プロセッサの仕組み

プロセッサは、主記憶から命令を取り出し、命令部を解読し、必要なデータを取得して命令を実行するという流れを繰り返します。命令を取り出した後、プログラムカウンタは次に実行する命令を指すよう更新されます。

命令でデータの場所を指定する方法をアドレス指定といいます。直接アドレス指定、間接アドレス指定、インデックスレジスタを用いる方式などでは、命令中の値を実効アドレスとして利用する方法が異なります。

取出し、解読、データ取得、実行の流れを押さえる。

割込みが発生すると、プロセッサは実行中の処理を一時的に中断し、必要な状態を保存して割込み処理へ移ります。割込み処理が終わると、保存した状態を基に元の処理へ戻ります。

ゼロ除算など実行中の命令に起因するものは内部割込みの例です。一方、入出力装置の処理完了など、プロセッサの外部から通知されるものは外部割込みの例です。SVCのようにプログラムがOSの機能を呼び出すために発生させる割込みもあります。

内部要因か外部装置からの通知かを見分ける。

パイプラインは、命令処理を複数の段階に分け、異なる命令の各段階を重ね合わせて実行することで、単位時間当たりに完了する命令数を増やす方式です。分岐やデータ依存などによって処理をそのまま重ねられない場合は効率が低下します。

マルチコアプロセッサは、一つのプロセッサパッケージなどに複数の処理コアを備えます。並列化できる処理では複数コアを利用できますが、コア数を増やした割合と同じ比率で全処理が高速化するとは限りません。

パイプラインとマルチコアは並行性の単位が異なる。

クロック周波数は1秒間のクロック数を表し、2GHzなら1秒間に20億クロックです。CPIは1命令当たりの平均クロック数を表します。平均CPIが分かると、平均命令実行時間はCPI÷クロック周波数で求められます。

MIPSは1秒間に何百万命令を実行できるかを示す指標です。平均CPIを用いる場合、クロック周波数÷平均CPIで1秒当たりの命令数を求め、それを100万で割ります。命令の種類や構成が異なるCPU同士をMIPSだけで単純比較できない場合がある点にも注意します。

実行時間はCPI÷周波数、MIPSはその逆方向。