演算とほかの装置の制御を行う。シングルプロセッサ、デュアル(マルチ)プロセッサ、デュアルコアプロセッサなどがある。
基本用語
・クロック周波数(Hz):処理能力の速さ。1秒間に発生するクロック数。
・CPI:1命令を実行するのに必要なクロック数。
・コア:CPUの中核部分。
・命令ミックス:命令の出現確立とCPIを合わせて計算した平均CPI。
プロセッサの種類
・CPU:中央処理演算装置。データ演算とほかの装置の制御を行う。
・GPU:画像描画に特化したプロセッサ。並列に処理できる。
・DSP:デジタル信号処理に特化している。
・FPU:浮動小数点演算に特化している。
・GPGPU:グラフィック処理以外に用いる並列処理可能なGPU。
・AIチップ:AI処理専用で機械学習を高速に行うことができる。
プロセッサの分類
・SSID:単一のプロセッサが単一の命令を実行し、単一のデータを扱う。
・SIMD:単一の制御ユニットが複数の処理ユニットを扱い、複数のデータを扱う。
・MIMD:複数のプロセッサで複数のデータを扱う。
プロセッサの構成要素
・ALU(算術論理演算子):算術演算、論理演算をする。
・プログラムカウンタ:現在実中の命令、次の命令が格納されたアドレスを保持する。
・命令レジスタ:命令そのものを格納する。
・汎用レジスタ:演算対象、アドレス情報の格納など様々な用途で用いる。
・メモリアドレスレジスタ:取り込むデータのアドレスを記憶する装置。
・メモリデータレジスタ:メモリから読み書きするデータを格納する。
・スタックポインタ:メモリ領域で最も最近参照された位置のアドレスを記憶する。
・フラグレジスタ:演算結果の正負の情報を格納する。アキュームレータ:一時的な演算結果を格納する。
アーキテクチャ
・RISC:縮小命令セットコンピュータ。単純命令で構成し、高速に処理する。
・CISC:複雑命令セットコンピュータ。複雑命令を単純化にして処理。
オペランドフェッチ
メモリの有効アドレスに格納されたデータをプロセッサに取り込む。
補足
・ビックエンディアン:データの上位バイトから順にメモリに並べる。
・リトルエンディアン:データの下位バイトから順にメモリに並べる。
割り込み
プロセスを実行中に別プロセスに処理が切り替わること。
・PSW:プログラムの状態を記憶する領域。
・外部割込み:プロセッサ以外の入出力装置による割込み。
・入出力割込み:入出力動作の終了時に発生する割込み。
・タイマ割込み:一定の時間経過後に別プロセスが割り込む処理。
・異常割込み:機械的な異常による処理の停止。
・外部信号割込み:コンソールからの入力時に発生する割込み。
・内部割込み:プロセッサ内部の要因による割込み。
・SVC割込み:OS機能をプログラムが利用する際に発生する割込み。
・プログラム割込み:プログラムのエラーによる割込み。
高速化技術
・命令パイプライン:命令を並列に並べることで高速化する技術
・スーパーパイプライン:パイプライン処理をより細かく分割し命令処理の各段階を並列に実行する仕組み
・スーパースカラ:CPU内部に複数パイプラインを用意し並列に実行し処理を高速化する技術
・VLIM:同時に実行できる複数の命令をまとめて長形式命令を作成し同時に演算する方式
ハザード
命令パイプラインで発生する問題で、依存関係で停止すること。
・データハザード:直前の処理結果が必要な場合に待ちになること。
・構造ハザード:同じハードウェア資源を使わなければいけない場合に待ちになること。
・制御ハザード:条件分岐の場合、パイプラインでは条件の評価を待たずに条件の中の処理をパイプラインに投入するが、条件を評価した結果、別の分岐を実行することになる。この場合、パイプラインに投入した処理を破棄して、正しい分岐の処理を投入する。
・疎結合マルチプロセッサシステム:通信回線で接続する。
・密結合マルチプロセッサシステム:単一のOSで制御する。
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