CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明

CPU【Central Processing Unit】（以降、CPUと呼ぶ）は中央処理装置と呼ばれ、プログラムを解釈・実行してコンピュータ全体の動作を制御しています。

コンピュータの中央処理装置と聞くと複雑な処理を行っているように思われるかもしれませんが、実は

四則演算
論理演算
比較演算等々

の単純な計算処理と基本的なデータの処理しか実行していません。

この記事では、

CPUの構造
CPUの動作原理
人気CPU

それぞれについて説明していきます。

CPUの構造

CPUの内部は

制御ユニット
演算ユニット
レジスタ群
クロック

で構成されています。

制御ユニット

制御ユニットの基本的な役割は

CPU内の演算ユニットやレジスタの動作
メモリ（主記憶装置：以降、メモリと呼ぶ）の読み書き・入出力等

を制御する事です。

制御ユニットの中のデコーダは

命令レジスタの命令部をデコード（解読）
演算ユニットの中の演算回路の選択

を行います。

演算ユニット

ALU（Arithmetic Logic Unit）は代表的な演算ユニットで

論理演算
加算・減算

を行います。

演算結果はアキュムレータに格納されます。

コンピュータの世界は人間の世界とは違い2進数で

数字
文字

を扱うため、CPUの演算処理は

で行われます。

実際の演算処理の大まかな流れは

2進数の機械語命令がメモリから読み込まれ
デコーダを経て制御情報に変換
制御情報にに従って演算器が動作
2進数で表現されたデータで演算
結果を2進数で出力

というようになります。

出典:Nikkei Business Publications, Inc.

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2進数の

それぞれの区別は、コンデンサの電荷の有無で判断しています。

トランジスタがスイッチの役割を担っており、

スイッチをオン -> コンデンサに電荷が貯まる。ある一定値以上に電荷がたまった状態・・・1
スイッチをオフ -> コンデンサに電荷が貯まらない・・・0

となります。

出典:Nikkei Business Publications, Inc.

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レジスタ群

レジスタはCPU内のメモリみたいなものです。

CPU内に、数個から数十個のレジスタがあり、内部バスや演算回路などと密接に結びついているため、高速に動作します。

レジスタは用途によって色々な種類があります。

プログラムカウンタ

プログラムカウンタ（Program Counter）は、メモリに記憶されたプログラム・データを読み書きする上で、次の「命令」を取り出すアドレスを記憶しておくレジスタになります。

「命令」の実行が終わるとプログラムカウンタの値は自動的にインクリメント（増加）されて，次のアドレスにある「命令」を指すようになります。

ベースレジスタ

ベースレジスタ（Base Register）はメモリに記憶されたプログラム・データを読み書きする上で、基準となるアドレス（一般には、プログラムの先頭アドレス）を保持するためのレジスタになります。

指標レジスタ

指標レジスタ（Index Register）は、メモリに記憶されたプログラム・データを読み書きする上で、基準となるアドレスからの増減値を記憶しておくレジスタになります。

命令レジスタ

命令レジスタ（Instruction Register）とは、メモリから読みだした「命令」を記憶するレジスタになります。

命令レジスタは、

命令部・・・デコーダに渡される
アドレス部・・・ベースレジスタ・指標レジスタと共に「命令」を実行する為に必要なデータのレジスタをオペランドアドレスの選択に使用

に分かれています。

オペランドアドレス・・・プログラムの先頭番地からのアドレス

アキュムレータ

アキュムレータ（Accumulator）は、演算ユニットによって利用されるレジスタで、演算対象・演算結果を格納します。

A・B・・・入力（オペランド）
R・・・演算結果
F・・・制御ユニットからの入力
D・・・出力ステータス

をそれぞれ表しています。

汎用レジスタ

汎用レジスタ（General Registerは目的の定められていないレジスタです。

通常は演算結果などを記憶するために使われます。

クロック

コンピュータ内にあるCPUを含めた主要装置は、コンピュータ内部の主要装置の動作の同期をとるために、一定の間隔でパルス（クロック信号）を発生させるクロックジェネレータと呼ばれる電子部品があります。

パルスの速さはクロック周波数と呼ばれています。

周波数・・・電気振動等の現象が、単位時間（ヘルツの場合は1秒）当たりに繰り返される回数のこと

出典:Nikkei Business Publications, Inc.

CPUの基本動作

パソコンを使う際、色々なアプリケーションを利用すると思います。

例えば、オフィス・ワークなら

Microsoft社のWord・Excel
オープンソース・Libre OfficeのText Document・Spread Sheet

これらアプリケーションが起動する際には、CPUがアプリケーションのプログラムファイルを読み込み・処理しています。

CPUがプログラムファイルを読み込み・処理するまでの一連の流れを

補助記憶装置からメモリへ格納
フェッチ・デコード
実行
結果出力

に分けて説明します。

補助記憶装置からメモリへ格納

プログラムファイルは、CPUに処理・実行させる「命令」の集合体です。

補助記憶装置である

HDD（Hard Disk Drive:ハードディスクドライブ）
SSD（Solid State Drive:ソリッド・ステート・ドライブ）等々

に保存されているプログラムファイルをチップセットを通してメモリ上に格納します。

フェッチ・デコード

CPUは、メモリに格納されたプログラムファイルの「命令」を、順番に読み込んで実行しています。

メモリに格納されている「命令」を、

外部バスインタフェースを通して制御ユニットに読み込む（フェッチ：fetch）
制御ユニットにあるデコーダー（Decoder）で「命令」が
- 演算情報なのか
- 情報処理なのか
具体的な情報に解読（デコード: Decode）

デコードされた「命令」は「制御情報」になります。

フェッチ：fetch・・・邦訳すると

「取ってくる」
「呼んでくる」

という意味です。

デコード：Decode・・・邦訳すると「復号化」という意味です。

実行

演算ユニットでは

制御ユニットの「制御情報」
メモリから外部バスインタフェースを通して読み込まれた演算対象となるデータ

を利用します。

演算ユニットの中には

レジスタ・・・演算対象となるデータを格納（レジスタは複数存在）
演算器・・・実際に演算を処理

が存在し、演算ユニットの演算器は「制御情報」の指示に従い、レジスタにあるデータに対し演算を行い、演算結果をレジスタに書き込みます。

結果出力

レジスタに書き込まれた演算結果はメモリに出力されます。

スペック
メーカー	AMD
プロセッサ名	Ryzen 5 1600 (AF)
世代	第2世代
ソケット形状	Socket AM4
コア数	6
クロック周波数	3.2GHz
最大動作クロック周波数	3.6 GHz
スレッド数	12
マルチスレッド	○
二次キャッシュ	3MB
三次キャッシュ	16 MB

スペック
メーカー	AMD
プロセッサ名	Ryzen 3 3300X
世代	第3世代
ソケット形状	Socket AM4
コア数	4
クロック周波数	3.8GHz
最大動作クロック周波数	4.3 GHz
スレッド数	8
マルチスレッド	○
二次キャッシュ	2MB
三次キャッシュ	16 MB

スペック
メーカー	AMD
プロセッサ名	Ryzen 5 3600
世代	第3世代
ソケット形状	Socket AM4
コア数	6
クロック周波数	3.6GHz
最大動作クロック周波数	4.2 GHz
スレッド数	12
マルチスレッド	○
二次キャッシュ	3MB
三次キャッシュ	32MB

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明

CPUの構造

制御ユニット

演算ユニット

レジスタ群

プログラムカウンタ

ベースレジスタ

指標レジスタ

命令レジスタ

アキュムレータ

汎用レジスタ

クロック

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フェッチ・デコード

実行

結果出力

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