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応用情報技術者試験のお勉強【CPU】

IT知識
CPU

今回は応用情報技術者試験の勉強としてCPUについてまとめました。わからない人のために簡単に説明しておくと、CPUはコンピュータの脳みそにあたる部分で制御装置プログラムの命令を解釈したり演算装置でデータの演算処理を行います。

応用情報技術者試験の参考書として以下の書籍はイラストが多く使われていて分かりやすかったのでので是非読んでみてください。

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レジスタ

レジスタとはプログラムの命令を記憶しておく装置です。レジスタには様々な種類があり、役割に応じて機能するレジスタが変わります。

プログラムレジスタ

次に実行する命令が記録されている

命令レジスタ

命令を一時的に記憶する

インデックスレジスタ

連続したデータの取り出しに使うための加算分を記憶する

ベースレジスタ

プログラムの先頭アドレスを記憶する

アキュムレータ

演算する数を記憶したり演算結果を記憶する

汎用レジスタ

特に機能は限定していないレジスタ

命令の実行手順

命令の取り出し

最初に行われる手順として「命令の取り出し」があります。プログラムカウンタから命令の入っているアドレスを確認し命令を取り出し命令レジスタに記憶させます。取り出し終わったらプログラムカウンタの値を増加させ次の命令の準備をします。

命令の解読

命令レジスタに取り出した命令は以下のような構造になっており、命令部は命令の種類のコードが、オペランド部(命令によってはない場合もある)には処理対象の情報があるメモリアドレス等が入っています。

命令の解読はこの命令部の情報が命令デコーダという場所に運ばれ、命令デコーダが命令部からの情報を解読し制御信号を送ります。

対象データの読み出し

対象データの読み出しでは、オペランド部に格納されているメモリアドレスなどの情報から対象データのアドレスを特定し汎用レジスタなどに対象データを記憶させています。

命令実行

そして最後に汎用レジスタなどに記憶されている対象データから演算を行い演算結果を戻して終了となります。

CPUの性能指標

クロック周波数

クロック周波数とはクロックが1秒間に繰り返される回数のことです。1Hzで1秒間に1回クロックが繰り返されます。

クロックサイクル時間

クロックサイクル時間は1クロックに要する時間のことです。

CPI

CPIは1つの命令でどのくらいクロックサイクルが必要かを表します。

MIPS

MIPSは1秒間にどのくらい命令できるかを表します。

CPUの高速化

パイプライン処理

パイプラインは命令の実行手順を効率化する仕組みのことで、ステージ(命令の実行手順の段階)ごとに並行処理することで効率を高めています。

スーパーパイプライン

スーパーパイプラインはパイプライン処理をさらに高速にするための手法です。ステージをさらに細分化することでさらに効率化を図ります。

スーパースカラ

スーパースカラもパイプライン処理をさらに高速にするための手法で、パイプライン処理の回路を複数作ることで効率化しています。

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