【図解あり】CPUとは何ですか?特徴と中身の仕組みについて解説!

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CPUとは

CPU(Central Processing Unit)は、コンピュータの計算や制御を行うとても重要な部品です。

人間でいう「脳」の役割を担い、CPUの性能一つでコンピュータの性能も左右されます。

一般的に高価なものほど処理速度が早いです。

CPUの構成

構成は以下のようになっています。

  • CPU
  • レジスタ
  • 制御装置
  • 演算装置
  • クロック

CPUの構成図

制御装置や演算装置は、コンピュータの五大装置と呼ばれています。

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それでは、CPUの中身について紐解いていきましょう。

レジスタ

レジスタは英語で「Register」と記載します。

日本語訳は「登録」です。

処理対象となるデータや命令を一時的に格納するためのものです。

記憶装置の最小単位となるので「記憶素子」と呼ばれる部品です。

容量はとても小さいですが、高速に処理を実行します。

CPUが一度に処理できるビット数は、レジスタのサイズによって異なります。

現在は32ビットと64ビットが主流です。

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このレジスタのサイズは、大まかなCPUの種類としても区別されています。

制御装置

メモリに格納されているデータや命令をレジスタに読み出し、演算装置や周辺装置の制御を行います。

メモリとCPUのレジスタは密接に関わっています。

メモリからデータを読み出して、レジスタに格納するわけです。

つまり、CPUのレジスタサイズが64ビットでも、メモリが小さければ性能を発揮することができないというわけです。

演算装置

制御装置からの信号を受け、データの計算や変換を行います。

この計算結果も、レジスタへ格納しなおします。

五大装置については、詳しくはこちらをご覧ください。

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クロック

まず、クロック信号について理解しましょう。

そもそもコンピュータの中で使われる信号とは何でしょうか。

コンピュータは、電気で動作していますね。

電気は「ON」と「OFF」で成り立っています。

この「ON」と「OFF」を以下のように照らし合わせて利用しています。

ONOFF
10

クロックは、クロック信号というパルス(ON/OFF)を発生させる部品です。

1秒あたりの信号数を「クロック周波数」と呼び、単位は「Hz(ヘルツ)」です。

レジスタのビット数が同じCPUでも、クロック周波数が多いほど処理速度も速いです。

クロック周波数による処理速度の違いについて

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CPUの動作原理

次に、CPUがどのような流れで処理実行しているのか理解しましょう。

CPUは、メモリとペアになって処理を実行していきます。

CPUの処理の流れ

  1. 命令を読み出す
  2. 命令を解読する
  3. データの位置を計算する
  4. データを読み出す
  5. 命令を実行する

ちなみに、右側に記載している「メモリ」にある命令やデータは、制御装置(CPU)によって割り当てられたものです。

プログラムを書く→実行する→制御装置(CPU)がプログラムの命令やデータをメモリ(主記憶装置)に配置する→CPUが上記の処理を実行する、という流れです。

入出力制御も担うCPU

以上が、CPUの中身についてでした。

次に、CPUの外側をみてみましょう。

CPUは、I/Oシステムという物を使用し、入出力装置を制御します。

I/Oは「Input/Output」のことです。

入出力装置の種類に応じて、それぞれのI/Oシステムが存在します。

  • キーボード用I/O
  • ディスプレイ用I/O
  • CD-ROM用I/O

以上の他にもあります。

まとめ

CPUの役割について理解できたでしょうか。

CPUは「演算処理」と「制御処理」を担っています。

そして、プログラムによって生成された多数の「命令」を読み込んだり、実行することを担います。

CPUがないと、コンピュータの中枢となる機能が全く使えなくなってしまう重要なものであることが分かりました。

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