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CPUのしくみ

 「ハードウェアのしくみ」で触れたように、CPUはメモリーまたはI/Oから入力された情報を演算するというコンピュータの頭脳の役割を担っています。ここではより詳しくCPUの動作について説明します。

【2値信号による情報の表現】
 コンピュータで扱われる情報はすべて0か1の信号で表されます。この0と1は信号線の電圧レベルを低電圧と高電圧の2つのレベルにし、それぞれを0と1に割り当てて表現されます。

 1本の信号線ではある瞬間には0か1の2つの場合しか表現できませんが、例えば信号線が4本であれば4個の2値信号、つまり2の4乗で16種類の情報を表現することができます。

 さらに、信号線の本数が8本であれば2の8乗で256通りの情報、16本であれば65,536通り、32本であれば実に4,294,967,296通りの情報を表すことができます。

 また、1個の2値信号のことを1ビットの信号といい、コンピュータが扱うデータの最小単位となります。つまり、1本の信号線の信号は1ビット、32本の信号線では32ビットの情報量を扱えるというわけです。

 このように0と1で表された情報は、例えば8ビットであれば256種類の情報をアルファベットや記号、様々な命令に符号(コード)として対応させることで、キーボードなどから入力された文字や記号、命令がCPUで解釈することができるようになります。

 扱うことのできる情報量が多ければ多いほど、文字や記号だけでなく、色や画質など、あらゆる情報を扱うことができるようになるのです。

【情報の処理量】
 CPUでは何ビットかの情報をひとまとめにして一度に処理します。この一まとめにした情報の処理単位を語(ward)と呼び、1語の長さを語長といいます。どれだけの語長が扱えるかということがCPUの重要な性能の一つです。

 この語長を用いて8ビットのCPU(プロセッサ)、16ビットのCPUなどと分類します。現在のCPUは32ビットが主流となっています。32ビットのCPUの方が一度にたくさんの情報を解釈できるため、処理速度も速くなるというわけです。

【情報の処理速度】
 これまで説明したように32ビットのCPUであれば非常にたくさんの情報が扱えるわけですが、32ビットの情報は32本の信号線の高低の2種類の電圧状態で表されています。信号線の電圧状態が変わらなければ、ずっと同じ情報を保持したままになってしまうため、信号線の電圧状態は一定の周期で変化させる必要があります。

 この変化していく周期をクロック周波数といい、CPU内部には一定周期のパルス信号が水晶発振器によって供給されていて、このパルス信号に同期してCPU内の信号線の状態が変化していきます。

 したがって、クロック周波数の周期が早ければ早いほど、CPUが扱うことのできる情報量が増えることになり、処理速度が上がっていくことになるのです。クロック周波数はヘルツ(Hz)という単位で表され、「1秒間に100万回の周波数」で動作することを1メガヘルツ(MHz)、「1秒間に100万回×1024の周波数」で動作することを1ギガヘルツ(GHz)といいます。

 このクロック周波数もCPUの重要な性能の一つになります。ただし、CPUの動作速度が速いからといって、必ずしもコンピュータ全体の動作速度が速いとは限りません。コンピュータには、メモリやI/Oなど様々な装置が搭載されていて、CPUと連動しているのでメモリやI/Oも速くなければコンピュータの動作速度が速いとはいえないのです。



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