プロセッサの基礎まとめ【CPUの構造・性能・高速化・割込みまで解説】

　中央処理装置（CPU）は，コンピューターの中枢であり，基本情報技術者試験をはじめとする情報処理技術者試験で頻出の重要分野です。CPUの役割やしくみを，きちんと整理できていますか？

　このページは，初学者の方や，基礎を体系的に復習したい方に向けたまとめページです。

　後半には練習問題も用意しています。処理の流れを意識しながら理解を確認していきましょう。

CPU（Central Processing Unit：中央処理装置）とは

　CPUはコンピューターの中心となる装置です。主記憶装置からプログラムを読み出して，各装置の制御や演算などを行います。CPUは，制御装置や演算装置，レジスタという超高速の記憶装置などで構成されており，キャッシュメモリを内蔵したものもあります。

※ キャッシュメモリ…レジスタよりは遅いが主記憶装置よりは速い記憶装置

CPUの構成

デコーダ		CPUで実行する命令の内容を解読し，レジスタやALU，周辺装置を制御する
ALU（算術論理演算装置）		算術演算や論理演算を行う。加算器や論理演算回路などで構成されている
レジスタ	プログラムカウンター	次に実行する命令のアドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）を格納する
	メモリアドレスレジスタ	操作の対象となる命令や，読み書きするデータのアドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）を格納する
	命令レジスタ	操作の対象となる命令の内容を格納する
	汎用レジスタ	演算に使用するデータなどを格納する。汎用的（自由）に使用することができる
バス	データバス	データを伝送するバス
	コントロールバス	各装置を制御する信号を伝送するバス
	アドレスバス	各装置やメモリーの場所を指示する情報を伝送するバス

レジスタとは

　レジスタとは，命令やデータ，アドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）などを一時的に格納する小容量で超高速な記憶装置のことをいいます。CPUの構成によりレジスタの数や種類，容量は異なります。上記以外の主な装置やレジスタには，次のようなものがあります。

FPU（浮動小数点演算装置）		浮動小数点数専用の演算装置
レジスタ	インデックス（指標） レジスタ	アドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）の基準値からの相対的な位置を示す値を格納する。インデックスレジスタの値を変化させることで配列の添字操作の処理ができる。汎用レジスタを転用することが多い
	ベース（基底）レジスタ	プログラムの開始位置を格納する。プログラムを主記憶装置内の任意の位置に再配置するのに適している
	スタックポインタ	スタックの最上段のアドレスを保持するレジスタ。スタック内で最後に参照されたアドレスを保持している。割込み時や，関数呼び出し時などに使用する

※ スタックとは，後入れ先出しの規則でデータを保持するデータ構造のことをいう

練習問題

問　次の①～③について，レジスタ名を答えなさい。

①　次に実行する命令のアドレスを格納するレジスタ

②　実行中の命令の内容を格納するレジスタ

③　主記憶装置のアドレスを保持するレジスタ

命令の形式（CPUが扱う命令）

　CPUが実行する命令の形式は次のようになっています。

命令部	実行する命令の種類を格納
オペランド部	実行する命令のアドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）やデータを格納

命令実行の流れ

　命令の実行は，いくつかのステージに分けて行います。ステージとは，命令を機能ごとに分けた各段階のことをいい，命令の読み出しや，命令の解読，データの読み出し，命令の実行，実行結果の格納などがあります。

※ CPUの種類によりステージの数やその内容は異なる

　処理の流れは次のようになります。

① 命令の読み出し（フェッチ）

　プログラムカウンターが示すアドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）から命令を読み出し，命令レジスタへ格納する。

※ キャッシュメモリから命令を読み出すこともある。キャッシュメモリとは，CPUと主記憶装置の間（実際にはCPU内部）に置かれることのある高速な記憶装置である。主記憶装置から命令やデータを読み出す際に，その命令やデータをキャッシュメモリにも格納しておき，次に読み出す際にはキャッシュメモリにアクセスすることによりメモリアクセスを高速化する

② 命令の解読（デコード）

　命令レジスタの命令を解読する。

③ 実効アドレスの計算

　主記憶装置からデータを読み出す命令の場合，オペランド部から実効アドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）を計算し，メモリアドレスレジスタへ格納する。

※ 実効アドレスとは，対象のデータが存在するアドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）のことをいう。詳細は後述

④ データの読み出し

　主記憶装置，または，汎用レジスタからデータを読み出す。

※ キャッシュメモリからデータを読み出すこともある

⑤ 命令の実行

　命令部に指定した命令をALUで実行する。

⑥ 実行結果の格納

　主記憶装置，または，レジスタへ実行結果を格納する。

※ キャッシュメモリを内蔵するCPUで主記憶装置に実行結果を格納する場合は，キャッシュメモリにも格納する

　具体的には，次のようになります。

練習問題

問　次の①～⑤の処理を，命令実行の流れの正しい順に並べなさい。

①　命令の解読

②　データの読み出し

③　命令の読み出し

④　実効アドレスの計算

⑤　命令の実行

アドレス指定方式（実効アドレスの求め方）

　主記憶装置にある命令やデータは，アドレス（主記憶装置内のデータの保存場所）を指定することによって読み出します。次に実行する命令のアドレスはプログラムカウンターが指定し，データのアドレス（実効アドレス）はオペランドの値から計算し求めます。

即値アドレス方式とは

　即値アドレス方式は，オペランド部にデータを格納する方式です。主記憶装置へのアクセスはありません。

直接アドレス方式（絶対アドレス方式）とは

　直接アドレス方式は，オペランド部に実効アドレスを格納する方式です。

間接アドレス方式とは

　間接アドレス方式は，オペランド部のアドレスに格納されたデータ（アドレス）を実効アドレスとする方式です。

相対アドレス方式とは

　相対アドレス方式は，オペランド部の値とプログラムカウンターの値を加算した値を実効アドレスとする方式です。プログラムを主記憶装置内の任意の位置に再配置するのに適しています。

インデックス（指標）アドレス方式とは

　インデックスアドレス方式は，オペランド部の値とインデックスレジスタの値を加算した値を実効アドレスとする方式です。

ベース（基底）アドレス方式とは

　ベースアドレス方式は，オペランド部の値とベースレジスタの値を加算した値を実効アドレスとする方式です。

練習問題

問　次の①～⑥について，アドレス指定方式の種類を答えなさい。

①　オペランド部の値と，プログラムカウンターの値を加算して実効アドレスを求める方式は？

②　オペランド部にデータを格納する方式は？

③　オペランド部の値と，ベースレジスタの値を加算して実効アドレスを求める方式は？

④　オペランド部に実効アドレスを格納する方式は？

⑤　オペランド部のアドレスに格納されたデータ（アドレス）を実効アドレスとする方式は？

⑥　オペランド部の値と，インデックスレジスタの値を加算して実効アドレスを求める方式は？

CISCとRISC（命令セット設計）

　CPUには主に2種類のアーキテクチャがあります。

※ アーキテクチャとは，コンピューターシステムの論理的構造のことをいう

CISC（Complex Instruction Set Computer）とは

　CISCでは，演算や処理をマイクロプログラムの組み合わせによりソフトウェア的に実行します。そのため，1つの命令で複雑な処理を行うことができます。また，各命令の長さは可変長です。

※ マイクロプログラムとは，CPUに対する命令を分割した単純な命令のことをいう

RISC（Reduced Instruction Set Computer）とは

　RISCでは，演算や処理を論理回路によりハードウェア的に実行します（ワイヤードロジック方式）。一つひとつの命令は単純で，高速に実行できるよう設計されています。また，各命令の長さは固定長で，命令数は少なくなります。

CISCとRISCの比較

	CISC	RISC
処理	マイクロプログラムの組み合わせによりソフトウェア的に実行	ワイヤードロジック方式によりハードウェア的に実行
特徴	1つの命令で複雑な処理を行うことができる	1つの命令で単純な処理を行う
命令数	多い	少ない（通常100未満）
命令長	可変長（16～64ビット）	固定長（32ビット）
具体例	Intel（Core i7，celeronなど） AMD（Ryzen 7など） ※ パソコンに使われることが多い	ARM ※ スマホやタブレット，組込みシステムに使われることが多い

練習問題

問　次は，CPUのアーキテクチャに関する説明文である。（　　）内に適語を入れよ。

①　（　　）では，演算や処理を（　　）の組み合わせによりソフトウェア的に実行する。そのため，1つの命令で複雑な処理を行うことができる。また，各命令の長さは（　　）長である。

②　（　　）では，演算や処理を（　　）方式によりハードウェア的に実行する。一つひとつの命令は単純で，高速に実行できるように設計されている。また，各命令の長さは（　　）長であり，命令数は少ない。

CPUの性能指標

クロック周波数とは

　クロック信号とは，一定時間ごとに電圧の高低が切り替わる信号のことをいいます。発信器により生成され，各回路が処理のタイミングを合わせるために使用します。
　クロック周波数とは，1秒間に発生するクロック信号の回数のことをいい，Hz（ヘルツ）という単位で表します。たとえば，クロック周波数が100Hzの場合，1秒間に100回のクロック信号が生成されます。また，1クロックにかかる時間は，クロック周波数の逆数になります。

CPI（Clocks cycles Per Instruction）とは

　CPIとは，1つの命令を実行するのに必要なクロック数のことをいいます。

MIPS（Million Instructions Per second）とは

　MIPSとは，1秒間に実行できる命令数を100万単位で表したものをいいます。

FLOPS（FLoating point number Operations Per Second）とは

　FLOPSは，1秒間に実行できる浮動小数点数演算の回数を表します。3Dグラフィックスなどの性能指標として用いられます。

練習問題（CPU性能計算）

問　クロック周波数が2.5GHzのCPUについて，各問いに答えなさい。

①　1クロックにかかる時間は何ナノ秒か。

②　CPIが4の場合，1つの命令の実行時間は何ナノ秒か。

③　1秒間に実行できる命令の数は何MIPSか。

CPUの高速化技術

　CPUを高速化するためには，クロック周波数を上げること以外に次のような技術もあります。

逐次制御方式とは

　逐次制御方式とは，各命令を1つずつ順に処理する方式です。

※ 逐次制御方式は高速化技術ではない

パイプラインとは

　パイプラインの場合，ステージをずらしながら命令を実行します。CPIは1に近づきます。

スーパースカラとは

　スーパースカラの場合は，パイプライン処理を行う回路を複数持ち，複数の命令を並行して実行します。CPIは1に近づきます。

VLIW（Very Long Instruction Word）とは

　VLIWとは，依存関係のない複数の命令を1つの命令にまとめ，同時に実行できるようにしたものをいいます。

マルチスレッドとは

　スレッドとは，プロセス（実行中のプログラム）内での命令の流れ（処理の実行単位）のことをいいます。シングルスレッドの場合は，1つのプロセスで1つのスレッドを動作させ，マルチスレッドの場合は，1つのプロセスで複数のスレッドを動作させます。

練習問題

問1　CPUの高速化技術について，①～③に答えよ。

①　各命令のステージをずらしながら実行する方式は？

②　①の処理を行う回路を複数持ち，複数の命令を並行して実行する方式は？

③　各命令を1つずつ順に処理する方式は？

問2　マルチスレッドの説明文の（　　）内に適語を入れよ。

　（　①　）とは，（　②　）内での命令の流れのことをいう。シングル（　①　）の場合は，1つの（　②　）で1つの（　①　）を動作させ，マルチ（　①　）の場合は，1つの（　②　）で複数の（　①　）を動作させる。

マルチプロセッサ

　複数のプロセッサを同時に動かすことで高速化を図ります。複数の命令を並行して処理できるようになります。

密結合マルチプロセッサとは

　密結合マルチプロセッサとは，複数のプロセッサが主記憶装置を共有し，1つのOSで制御されるものをいいます。複数のCPUが同一のメモリ領域にアクセスした場合，競合によりアクセス遅延が発生します。

マルチコアプロセッサとは

　マルチコアプロセッサとは，CPUのコアである制御装置と演算装置が，1つのCPUの中に複数あるものをいいます。密結合マルチプロセッサの一種で現在の主流です。

1コア	シングルコア
2コア	デュアルコア
4コア	クアッドコア
6コア	ヘキサコア
8コア	オクタコア

疎結合マルチプロセッサとは

　疎結合マルチプロセッサとは，複数のプロセッサがそれぞれ別々の主記憶装置を持ち，別々のOSのインスタンスにより動作するものをいいます。複数の独立したコンピューターがあるのと同じです。

※ インスタンスとは，あらかじめ定義されたコンピュータプログラムやデータを，主記憶装置に読み出して実行・処理できる状態にしたものをいう

練習問題

問　次の①～③について，マルチプロセッサの種類を答えなさい。

①　複数のプロセッサがそれぞれ別々の主記憶装置を持ち，別々のOSのインスタンスにより動作するものを何というか？

②　複数のプロセッサが主記憶装置を共有し，1つのOSで制御されるものを何というか？

③　②の一種で，CPUのコアである制御装置と演算装置が，1つのCPUの中に複数あるものを何というか？

割込み（処理中断の仕組み）

　割込みとは，実行中の処理を中断させ，強制的に別の処理を実行させることをいいます。

　同時に複数の割込みが発生した場合は，優先順位の高いものから実行されます。

外部（ハードウェア）割込みとは

　外部割込みとは，実行中のプログラム以外の外部の要因によって発生する割込みをいいます。ハードウェアの処理要求により引き起こされる割込みです。

機械チェック割込み	ハードウェアの異常が検出されたときに発生する割込み
タイマ割込み	組込みタイマ（ハードウェア）による割込み
入出力割込み	キーボードやマウスなど，入出力装置から行われる割込み

内部（ソフトウェア）割込みとは

　内部割込みとは，実行中のプログラム内部からの割込みをいいます。

プログラム割込み	0による除算や，オーバーフローが起きたときなどに発生する割込み
SVC割込み	実行中のプログラムからOSに処理を依頼するときに行われる割込み
ページフォールト割込み	仮想記憶において，存在しない仮想記憶領域にアクセスしたときに発生する割込み

※ SVC…Super Visor Call。スーパーバイザコール

練習問題

問　次の①～⑥について，各状況が発生した場合に起こる割込みはどれか。また，外部（ハードウェア）割込みか，内部（ソフトウェア）割込みかについても答えよ。

①　0による除算や，オーバーフローが起きたときなどに発生する割込みは？

②　キーボードやマウスなど，入出力装置から行われる割込みは？

③　ハードウェアの異常が検出されたときに発生する割込みは？

④　仮想記憶において，存在しない仮想記憶領域にアクセスしたときに発生する割込みは？

⑤　組込みタイマによる割込みは？

⑥　実行中のプログラムからOSに処理を依頼するときに行われる割込みは？

GPU（Graphics Processing Unit）とは

　GPUとは，画像処理に特化したプロセッサです。3Dグラフィックスで座標変換やピクセル処理などを高速に処理するために使用されています。CPUに内蔵されていたり，拡張ボードに搭載されたりしています。

まとめ

　今回は，プロセッサについて，全体像を意識しながらシンプルにまとめてみました。内容が多く，難しく感じる部分や覚えることも多かったかもしれません。一度で完璧に理解するのは難しいですので，分からないところがあれば，時間をおいて何度でも読み返してみてください。プロセッサは，試験で頻出の重要分野です。避けて通ることはできませんが，少しずつ理解を積み重ねていけば必ず身につきます。根気よく頑張っていきましょう。

　プロセッサの理解を深めるには，メモリーやシステム全体との関係をあわせて押さえることが重要です。

• 記憶装置の基礎まとめ

　理解が進んだら，基本情報技術者試験の過去問題等にもチャレンジしてみてください。

• プロセッサの過去問・解説

　また，コンピューター全体のつながりや性能評価の考え方を整理したい方は、こちらも確認しておきましょう。

• システム構成の基礎まとめ
• システムの性能評価と信頼性の基礎まとめ

※ このページでは読みやすさを考慮し「コンピューター」，「サーバー」など長音付きで表記していますが，試験では「コンピュータ」，「サーバ」と表記されます

基本情報技術者試験の学習におすすめの参考書

基本情報技術者試験の合格を目指す方におすすめの参考書です。