CPUの処理方式 - setechdiv@wiki

CPUの処理

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命令を独立して実行できる段階（＝ステージ）に分けると、

1. 命令を読み込む（fetch）
2. それを解釈する（decode）
3. 実行する（execute）
4. 結果を返す（write back）

1	2	3	4
fetch	decode	execute	write back
└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘

の４ステージとなる。
CPUはこれを順番に処理していくことで命令を実行する。
命令処理にはタイミングがあり、ステージはクロック毎のタイミングで処理される。

クロック

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クロックの間隔はクロック周波数によって決定される。
クロック周波数は、１秒間に発振する回数を表し、
基本的には、クロック周波数が高いほど処理速度は速いとされる。
（ただし、１クロックあたりの処理内容はコンピュータの機種・製品によって異なる）
ex:インテルペンティアム４プロセッサ1.6GHz

一般コンピュータの処理方式

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逐次処理方式

命令を逐次処理していく。
１つの命令が終了するまで次の命令は処理されないため、効率が悪い。

1	2	3	4	5	6	7	8
fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back

パイプライン方式

各工程は、前の工程の出力を自身の入力とし、自身の出力を次工程の入力とするよう、
相互に接続されている。
どの部分も次々に作業を進めるため効率が良い。

1	2	3	4	5	6	7	8
fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back

スーパースカラー方式

パイプラインを同時並行処理する方式。

1	2	3	4	5	6	7	8
fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘
└ステージ┘	└ステージ┘	fetch	decode	execute	write back	└ステージ┘	└ステージ┘

いろいろな処理方式

SIMD (Single Instruction stream Multiple Data stream)

マイクロプロセッサのコンピュータアーキテクチャ。
ひとつの命令で複数のデータを扱う処理方式

SIMDの主な搭載プロセッサ

• PowerPC G4, G5 など
• Cell(SONY, TOSHIBA, IBM）
• PentiumⅢ以降

SISD(Single Instruction stream Single Data stream)

シングルプロセッサのコンピュータアーキテクチャ。
ひとつの命令で一つの処理を扱う。

MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data stream）