【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（中央処理装置）は、プログラムの命令を取り出して解読し、演算や各部の制御を行う装置です。この章では、五大装置、命令サイクル、レジスタなどの構成要素を順につなげて学びます。

最後にクロックとCPIの関係も確認します。「クロックが高いほど必ず速い」「1クロックで必ず1命令を実行する」という覚え方を避け、性能計算の土台を作りましょう。

コンピュータの五大装置とCPUの役割

五大装置は機能による分類です。CPUは主に制御と演算を担います。実際の機器では複数の機能を一つの装置やチップにまとめることもあります。

CPUの基本動作は、次のような段階で説明できます。これは学習用の整理で、命令の種類やCPUの設計によって、必要な段階やその分け方は異なります。

命令は「行う操作」、オペランドは「その操作の対象」です。例えば加算なら、加算という操作と、足し合わせる値を区別して考えます。命令中に直接値を持つ形式もあります。

【概念を示す疑似命令】
R1 ← R2 ＋ R3

命令を取り出す
  ↓
加算命令であることと対象のレジスタを解読する
  ↓
R2の値3、R3の値5を用意する
  ↓
演算装置で3＋5を計算する
  ↓
結果8をR1へ保存する

この例では値はレジスタにあります。全ての命令がオペランドを主記憶から読み出したり、結果を主記憶へ書いたりするわけではありません。

PCはアドレス、IRは命令そのもの、と区別しましょう。パイプラインを持つCPUなどで見えるPCの値の詳細は、命令セットや実装の仕様に従います。

クロック周波数は、1秒間のクロック数を表します。2GHzなら1秒間に20億クロックで、1クロックの時間（クロック周期）は1÷20億＝0.5nsです。

一方、1命令当たりに平均で何クロック必要かを表すのがCPI（Cycles Per Instruction）です。1命令が複数クロックにまたがる場合も、複数命令の実行を重ねて平均CPIが1未満になる場合もあります。

単純な性能モデルでは、CPU実行時間＝命令数×平均CPI÷クロック周波数で考えます。例えば命令数1,000万、平均CPIが2、クロック周波数2GHzなら、実行時間は0.01秒（10ms）です。

同じプログラムでも、命令数・CPI・メモリアクセスの影響などが変わるため、周波数だけで性能は決まりません。実行時間の計算では、問題で与えられた条件と単位をそろえましょう。

クロック周波数2GHz、平均CPIが4のCPUで、800万命令を実行するとき、上記の単純なモデルでCPU実行時間は何秒でしょうか。

解答・解説を見る

0.016秒（16ms）です。800万×4＝3,200万クロック。これを20億クロック／秒で割ります。GHzを命令数／秒と置き換えないことがポイントです。

クロック・CPIから計算問題まで、数字の意味をつなげて復習したい方へ。

関連noteでは、クロック周波数と周期、CPI、命令実行時間、MIPS、CPU性能比較、キャッシュのヒット率と実効アクセス時間を扱っています。この章で学んだ構成要素を、性能評価の学習へつなげられます。

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