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【応用情報技術者試験】コンピュータ構成要素とハードウェアを学ぼう！　　　　　~第1章~CPUの動作

CPU（Central Processing Unit：中央処理装置）は、コンピュータの「頭脳」にあたり、データの演算・処理や各部品の制御を行う、最も重要な中心部品です。CPUの性能が高いほどパソコンは快適に動作し、主なメーカーはIntelとAMDで、IntelはCoreシリーズ、AMDはRyzenシリーズが有名です。コア数、スレッド数、クロック周波数などが性能の指標となります。 

画像参照：https://dosparaplus.com/library/details/000548.html

コンピュータを構成する5大装置

コンピュータを構成する5大装置は、制御装置、演算装置、記憶装置、入力装置、出力装置の5つで、これらはコンピュータの「五大機能」とも呼ばれ、それぞれが連携して動作します。CPUが演算・制御を担い、メモリやHDDが記憶装置、キーボード・マウスが入力装置、ディスプレイ・プリンタが出力装置に相当します。 

各装置の役割

  • 制御装置: プログラムの命令を解読し、各装置への指示・制御を行います（CPUの一部）。
  • 演算装置: 四則演算や論理演算などの計算処理を行います（CPUの一部）。
  • 記憶装置: データやプログラムを一時的・永続的に保存します（メモリ、HDD、SSDなど）。
  • 入力装置: 外部からデータや命令をコンピュータへ送り込みます（キーボード、マウス、スキャナなど）。
  • 出力装置: 処理された結果を外部に表示・出力します（ディスプレイ、プリンタ、スピーカーなど）。 

例えるなら（人間の体）

  • 入力装置: 目や耳、手（情報を取り込む）。
  • 記憶装置: 脳の記憶（情報の一時・長期保存）。
  • 制御装置・演算装置: 脳（考える・指示を出す・計算する）。
  • 出力装置: 口や手足（反応・表現する）。 

これらの五大装置が協調して、私たちが普段使っているコンピュータの様々な機能を実現しています。 

CPUの動作

CPUはコンピュータの頭脳で、プログラムの命令をメモリから「取り出し」、「解読」、「実行」し、結果を「書き込み」するというサイクル（命令サイクル）を高速で繰り返すことで動作します。このサイクルをクロック信号という周期的な信号に合わせて実行し、クロック周波数（Hz）が高いほど高速に処理できます。 

基本的な動作ステップ（命令サイクル）

  1. 命令フェッチ: メモリから命令を読み込む。
  2. デコード: 読み込んだ命令の内容を解釈する。
  3. オペランドフェッチ: 実行に必要なデータをメモリやレジスタから読み込む。
  4. 実行: 実際に計算などの処理を行う。
  5. 結果の書き込み: 処理結果をレジスタやメモリに書き戻す。 

処理を高速化する仕組み

  • クロック周波数: 1秒間にこのサイクルを何回繰り返せるかを示し、GHz（ギガヘルツ）で表されます。
  • パイプライン処理: 命令の各段階（フェッチ、デコードなど）を並行して処理することで、複数の命令を同時に処理し、全体の速度を向上させます。
  • マルチコア: 複数の処理ユニット（コア）を持つCPUは、複数のタスクを同時に処理できます。 

これらのステップと技術を組み合わせることで、CPUはコンピュータ上で複雑なプログラムを高速に実行します。 

CPUの構成要素

CPUの主な構成要素は、命令の解読と制御を行う制御装置、四則演算や論理演算を行う演算装置（ALU）、データを一時的に保持する高速メモリレジスタ、そしてこれらを繋ぐバスです。現代のCPUでは、高速化のためにキャッシュメモリや浮動小数点演算ユニット（FPU）も内蔵され、複数の処理単位コアで並列処理を行うのが一般的です。 

CPUの主要な構成要素

  • 制御装置
    • プログラムの命令を解読し（デコーダ）、各装置への制御信号を送ります。
    • 命令のフェッチ（取り出し）、デコード（解読）、実行のサイクルを管理します。
  • 演算装置
    • 加算、減算、AND、ORなどの算術演算や論理演算を実行します。
    • 高速な演算処理を担います。
  • レジスタ
    • CPU内部にある非常に高速な小容量メモリで、演算中のデータや命令、アドレスなどを一時的に保持します。
    • プログラムカウンタ（次の命令のアドレスを保持）、命令レジスタ（現在実行中の命令を保持）など、役割ごとに種類があります。
  • キャッシュメモリ
    • レジスタと主記憶（メインメモリ）の中間的な速度と容量を持つメモリで、頻繁に使うデータを一時的に置いて高速アクセスを可能にします。
  • バス
    • CPU内部やCPUと外部メモリ、周辺装置との間でデータや制御信号をやり取りするための経路（信号線）です。 

現代のCPUにおける特徴

  • コア: 演算処理を行う基本的なユニットで、複数のコアを持つマルチコアCPUが一般的です。これにより複数のタスクを並列処理できます。
  • FPU: 浮動小数点演算に特化した演算ユニットで、高性能化に貢献しています。
  • SoC: メモリコントローラやGPUなど、本来CPUとは別の機能まで1つのチップに統合したものです。

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