CPU

CPU

'''CPU'''（シーピーユー、）は、コンピュータなどにおいて中心的な処理装置として働く電子回路のことである。'''中央処理装置'''（ちゅうおうしょりそうち）や'''中央演算処理装置'''（ちゅうおうえんざんしょりそうち）などと訳される。

CPU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。CPUは通常はハードウェアであるプロセッサにより実現され、現代のプロセッサの大多数はマイクロプロセッサである。

「CPU」と「プロセッサ」と「マイクロプロセッサ」は、ほぼ同義語として使われる場合も多い。本来は「プロセッサ」は処理装置の総称、「CPU」はコンピュータ上で中心的なプロセッサ、「マイクロプロセッサ」はマイクロチップに実装されたプロセッサである。

次のエントリ[ 概要 ]

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。人間に例えると脳に相当する部分である。

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。

現在のCPUは、部品としてはプロセッサの1種である。プロセッサの多くはマイクロチップとして実装されており、マイクロプロセッサやMPU（Micro Processing Unit）と呼ばれる。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、専用回路に比べ設計、修正が容易である。このため、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アーキテクチャとして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多くの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多くのシステムのメインCPUにx86アーキテクチャが用いられており、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。

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、すでに基本的原理が確立している。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。次のエントリ[ 構造 ]

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、基本回路が1秒間に10億回の動作をする。

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。次のエントリ[ 動作 ]

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。

CPUがメモリからフェッチした命令によってCPUの次にすべきことが決定される。'''デコード'''では、命令をCPUにとって意味のある形式に分割する。命令を表す数値をどう分割するかは、予めそのCPUの命令セットで決定される。命令の一部の数値は命令コードと呼ばれ、実行すべき処理を指定する。その他の部分はオペランドと呼ばれ、その命令で使用する情報を示している。たとえば加算命令のオペランドは加算すべき数値を示している。オペランドには数値そのものが書かれていたり、数値のある場所（メモリのアドレスかレジスタの番号）が書かれている。古い設計では、デコーダ（デコードを行う部分）は変更不可能なハードウェア部品だった。しかし、より複雑で抽象的なCPUや命令セットではマイクロプログラム方式がしばしば使われ、命令を様々な信号に変換するのを助けている。このマイクロプログラムは書き換え可能な場合があり、製造後でも命令デコード方法を変更することができる。

'''フェッチ'''と'''デコード'''の次は、'''実行'''ステップが行われる。このステップでは、CPUの多くの部分が接続され（たとえばマルチプレクサを切り替えるなどして）指定された操作を実行する。たとえば、加算を要求されている場合、ALUが所定の入力と接続され、出力と接続される。入力は加算すべき数値を提供し、出力には加算結果が格納される。加算結果が大きすぎてそのCPUに扱えない場合、算術オーバーフローフラグをフラグレジスタ（ステータスレジスタ）にセットする（RISCではフラグレジスタが存在しない場合もある）。入力や出力にはいろいろなものが使用される。演算結果が一時的かあるいはすぐに利用される場合にはレジスタと呼ばれる高速で小さなメモリ領域に格納される。メモリも入力や出力に使われる。レジスタ以外のメモリは低速だが、コスト的には一般的なメモリの方が安価であり大量のデータを格納できるため、コンピュータには必須である。

いくつかの命令はプログラムカウンタを操作する。それらは一般にジャンプ命令と呼ばれ、ループを構成したり、条件分岐をしたり、サブルーチンを実現するのに使われる。また、多くの命令はフラグレジスタを変化させる。それらのフラグはプログラムの動作に影響を与える。たとえば比較命令は二つの値を比較してフラグレジスタにその大小を示す値をセットする。そして、その値を使用してその後の処理の流れを決定するのである。

命令を実行後、同じ流れが繰り返されて次の命令をプログラムカウンタにしたがってフェッチする。もっと複雑なCPUでは、複数の命令をフェッチし、デコードし、同時に実行することもできる。しかし、基本的にどんなCPUでもやっていることはここで説明した流れと同じである。次のエントリ[ 歴史 ]

歴史

現代のCPUのような装置が出てくる以前、ENIACのような計算機は、実行する処理の内容を変える度に物理的に配線を変更していた。このような機械では、プログラムを変更するために物理的に再構成する必要がある（たとえばENIACなどではパッチパネルが使われた）ことから「プログラム固定計算機」と呼ばれることがある（なお、ENIACは非常に限られた機能と性能になるが、ある程度はプログラム内蔵方式的な動作もできた）。

CPUは、一般にソフトウェア（プログラム）を実行する装置として定義されるため、CPUと呼べる最初の装置はプログラム内蔵方式のコンピュータからである。プログラム内蔵方式の考え方は、ENIACの設計時にすでに存在していたが、マシンの完成を早期に可能とするため、ENIACの初期段階で採用されなかった。ENIACが完成する以前の1945年6月30日、数学者のジョン・フォン・ノイマンの名で、''First Draft of a Report on the EDVAC'' という報告書が公開・配布された。この中で、プログラム内蔵方式のコンピュータの設計について概説されている（アイディアの元はENIACのプロジェクト中に検討されたもので、ノイマンは助言役として加わり、報告書の執筆者はノイマンである。報告書の著者がノイマンだけとされたことやアイディアを誰の功績とみるかについては諸説ある）。この報告書はEDSACなどに影響を与えた。EDVACは1949年8月に一応の完成を見、アバディーンに移された（モークリーとエッカートの離脱（理由については諸説）などがありごたついた。運用に入ったのは1951年）。EDVACは様々な命令の集まりを実行するよう設計されていた。命令を組み合わせることで実用的なプログラムを構成し、EDVACで動作させることができたのである。殊にEDVACではプログラムは高速なメモリに格納されており、物理的に配線を変更することで指定されるものではない点が重要である。ノイマン型の設計では、EDVACで動作させるプログラムを変更するにはメモリを書き換えればよかったのである（ノイマン型はプログラム内蔵だけでなく、プログラムがデータとして書き換え可能である点まで含む点に注意）。

結果としてノイマン型で先に完成したのは、EDSAC(1949年)やManchester Mark Iの試作機 ''Baby'' (1948年)である。EDVACは先に設計が始まっているが、設計者間のごたごたがあって完成が遅れた。また、アイデアレベルではZuse Z3を1941年に開発しているコンラッド・ツーゼもそれ以前にプログラム内蔵方式（書き換えでない点に注意）を考案していた（1936年に特許申請しているが、アメリカに出願した際にチャールズ・バベッジの解析機関との類似を指摘され、特許は成立していない。ツーゼはこのときまでバベッジの業績を知らなかったと思われる。なおZ3は1998年にチューリング完全であったことが示されている）。データとプログラムを同じ記憶装置に格納するかどうかという点が異なる方式として、ハーバード・アーキテクチャがある。これはEDVAC以前に完成したHarvard Mark Iに由来する。同機ではさん孔テープにプログラムを格納した。ノイマン型とハーバード型の大きな違いは、後者が命令とデータの格納場所と扱いを完全に分離していることであり、前者はどちらも同じ記憶領域に格納する。汎用CPUは基本的にノイマン型であるが、ハーバード・アーキテクチャも部分的に採用されている（キャッシュメモリなど）。

デジタル機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかのスイッチを必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、リレーや真空管がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、信頼性が低かった。例えば、直流順序論理回路をリレーで構築するには、チャタリングと呼ばれる問題を補正する追加のハードウェアが必要だった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、動作中にカソードの電子放射能力が減退（エミッション減退）して動作不能になってしまう。真空管が故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。EDVACのような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間（MTBF = Mean Time Between Failure）は約 8 時間であったが、Harvard Mark Iのようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、信頼性よりも性能が重視され、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUのクロック周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100kHz～4MHz程度であった。これは、当時の論理素子（真空管）のスイッチング速度によって限界が定められていたのである。次のエントリ[ トランジスタ製CPU ]

出典:フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

別のワードで検索！

まずは検索→

トレンドマガジン [マグゥ]でCPUを検索