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CPUの役割

CPU中央演算処理装置)は、コンピュータにおける中心的な処理装置(プロセッサ)である。コンピュータの中枢を担うデバイスで、コンピュータ内の各機器とはバスで繋がっている。

システムは通常、ハードディスクなどのストレージに保存されるが、これらシステムをストレージから取り出して情報処理を行うのがCPUである。ハードディスクやメモリ、各周辺機器などからデータを受け取り、制御や演算を担当する。

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CPUを構成する要素

CPUという1つのパーツだが、役割によって異なる要素が組み込まれている。

制御装置
次に処理すべきデータが、メモリ上のどの番地にあるのかを制御装置内のプログラムカウンタに記憶し、それを順番に演算装置へ伝えていく。
演算装置
制御装置から伝達されたメモリ上のアドレスを手がかりにデータを処理していく。
データ処理や演算をALU(算術論理演算回路)が担い、「0」と「1」の膨大なデジタルデータを高速に処理する。
キャッシュメモリ
内蔵の主記憶装置。
レジスタ
演算結果などのデータを一時的に格納する回路。
クロック
コンピュータ内部の動作の同期をとる為に、一定の間隔でパルス(クロック信号)を発生させる回路。
コンピュータ内部の回路はクロック信号に合わせて動作することになる。

キャッシュメモリ

キャッシュメモリCPUに内蔵された主記憶装置。メインメモリよりもはるかに容量が少ないが、高速なメモリ。

CPUは本来、メインメモリが記憶したデータを読み出して処理を行っている。しかしメインメモリだと、CPUから距離があるし、また、メインメモリはCPUに比べて動作が遅い為、CPUの処理が遅れてしまう。そこでCPU内に高速なメモリを設け、メインメモリから何度も読み出すような頻繁に使うデータはここに記憶する。これがキャッシュメモリで、こうして処理を高速化している。

キャッシュメモリは1次と2次に分かれている

キャッシュメモリは1次と2次に分かれており、表記は「L1キャッシュ」「L2キャッシュ」とされる。高性能なCPUでは3次(L3)キャッシュまで備えたものもある。

L2よりもL1といった具合に、数字が若いほど容量が少なく高速になる。

CPUがアクセスするのは数字が若い順で、欲しいデータが1次キャッシュになければ2次キャッシュにアクセスし、そこにもなければ3次キャッシュまたはメインメモリにアクセスする。

レジスタ

レジスタもまたCPU内部の記憶領域だが、キャッシュメモリとは別のもの。

CPUが、処理を行う際の一時的な記憶領域として使っている。CPU内部の記憶装置の中でも、レジスタが最も高速。

キャッシュメモリ同様SRAMが使われている。

キャッシュメモリとの役割の違い

CPUにおいて、ユーザが入力したデータは主記憶装置に一時的に記憶され、そこから演算装置に渡され処理される。処理の途中でも、計算結果を一時的に保存する場合があるのだが、その時はレジスタに保存する。また、次の処理に必要なデータが、主記憶装置のどこに保存されているかの情報もレジスタが記憶している。

キャッシュメモリはあくまでも、本来主記憶装置に保存されるべきデータの内、頻繁に使うデータを、CPUが読み出しやすいように近い位置に保存する為のメモリである。

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