前のページ 1/5 次のページ

CPU(シーピーユー、Central Processing Unit、セントラルプロセッシングユニット)はプログラムによって様々な数値計算や情報処理、機器制御などを行うコンピュータにおける中心的な電子回路である。中央処理装置(ちゅうおうしょりそうち)あるいは中央演算処理装置(ちゅうおうえんざんしょりそうち)とも言われる。

◆ 概要

CPUは記憶装置上にあるプログラムと呼ばれる命令列を順に読み込んで解釈・実行することで情報の加工を行う。CPUはコンピュータ内での演算を行なう中心であり、CPUは通常はバスと呼ばれる信号線を介して主記憶装置や入出力回路に接続され、何段階かの入出力回路を介して補助記憶装置や表示装置、通信装置などの周辺機器が接続され、データやプログラムなど情報のやりとりを行う。

このようなCPUを用いたプログラムによるコンピュータの逐次動作がほとんどのコンピュータの基本的な動作原理となっている。

記憶装置上にプログラムを配置してから、プログラムを実行する方式をプログラム内蔵方式と言う。

現在では概して1チップのLSIに集積されており、MPU(Micro Processing Unit)またはマイクロプロセッサと呼ぶこともある。また、算術演算機能を強化し信号処理に特化したDSP や、メモリや周辺回路を搭載し組込み機器制御を目的としたマイクロコントローラ(マイコン)などの展開種も登場している。

専用の電子回路に比べると実行速度は遅いが、プログラムを変えるだけで多様な処理が行えることから、非常に多岐にわたる用途に使用できまた高度な動作が可能となる。また専用回路に比べ設計、修正が容易である。以上のような特徴を持つため、CPUはおよそあらゆるシステムに内蔵され、現代の産業や生活の屋台骨を支える存在にまで普及している。現在最も普及しているCPUアーキテクチャの一つにARMアーキテクチャが挙げられる。ARMアーキテクチャは1991年から数え2008年初頭に出荷個数が100億個を超える

など、家電製品から工業製品、携帯機器などに至るまで様々なシステムに組み込まれ、機器制御を司っている。また、PCなど現在の汎用コンピュータ製品における殆どのメインCPUにx86アーキテクチャが用いられており、特にインテルのx86系CPU出荷数は1978年6月9日の8086発売から2003年までの25年で10億個を越えた[外部リンク] 25周年を迎えた、インテルのx86アーキテクチャ, 2003年6月10日, CNET Japan。

CPUの構造は1949年に世界最初のストアードプログラム方式コンピュータであるEDSACが発表された時点で、現在のCPUの原型が完成している。

CPUの発達は、プロセス技術の微細化による高速化、パイプライン並列化(命令パイプライン、演算パイプライン)、命令並列化(スーパースカラ、VLIW)、データ並列化(SIMD演算)、CPUコア並列化、スレッド並列化(同時マルチスレッディング)などに支えられている。

◆ 構造と動作

◇ 構造

CPUは、ALUなどの演算装置、データを一時記憶するレジスタ、メモリなどの記憶装置へのIF、周辺機器との入出力装置へのIF、CPU全体を制御する制御装置などで構成される。

その他 浮動小数点演算を行うFPU(浮動小数点演算ユニット)、レジスタより多くの情報を一時記憶するキャッシュメモリ、DMAコントローラ、タイマー、シリアルインターフェースなどの機能をCPUと同一IC内にもつものもある。

また、メモリから読み込んだ命令語を内部的なオペレーションに置き換える変換部を持つものもある。

クロック同期型のCPUは、クロック信号によって規則正しいタイミングで各部の動作を統制されている。

同じCPUであればクロック周波数が高い方が高速に動作し、一定時間に多くのことを処理できる。

1クロックで処理できる内容はCPUの設計により異なり、複数クロックで1つの機械語命令を実行するものから、1クロックで複数の命令を同時に実行できるものまである。

クロック周波数が1GHzのCPUは、1秒間に10億回の基本回路が動作する。

多くのCPUでは、大まかに言って制御部が命令の解釈とプログラムの制御の流れを制御し、演算部が演算を実行する。

高性能なCPUや、非ノイマン型のCPUや、画像処理向けのCPUは、同時に複数の命令を実行できるように複数の実行部を同一IC内に持っているものがある。

◇ 動作

ノイマン型CPUの基本的な動作は、その実装に関わらずプログラムと呼ばれる命令列を順番に実行することである。

プログラムは数値列として何らかのメモリに格納されている。CPUでは、フェッチ、デコード、実行という3つのステップがほぼ必ず存在する。

最初の段階であるフェッチとは、実行すべき命令(ある数値または数値の並び)をプログラムの置かれたメモリから取り出すことである。メモリ上の実行すべき命令の位置はプログラムカウンタで指定される。プログラムカウンタはCPUが現在見ているプログラム上の位置を示しているとも言える。命令フェッチに使用されると、プログラムカウンタはフェッチしたぶんだけ増加させられる。

前のページ 1/5 次のページ

・CPU page1

・CPU page2

・CPU page3

・CPU page4

・CPU page5