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【命令実行サイクル】プロセッサが本当にやっていること

【命令実行サイクル】プロセッサが本当にやっていること

「PDCAサイクル」という言葉があります。Plan(計画)→ Do(実行)→ Check(評価)→ Act(改善)の 4段階が一つのサイクル(輪)になっていて、PDCAサイクルを繰り返して業務を改善していく手法のことです。

【命令実行サイクル】プロセッサが本当にやっていること

プロセッサによる機械語命令の実行もサイクル形式です。命令取得→命令解読→アドレス計算→オペランド取得→実行という5段階で1サイクル、これを繰り返すことで次々に命令を実行していきます。単語は耳慣れないですが、「やることを確認し、必要な材料を揃えて実行」と考えると、はわたしたちの作業の流れとそう変わりません。

プロセッサは何億もの電子部品から構成されていますが、それらがちゃんとフェーズを間違わずに足並みを揃えて処理を進める必要があります。そこで、決まった間隔で信号を発するクロック(時計)が搭載されています。時計に従って協調して仕事を進めるというのも人間とプロセッサの共通点です。

 

命令実行サイクルの5つの段階

命令実行サイクルの5つの段階

命令実行サイクルでは制御装置と処理装置が協調して動作します。プログラムカウンタ(PC)が指し示しているアドレスに格納されている命令が実行対象です。

図の説明

①が命令取得。実行対象の命令をメモリから命令レジスタにリードします。PCが次の命令を指し示すように更新します。

②は命令解読。命令の内容が「レジスタ1=レジスタ1+X」であることが判明します

③はアドレス計算。オペランドXが格納されているアドレスを算出します。

④はオペランド取得。Xをレジスタにリードします。

⑤は実行。ALUに対オペコードを与え、実行を指示します。

更新されているPCの値を使った次の命令実行サイクルを開始します。

 

足並みを揃えるための時計(クロック)

足並みを揃えるための時計(クロック)

制御装置、処理装置などプロセッサを構成する電子部品が足並み揃えて処理を進めるには「時計」が必要です。そのためのクロックが、決まった間隔で信号を発しています。

クロックの速さは製品ごとに違いますが、CPUの仕様で確認できます。例えばクロック周波数が2.7GHzの場合、1秒間に27億回クロック信号が発せられるため、1秒間に27億回段階の処理が実行できます。1サイクルが5段階の場合、1秒間に実行できる命令は5億4000万個と計算できます。

 

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