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★図解★CPUとは?—初心者向けに構造・仕組みを解剖してみるよ!

★図解★CPUとは?—初心者向けに構造・仕組みを解剖してみるよ!

記事のポイント

  • CPUとは何かを知ろう!
  • CPUの構成される3つの部品はこれ!
  • CPUは単純だけど複雑でもある!

実は単純計算しかできない子?

パソコンの“脳”と呼ばれる『CPU』ですが、一体どんな構造で、どんなことをしているのでしょうか?そんなCPUの仕組みについて、分かりやすく初心者向けに解説してみます。

二条ねこ

SSDのお勉強の次はCPUのお勉強〜♪

砂瀧えり

CPUって、パソコンのコアになる部分やし、やってることも構造も複雑そうやんね…。

二条ねこ

うーむ…今回は広く浅く解説するから大丈夫あーるっ!
自作PCのキモな部分だし、ちょっと知っておくと便利だからね〜♪

『CPU』とは?

CPUとは中央演算処理装置の略称。CPUとは中央演算処理装置の略称。

今回の主役『CPU』とは、Central Processing Unitセントラルプロセシングユニットの略称で、日本語訳すると『中央演算処理装置』となります。おそらくこれは知っている人が多いはず。

コンピューターの5大装置と制御信号とデータの流れ。コンピューターの5大装置と制御信号とデータの流れ。

そもそもコンピューターには、ハードウェアを構成する重要な『5大装置』と呼ばれるものが存在しており、そのうちの2つ(制御装置・演算装置)が含まれているのがCPUになるのです。だから、とっても大事な部品と呼ばれるわけです。うんうん。

二条ねこ

ちなみにコンピューターの5大装置は、
入力装置・出力装置・制御装置・演算装置・記憶装置
の5つのことだよー!

シリコンウェーハからCPUが作られる。シリコンウェーハからCPUが作られる。

ちょっとギーク的に『CPU』とはを解説すると、ダイ(集積回路が焼き付けてあるシリコンウェーハ)の表面に数千〜1億個ほどの数のトランジスター回路を形成したものをCPUと呼びます。この『ダイ』は超重要部分なので、のちほど紹介します。

砂瀧えり

開幕から難しいんやけど…。

二条ねこ

じゃあ、CPU人間にとっての脳みそ全体のことで、このダイは“脳の○○葉”にあたる部分だと思っておいてー!

CPUの役割

CPUは主に制御と演算しかやってないのだった!単純!

何でもできる子(させられている子)なCPUですが、役割は制御と演算だけだったりします。

CPUの主な役割

  • 単純な計算。
  • 単純な判断。
  • データのコピー。
  • 機器の制御。

CPUの主な役割は上記のような感じ。私たちが思っているよりも、かなり分かりやすいお仕事をしています。

二条ねこ

その計算も、

  • 算術演算(いわゆる四則演算)
  • 論理演算(2進数の0と1を用いた数学の集合みたいな計算)

の2つしかやっていないんだよー!

CPUの4つの処理ステップ

CPUが脳みそで、計算や制御をするところというのは分かったので、次はその処理の流れを簡単に見てみます。

CPUの処理の流れを簡略化すると4ステップになる。CPUの処理の流れを簡略化すると4ステップになる。

CPUでの処理の流れ

  1. 命令の読み込み(フェッチ)
  2. 命令の解読(デコード)
  3. 命令の実行(エグゼキュート)
  4. 結果データの出力

ここを掘り下げるとカオスなくらいにややこしくなるので、とりあえずはこの4工程を踏んでいるというニュアンスで思ってもらえたら大丈夫なはず。

もっともっと噛み砕いた感じだと、

  1. 命令の読み込み:メモを見て行くべき目的地をチェックする
  2. 命令の解読:車移動が必要だったのでタクシーを呼ぶ
  3. 命令の実行:運転手に目的地を伝える
  4. 結果データの出力:目的地に到着した

のような感じ。

二条ねこ

こんな感じの命令の実行に関しては、基本情報技術者で出題されるみたいだから、テキストを買ってもいいかもだね〜。

CPUの構造

CPUを大きく分けると3つの構造になる。

CPUを構成する要素は大きく見ると3つなので、簡単な図にしてみました。

CPUを構成する要素

  • 【A】パッケージ
  • 【B】ダイ
  • 【C】ピン

この3つの部品(コンポーネント)の中でも、『ダイ』がとにかく重要だったりします。というか、先程お話したCPUのお仕事は、このダイで行われていることなのです。まさに“最中のアンコ”のような感じ。アンコだよ!覚えておいて!!

まの

何だか、単純なようで単純でない空気がしてきましたね…。

二条ねこ

やっていることは単純だけど、単純にやっているようで実は複雑というか…さすがは脳みそってだけある感じだねー。

深く話すと、私も「なるほど。わからん」になっちゃうので、本記事では浅く広く話していきます。なので、名前だけ知っておくニュアンスでOK。

【A】パッケージ

CPUのパッケージはダイを守る基盤。

パッケージは、言ってしまえば基盤です。最中のガワです。

ダイが重要なのは前述のとおりですが、実はこのダイは超繊細なのです。しかも、そのままでは実装(他の部品と接続)しづらい。だから、パッケージが必要になってくるわけです。

二条ねこ

最中のアンコだって、そのままだと手がベタベタして扱いづらいし、ホコリとかついたら嫌だよねー?だから、食べやすくするために、最中のガワがあるみたいな…ねっ!

【B】ダイ

CPUにダイは制御や演算を行っている重要な部品。

ダイは、CPUでもっとも大事な中心部分で、集積回路(IC)があります。

このダイの部分に、コンピューターを制御する部分や演算をする部分が入っているのです。理系なら一度は耳にしたことある『シリコンウェーハ』がこのダイ。ちなみにシリコンウェーハは、高純度なケイ素(Si)でできています。

二条ねこ

このシリコンウェーハは、ソーラーパネルにも使われたりするんだよー!

ダイを構成する要素を大別すると4構造になる。ダイを構成する要素を大別すると4構造になる。

ダイを構成する要素

  • 【B-1】バスインターフェース
  • 【B-2】キャッシュメモリー
  • 【B-3】制御装置
  • 【B-4】演算装置

さらにバスは、こんな感じで細かく構造を分類することができます。

このバスの構造も深掘りすると、それだけで永遠に語れるくらいになっちゃうので、この4つがあるくらいに捉えておいてください。個人的にも気になる部分は、別の記事にでもしようと思います。

二条ねこ

とりあえず、順番に見てみよー!

【B-1】バスインターフェース

バスインターフェースは、データをやり取りする伝送路。

バスインターフェースは、データをやり取りする伝送路のことです。

バスインターフェースには、

  • 内部バス(CPU内部の回路を結ぶ)
  • 外部バス(CPUとメモリーを結ぶ)

の2つに大別されます。

さらにバスの中でも、

  • アドレスバス(データのやり取りを行う)
  • データバス(場所を指定する)
  • コントロールバス(読み出し・書き込みを行うかの指定をする)

の3種類に分けられます。

とりあえずはこういう構造になっていると思ってもらって、やっていることは命令やデータをやり取りする入り口的なことをしています。

二条ねこ

このバス幅でCPUのbit数が決定するんだよー!
最近のCPUは64bitで、PS2は128bit、PS4は64bitだよー!

まの

NINTENDO64の“64”は、bit数を表しているのでしたよね。だから、ロクヨンは64bitですね。

【B-2】キャッシュメモリー

キャッシュメモリーは、バスインターフェースから受け取ったデータを一時的に保管する場所。

キャッシュメモリーは、バスインターフェースから受け取ったデータを一時的に保管する場所です。

このキャッシュメモリーには、

  • 1次キャッシュ(L1キャッシュ)
  • 2次キャッシュ(L2キャッシュ)
  • 3次キャッシュ(L3キャッシュ)

が“あったりなかったり”します。

砂瀧えり

え?「あったりなかったり」なん!?

二条ねこ

このキャッシュメモリーを持っていないCPU(今どきないけどね)もあるし、あっても3次キャッシュとかがなかったりするCPUもあるからね〜。もち、高性能なCPUにはキャッシュメモリーがいっぱいあるけどねっ!

よく使うデータをこのキャッシュメモリーに一時的に置いておくことで、わざわざ低速なメモリー(RAM)までアクセスしなくても良くなります。なので、結果的にCPUを高速にできるということ。

つまり、キャッシュメモリーがあるCPUは、処理速度が速くなる傾向があるということですな。うんうん。

二条ねこ

つまり、キャッシュメモリーは処理速度を決める上で重要ってことだっ!

【B-3】制御装置

制御装置とは、コンピューターを制御しているところ。

制御装置とは、演算装置やレジスタの動作、メモリーの読み書きなどを制御する部分です。

制御装置を構成する要素

  • フェッチユニット
  • デコーダー
  • レジスタ

制御装置は、上記のようなもので構成されております。ちなみに、『レジスタ』もメモリーの一種ですが、キャッシュメモリーとは目的も保存する内容も異なります。

二条ねこ

レジスタっていうのがあるんだーくらいで大丈夫っ!深追いするとカオスだぞ〜。

フェッチユニット

フェッチユニットは、メモリー(RAM)上の命令を外部バスインターフェースを通じて、制御ユニットに読み込む部分です。この動作を『フェッチ』と呼びます。

デコーダー

デコーダーは、フェッチユニットでフェッチされた命令が何なのかを具体的な情報に解読する部分です。この動作を『デコード』と呼びます。

このデコードされた命令は『制御情報(演算装置をどのように動作させて、演算させるかをコントロールするための情報)』になります。

砂瀧えり

めっちゃややこしくて意味不明なんやけど…。

二条ねこ

……あははー。
ここは本当にややこしいから調べてまとめるのも苦労したんだよー。流れはさっきの例えを参考にしてもらうことでよろしくってことで〜♪

【B-4】演算装置

演算装置は、実際に算術演算・論理演算を行うところ。

演算装置は、実際に算術演算・論理演算を行う部分のことです。

演算装置を構成する要素

  • 整数演算ユニット
  • 浮動小数点演算ユニット
  • レジスタ

またまた『レジスタ』が出現しましたが、演算装置の中にもレジスタはあります。ここでは触れませんが、レジスタにもたくさんの種類があって、それぞれ個々で役割を持っています。これはまたの機会に…。

ちなみにコンピューターのCPUは、一般的に整数演算するユニット浮動小数点演算をするユニットを実装しています。これは何桁まで計算する必要があるかということが処理によって異なるからです。まぁ…チンプンカンプンなのでスルーでOKです。とりあえず、計算するとこ!以上!!

砂瀧えり

うわぁ…投げた!

二条ねこ

だって、こういうとこ触れだすとキリがなくなっちゃうからねー。

【C】ピン

ピンは、このCPUをマザーボードと接続するところ。

ピンは、このCPUをマザーボードと接続する部分です。

このピンの数はCPUの世代や製造メーカーによって異なります。よく耳にする『LGA1151』の“1151”とは、このピンの数を表しています。もちろん当然ですが、IntelのCPUとAMDのCPUのピンの形状は異なります。

二条ねこ

ざっくり言っちゃうと、ピンはUSBとかイヤホンのような接続端子だねー!

CPU購入時のポイント

CPU購入時のポイント

簡単ではありますが、これらのCPUの構造を踏まえて(踏まえられたかは不明)、良いスペックの高いCPUを選ぶポイントは…

  • コア数・スレッド数が多い
  • キャッシュメモリーが多い
  • クロック周波数が高い

感じですな。

まの

コア数やクロック周波数の話触れてないんじゃ…。

二条ねこ

触れるとさらにカオスになるもん…。

これはこれで別の記事にすべきなくらい複雑なので、
Core i7かCore i9かRyzen 7
を買っておけば大丈夫!速いよ!!

砂瀧えり

これこそ投げてるやんね…。

二条ねこ

だってi7・i9が速いのは事実だしー。(Ryzenも速いよ)

Intel Core i7 9900Kがおすすめ

まとめ「CPUはやってることは単純だが掘り下げると複雑だ!」

まとめ「CPUはやってることは単純だが掘り下げると複雑だ!」

CPUの構造について話し出すと、どうしても学術的な話に結びついてしまうので、「そんなことより、速いCPUはどれを買えばおけお?」と言う人には、面白く無い気がします。

まの

分かりやすくと言いつつ、かなり難しい気もしましたからね…。

砂瀧えり

だから、ひとことでまとめてみてほしいかな!

二条ねこ

今回のまとめは……
CPUは凄い!高いCPUを買っておけば速い!!
って感じだーーー!

適当ですいません…。

二条ねこ

コア数・クロック周波数・キャッシュメモリーの容量をチェックしてみてねー♪

この記事で紹介したガジェット

おまけ

二条ねこ

TU★KA★RE★TA!!!

まの

お疲れ様ですね…。

砂瀧えり

集合とか論理演算とか、高校数学とか工学部に入った感じやったよ。CPUは奥が深そうやね。

二条ねこ

でしょー!
これぞ学術的ガジェット系ブログの真髄なり〜♪

おわり

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