周期で振動する電気的なリズムである。MHz(メガヘルツ)で表示する。

1Hzとは、1秒に1周期振動するクロックであり、CPUは基本的に1回のクロックで1つの命令を処理している。

CPUおよびシステムの速度を表す単位として使用される。

FSB(Front Side Bus)は、メインボードのクロック発生装置で作られ、各装置に供給されるクロックの別名であり、外部クロックとも呼ばれる。CPUおよびコンピューター内の装置は、クロック発生装置から供給されるクロック速度に従って動作する。しかしCPUは、この供給されたクロックをそのまま利用せず、「クロックダブリング」を利用して速度を何倍にも高めて使用する。

コア

コアは、中央処理装置に内蔵された処理回路の中核部分である。コンピューターがまだ多くなかった以前は、1つのCPUに1つのコアが当然であった。
しかし、2005年に2つのコアを備えたデュアルコアが登場すると、一般的なPCでもマルチコアが普及し、その後4個、6個、8個などのコアを備えた製品が登場した。

デュアルコアは、従来のシングルコアが2回に分けて処理していた作業を1回に減らすことができる。そのため、全体的な処理効率を高められるという利点がある。

仮想化対応

仮想化対応とは、簡単に言えば、オペレーティングシステムの中で別のオペレーティングシステムを起動することである。たとえば、Windowsを起動した後、その中でプログラムを実行するように、Linuxや他のオペレーティングシステムを起動できる技術を意味する。Intel CPUは「VT-x」、AMD CPUは「AMD-V」という名称で仮想化をサポートしている。サーバーでクラウド環境を構築するには、CPUが仮想化をサポートしているかを必ず確認する必要がある。

CPUの種類

データ処理容量によるCPUの種類

  • 同時処理可能なデータの処理容量による分類。
  • データを伝達する通路であるバスの幅。
  • 8bitはコンピューターが処理するデータの最小単位。
  • 8088(8bit)、80286(16bit)、80386(32bit)、Pentium(64bit)へと発展。

ARM

  • AppleやSamsungなどのライセンス製品。
  • ARMチップはサイズが小さく、発熱も少なく、消費電力も小さい。冷却ファンも必要ない。ただし、その代わりに特化した特定用途に限定される印象があった。