CPU

CPU( シーピーユー,Anh:Central Processing Unit),Trung ương 処 lý trang trí( ちゅうおうしょりそうち ) またはTrung ương diễn toán 処 lý trang trí( ちゅうおうえんざんしょりそうち ) は,コンピュータの chủ yếu な cấu thành yếu tố のひとつで, コンピュータ nội の tha の trang trí ・ hồi lộ の chế ngự やデータの diễn toán などを hành う trang trí.Diễn toán trang tríと chế ngự trang trí を thống hợp したもの.コンピュータにおける trung tâm đích な処 lý trang trí ( プロセッサ ).

Khái yếu

“CPU” の ý vị は, nghiêm mật に ngôn うと, “プロセッサ”や “マイクロプロセッサ”とは ý vị が dị なっており, phạm 囲の vi いがある.

もともとは, コンピュータの trung ương 処 lý trang trí ( CPU ) は, ディスクリート (ダイオードやトランジスタなど, 単 cơ năng の cá biệt bán đạo thể で cấu thành された điện tử hồi lộ ) から thành るかなり đại きなサイズのĐiện tử hồi lộで tác られた. やがてTập tích hồi lộを tác れるようになると, それを sử い trung ương 処 lý trang trí を tác るようになった. ( なお, đại hình phiếm dụng cơ を chỉ す “メインフレーム”という ngữ は, もともとは đa sổ の giá ( フレーム ) から thành る đại hình phiếm dụng cơ システムにおいてCPUの thâu まる chủ yếu bộ ( メイン ), という sở から lai ている. ) さらに đại quy mô tập tích hồi lộ (LSI) を tác れるようになると, やがてCPUの cơ năng を hàm んだマイクロプロセッサを chế tạo できるようになり, それがCPUとして sử われている ( ただしマイクロプロセッサはCPU dĩ ngoại の dụng đồ で sử われているほうがはるかに sổ が đa い. Lệ えばPCのĐiện nguyênBộ に nội tàng されているChế ngựDụngマイクロコントローラはマイクロプロセッサの nhất chủng だが, PCのCPUではない. )

• 
  IBMのSystem/360のCPU. この tương の trung thân toàn thể がCPU.
• 
  HPHP 9000PA-RISC-NS2-CPU
• 
  CPUの lệ, ザイログ xã のZ80.Z80をCPUとして thải dụng したコンピュータについては anh ngữ bản カテゴリen:Category:Z80-based home computersが tham chiếu khả.
• 
  MOS 6502.6502をCPUとして thải dụng したコンピュータはen:Category:6502-based home computersが tham chiếu khả.
• 
  Nintendo DMG CPU
• 
  AMDのRyzenシリーズ. RyzenのThreadripperシリーズには64コア,128スレッドの thế giới tối tốc モデルがある ( 2021 niên 〜2022 niên thời điểm ).
• 
  (IntelCore i7-6700K)FCLGA1151.
• 
  CPUの cơ năng に gia えて, さらに chu biên チップの cơ năng や cao cơ năng の hồi lộ を hàm むSoCの nhất lệ,Apple M1.Cao tính năng なうえに tiêu phí điện lực がとても tiểu さく, たとえばApple M1 đáp tái のMacBookPro 13インチモデルはノートパソコンなのにバッテリーだけで tối đại liên 続 giá động thời gian が20 thời gian と kinh dị đích な tỉnh điện lực tính năng を khoa る.

Cơ năng と động tác

“コンピュータ# khái yếu”を tham chiếu

CPUはKý ức trang tríThượng にあるプログラムと hô ばれる mệnh lệnh liệt を thuận に đọc み込んで giải 釈・ thật hành することで tình báo の gia công を hành なう. CPUはコンピュータ nội での diễn toán を hành なう trung tâm であり, CPUは thông thường はバスと hô ばれる tín hào tuyến を giới してChủ ký ức trang tríや nhập xuất lực hồi lộ に tiếp 続され, hà đoạn giai かの nhập xuất lực hồi lộ を giới してBổ trợ ký ức trang tríやBiểu kỳ trang trí,Thông tín trang trí などのChu biên cơ khíが tiếp 続され,データやプログラムなど tình báo のやりとりを hành なう.

このようなCPUを dụng いたプログラムによるコンピュータの trục thứ động tác がほとんどのコンピュータの cơ bổn đích な động tác nguyên lý となっている.Ký ức trang tríThượng にプログラムを phối trí してから, プログラムを thật hành する phương thức をプログラム nội tàng phương thứcと ngôn う.

Hiện tại のCPUは, bộ phẩm としてはプロセッサの1 chủng である. プロセッサの đa くはマイクロチップとして thật trang されており,マイクロプロセッサやMPU (Micro Processing Unit) と hô ばれる. また, toán thuật diễn toán cơ năng を cường hóa し tín hào 処 lý に đặc hóa したデジタルシグナルプロセッサ(DSP) や, メモリや chu biên hồi lộ を đáp tái しTổ 込 cơ khíChế ngự を mục đích としたマイクロコントローラ( マイコン ) などの triển khai chủng も đăng tràng している.

Chuyên dụng の điện tử hồi lộ に bỉ べると thật hành tốc độ は trì いが, プログラムを変えるだけで đa dạng な処 lý が hành なえることから, phi thường に đa kỳ にわたる dụng đồ に sử dụng できる phiếm dụng tính と nhu nhuyễn tính が tối đại の đặc trưng である. Chuyên dụng hồi lộ ( ハードウェア ) の変 canh ・ tu chính に bỉ べれば, ソフトウェアの変 canh ・ tu chính は dung dịch であり, vật chất đích なコストがかからないため, システム thiết kế ・ khai phát の thí hành thác ngộ もしやすい. このため, CPUはおよそあらゆるシステムに nội tàng され, hiện đại の sản nghiệp や sinh hoạt の ốc đài cốt を chi える tồn tại にまで phổ cập している. Hiện tại tối も phổ cập しているCPUアーキテクチャとしてARMアーキテクチャが cử げられる. ARMアーキテクチャベースのCPUは1991 niênから sổ え2008 niênSơ đầu に xuất hà cá sổ が100 ức cá を siêu えるなど,Gia điện chế phẩmからCông nghiệp chế phẩm,Huề đái cơ khíなどに chí る đa くのシステムに tổ み込まれ, cơ khí chế ngự を tư っている. また,パーソナルコンピュータ(PC) など, hiện tại の phiếm dụng コンピュータ chế phẩm における đa くのシステムのメインCPUにx86アーキテクチャが dụng いられており,インテルのx86 hệ CPU xuất hà sổ は1978 niên6 nguyệt 9 nhậtの8086Phát mại から2003 niênまでの25 niên で10 ức cá を việt えた.

いわゆるノイマン hình・プログラム nội tàng phương thứcのプロセッサの cấu tạo と cơ bổn động tác は, thế giới で tối sơ の thật dụng đích なノイマン hình ・プログラム nội tàng phương thức のコンピュータであったEDSACの thật trang の thời điểm で, すでに cấu tạo と cơ bổn động tác が thật trang されている. CPUやCPU dĩ ngoại のプロセッサの phát đạt には, プロセス kỹ thuật の vi tế hóa による cao tốc hóa, mệnh lệnh の các 処 lý công trình の tịnh liệt thật hành (Mệnh lệnh パイプライン,Diễn toán パイプライン ), mệnh lệnh の tịnh liệt thật hành (スーパースケーラ,VLIW), データ diễn toán の tịnh liệt hóa (SIMDDiễn toán ), phục sổ プロセッサ・コアの thật trang (マルチコア), phục sổ スレッドの đồng thời thật hành (Đồng thời マルチスレッディング) などやその tha đa sổ の yếu tố がある.

Cấu tạo と động tác

“コンピュータ# khái yếu”を tham chiếu

Cấu tạo

CPUは, toàn thể を chế ngự するChế ngự trang trí,Diễn toán trang trí,データを nhất thời ký ức するレジスタ,メモリなどのKý ức trang tríとのインタフェース, chu biên cơ khí とのNhập xuất lực trang tríとのインタフェース, などから cấu thành される.

その tha phù động tiểu sổ điểm diễn toán を hành うFPU( phù động tiểu sổ điểm diễn toán ユニット ), レジスタより đa くの tình báo を nhất thời ký ức するキャッシュメモリ,DMAコントローラ,タイマー,シリアルインタフェースなどの cơ năng をCPUと đồng nhất IC nội に trì つものもある. また, メモリから đọc み込んだ mệnh lệnh ngữ を nội bộ đích なオペレーションに trí き hoán える変 hoán bộ を trì つものもある.

クロック đồng kỳ hình のCPUは,クロック tín hàoによって quy tắc chính しいタイミングで các bộ の động tác を thống chế されている. Đồng じアーキテクチャのCPUであればクロックChu ba sổが cao い phương が cao tốc に động tác し, nhất định thời gian に đa くのことを処 lý できる. ただしその đại わりに tiêu phí điện lực や phát nhiệt が đại きくなるという vấn đề も phát sinh する. 1クロックで処 lý できる nội dung はCPUおよび mệnh lệnh セットの thiết kế により dị なり, phục sổ クロックで1つの cơ giới ngữ mệnh lệnh を thật hành するものから, 1クロックで phục sổ の mệnh lệnh を đồng thời に thật hành できるものまである. クロック chu ba sổ が1GHzのCPUは, cơ bổn hồi lộ が1 miểu gian に10 ức hồi の động tác をする.

Đa くのCPUでは, đại まかに ngôn ってChế ngự trang tríが mệnh lệnh の giải 釈とプログラムの chế ngự の lưu れを chế ngự し,Diễn toán trang tríが diễn toán を thật hành する.

Cao tính năng なCPUや, phi ノイマン hình のCPUや, họa tượng 処 lý hướng けのCPUは, đồng thời に phục sổ の mệnh lệnh を thật hành できるように phục sổ の thật hành bộ を đồng nhất IC nội に trì っているものがある.

Động tác

ノイマン hình CPUの cơ bổn đích な động tác は, その thật trang に quan わらずプログラムと hô ばれる mệnh lệnh liệt を thuận phiên に thật hành することである.

プログラムは sổ trị liệt として hà らかのメモリに cách nạp されている. CPUでは,フェッチ(fetch),デコード(decode),Thật hành(execute) という3つのステップがほぼ tất ず tồn tại する.

Tối sơ の đoạn giai であるフェッチとは, thật hành すべき mệnh lệnh ( ある sổ trị または sổ trị の tịnh び ) をプログラムの trí かれたメモリから thủ り xuất すことである. メモリ thượng の thật hành すべき mệnh lệnh の vị trí はプログラムカウンタで chỉ định される. プログラムカウンタはCPUが hiện tại kiến ているプログラム thượng の vị trí を kỳ しているとも ngôn える. Mệnh lệnh フェッチに sử dụng されると, プログラムカウンタはフェッチしたぶんだけ tăng gia させられる.

CPUがメモリからフェッチした mệnh lệnh によってCPUの thứ にすべきことが quyết định される.デコードでは, mệnh lệnh をCPUにとって ý vị のある hình thức に phân cát する. Mệnh lệnh を biểu す sổ trị をどう phân cát するかは, dư めそのCPUのMệnh lệnh セットで quyết định される. Mệnh lệnh の nhất bộ の sổ trị は mệnh lệnh コードと hô ばれ, thật hành すべき処 lý を chỉ định する. その tha の bộ phân はオペランドと hô ばれ, その mệnh lệnh で sử dụng する tình báo を kỳ している. たとえば gia toán mệnh lệnh のオペランドは gia toán すべき sổ trị を kỳ している. オペランドには sổ trị そのものが thư かれていたり, sổ trị のある tràng sở ( メモリのアドレスかレジスタの phiên hào ) が thư かれている. Cổ い thiết kế では, デコーダ ( デコードを hành う bộ phân ) は変 canh bất khả năng なハードウェア bộ phẩm だった. しかし, より phục tạp で trừu tượng đích なCPUや mệnh lệnh セットではマイクロプログラム phương thứcがしばしば sử われ, mệnh lệnh を dạng 々な tín hào に変 hoán するのを trợ けている. このマイクロプログラムは thư き hoán え khả năng な tràng hợp があり, chế tạo hậu でも mệnh lệnh デコード phương pháp を変 canh することができる.

フェッチとデコードの thứ は,Thật hànhステップが hành われる. このステップでは, CPUの đa くの bộ phân が tiếp 続され ( たとえばマルチプレクサを thiết り thế えるなどして ) chỉ định された thao tác を thật hành する. たとえば, gia toán を yếu cầu されている tràng hợp,Gia toán khíが sở định の nhập lực と tiếp 続され, xuất lực と tiếp 続される. Nhập lực は gia toán すべき sổ trị を đề cung し, xuất lực には gia toán kết quả が cách nạp される. Gia toán kết quả が đại きすぎてそのCPUに tráp えない tràng hợp,Toán thuật オーバーフローフラグをフラグレジスタ (ステータスレジスタ) にセットする (RISCではフラグレジスタが tồn tại しない tràng hợp もある ). Nhập lực や xuất lực にはいろいろなものが sử dụng される. Diễn toán kết quả が nhất thời đích かあるいはすぐに lợi dụng される tràng hợp にはレジスタと hô ばれる cao tốc で tiểu さなメモリ lĩnh vực に cách nạp される. メモリも nhập lực や xuất lực に sử われる. レジスタ dĩ ngoại のメモリは đê tốc だが, コスト đích には nhất bàn đích なメモリの phương が an 価であり đại lượng のデータを cách nạp できるため, コンピュータには tất tu である.

いくつかの mệnh lệnh はプログラムカウンタを thao tác する. それらは nhất bàn にジャンプ mệnh lệnh と hô ばれ,ループを cấu thành したり, điều kiện phân kỳ をしたり,サブルーチンを thật hiện するのに sử われる. また, đa くの mệnh lệnh はフラグレジスタを変 hóa させる. それらのフラグはプログラムの động tác に ảnh hưởng を dữ える. たとえば bỉ giác mệnh lệnh は nhị つの trị を bỉ giác してフラグレジスタにその đại tiểu を kỳ す trị をセットする. そして, その trị を sử dụng してその hậu の処 lý の lưu れを quyết định する.

Mệnh lệnh を thật hành hậu, đồng じ lưu れが sào り phản されて thứ の mệnh lệnh をプログラムカウンタにしたがってフェッチする. もっと phục tạp なCPUでは, phục sổ の mệnh lệnh をフェッチし, デコードし, đồng thời に thật hành することもできる. しかし, cơ bổn đích にどんなCPUでもやっていることはここで thuyết minh した lưu れと đồng じである.

Lịch sử

“コンピュータ# lịch sử”を tham chiếu

ENIAC

Hiện đại のCPUのような trang trí が xuất てくる dĩ tiền,ENIACのような kế toán cơ は, thật hành する処 lý の nội dung を変えるたびに vật lý đích に phối tuyến を変 canh していた. このような cơ giới では, プログラムを変 canh するために vật lý đích に tái cấu thành する tất yếu がある ( たとえばENIACなどではパッチパネルが sử われた ) ことから “プログラム cố định kế toán cơ” と hô ばれることがある ( なお, ENIACは phi thường に hạn られた cơ năng と tính năng になるが, ある trình độ はプログラム nội tàng phương thứcĐích な động tác もできた ).

CPUは nhất bàn にソフトウェア ( プログラム ) を thật hành する trang trí として định nghĩa されるため, CPUと hô べる trang trí が hiện れたのはプログラム nội tàng phương thức のコンピュータからである. プログラム nội tàng phương thức の khảo え phương は, ENIACの thiết kế thời にすでに tồn tại していたが, マシンの hoàn thành を tảo kỳ に khả năng とするため, ENIACの sơ kỳ đoạn giai で thải dụng されなかった. ENIACが hoàn thành する dĩ tiền の1945 niên 6 nguyệt 30 nhật, sổ học giả のジョン・フォン・ノイマンの danh で,EDVACに quan する báo cáo thư の đệ nhất thảo cảo(First Draft of a Report on the EDVAC) という báo cáo thư が công khai ・ phối bố された. この trung で, プログラム nội tàng phương thức のコンピュータの thiết kế について khái thuyết されている.この báo cáo thư はEDSACなどに ảnh hưởng を dữ えた.EDVACは1949 niên 8 nguyệt に nhất ứng の hoàn thành を kiến, アバディーンに di された.EDVACは dạng 々な mệnh lệnh の tập まりを thật hành するよう thiết kế されていた. Mệnh lệnh を tổ み hợp わせることで thật dụng đích なプログラムを cấu thành し, EDVACで động tác させることができた. EDVACではプログラムは cao tốc なメモリに cách nạp されており, vật lý đích に phối tuyến を変 canh することで chỉ định されるものではない điểm が trọng yếu である.ノイマン hìnhの thiết kế では, EDVACで động tác させるプログラムを変 canh するにはメモリを thư き hoán えればよかった ( ノイマン hình はプログラム nội tàng だけでなく, プログラムがデータとして thư き hoán え khả năng である điểm まで hàm む điểm に chú ý ).

Kết quả としてノイマン hình で tiên に hoàn thành したのは,EDSAC(1949 niên ) やManchester Mark Iの thí tác cơBaby(1948 niên ) であった. EDVACは tiên に thiết kế が thủy まっているが, thiết kế giả gian のごたごたがあって hoàn thành が trì れた. また, アイデアレベルではZuse Z3を1941 niên に khai phát しているコンラッド・ツーゼもそれ dĩ tiền にプログラム nội tàng phương thức ( thư き hoán えでない điểm に chú ý ) を khảo án していた.データとプログラムを đồng じ ký ức trang trí に cách nạp するかどうかという điểm が dị なる phương thức として,ハーバード・アーキテクチャがある. これはEDVAC dĩ tiền に hoàn thành したHarvard Mark Iに do lai する. Đồng cơ ではさん khổng テープにプログラムを cách nạp した. ノイマン hình とハーバード hình の đại きな vi いは, hậu giả が mệnh lệnh とデータの cách nạp tràng sở と tráp いを hoàn toàn に phân ly していることであり, tiền giả はどちらも đồng じ ký ức lĩnh vực に cách nạp する. Phiếm dụng CPUは cơ bổn đích にノイマン hình であるが, ハーバード・アーキテクチャも bộ phân đích に thải dụng されている (キャッシュメモリなど ).

デジタルCơ khí としてのCPUは, trạng thái を変 canh したり biểu hiện したりするために, hà らかのスイッチを tất yếu とする. Điện khí cơ giới thức から điện tử thức への di hành kỳ には,リレーやChân không quảnがスイッチとして sử われた. これらは, 従 lai の hoàn toàn な cơ giới thức よりも cao tốc にスイッチを thiết り thế えられたが,チャタリングをはじめ, コイル ( インダクタ ) によって phát sinh する cao điện áp などの vấn đề があった. Nhất phương, chân không quản はチャタリングは khởi こさないが, cơ năng するには nhiệt が tất yếu であり, liệt hóa により động tác trung にカソードの điện tử phóng xạ năng lực が giảm thối ( エミッション giảm thối ) して động tác bất năng になってしまう. Chân không quản が liệt hóa ・ cố chướng したら, cố chướng した bộ vị を đặc định して giao hoán しなければならない. したがって, sơ kỳ の điện tử kế toán cơ は cao tốc hóa は thật hiện したものの, điện khí cơ giới thức kế toán cơ よりも tín lại tính が đê かった.EDVACのような chân không quản kế toán cơ は cố chướng と cố chướng の gian の bình quân thời gian (MTBF= Mean Time Between Failure ) は ước 8 thời gian であったが,Harvard Mark Iのようなリレー thức kế toán cơ はほとんど cố chướng しなかった. しかし,Tín lại tính よりも tính năng が trọng thị され,Chân không quản thức kế toán cơ が chủ lưu となっていった. Đương thời の đồng kỳ thức CPUのクロックChu ba sổ は hiện tại のCPUに bỉ giác すると phi thường に trì く, 100kHz〜4MHzTrình độ であった. これは, đương thời の luận lý tố tử ( chân không quản ) のスイッチング tốc độ によって hạn giới が định められていた.

Bán đạo thể hóa

CPUの thiết kế と phục tạp さの tiến bộ は, tiểu hình で tín lại tính の cao い điện tử bộ phẩm を sử うことでもたらされた. Tân たに phát minh され cấp kích に tính năng の hướng thượng したトランジスタの lợi dụng である. これによって,1950 niên đạiから1960 niên đạiには, かさばって tín lại tính の đê い chân không quản やリレーは sử われなくなり, トランジスタ chế CPUが chủ lưu となった. この cải thiện によってさらに phục tạp で tín lại tính のあるCPUを nhất mai から sổ mai のプリント cơ bảnで cấu thành できるようになった.

1964 niên,IBMが phát biểu したSystem/360アーキテクチャは, いろいろな tính năng と đại きさのコンピュータとして thật trang され, それらのシリーズではプログラムを変 canh することなく động tác させることができた. Đương thời, たとえ đồng じメーカーであっても, サイズの vi うコンピュータは hỗ hoán tính がないのが phổ thông だった. この cải thiện を thành し toại げるため, IBMはマイクロプログラム phương thứcを thải dụng した. これは hiện tại のCPUでも quảng く sử われている thủ pháp である. System/360は đại 変な thành công を thâu め, その hậu sổ thập niên gianメインフレームThị tràng を chi phối し続け, hiện tại のz/Architectureに chí っている.

Đồng じ1964 niên,DECも, “PDP-8”という hậu thế に ảnh hưởng を dữ えたミニコンピュータを, khoa học phân dã や nghiên cứu phân dã に hướng けてリリースした. DECは, hậu にさらに quảng く sử われることとなる “PDP-11シリーズ” を phát biểu したが, このシリーズは, hậu に tập tích hồi lộ ( IC ) が sử えるようになると, それを sử ったバージョンも chế tạo されている. トランジスタを sử ったCPUでは, tân たな thiết kế thượng の công phu をする dư dụ が sinh じ,SIMDやベクトル kế toán cơと hô ばれるものが xuất hiện した. そのような sơ kỳ の thật nghiệm đích thiết kế は, hậu にクレイXã の chế tạo したスーパーコンピュータのベースとなっている.

トランジスタを sử ったコンピュータは, それ dĩ tiền のものと bỉ giác していくつかの minh xác な lợi điểm があった. Tín lại tính hướng thượng と tiêu phí điện lực đê hạ はもちろん, トランジスタによるスイッチは thiết り thế え thời gian が kịch đích に đoản súc されたため, CPUが cao tốc hóa された. トランジスタによるコンピュータでは động tác chu ba sổ は sổ thập MHzまで cao tốc hóa された.

マイクロプロセッサ

Tường tế は “マイクロプロセッサ”および “CPU niên biểu”を tham chiếu

CPUなどに sử われるプロセッサは, 1970 niên đại に1チップの đại quy môTập tích hồi lộ(LSI) に tập tích されるようになった (マイクロプロセッサ). Sơ kỳ のマイクロプロセッサは4ビットや8ビットで, đương thời のミニコンピュータやメインフレームのCPUに bỉ べると phi thường に cơ năng の hạn られたものであったが, 1970 niên đại mạt から1980 niên đại のVi tế hóaの tiến triển により, プロセス bảo hộ など đương thời のメインフレームに tương đương するような cơ năng を thống hợp した32ビットプロセッサが hiện れた. Tổ み込み dụng đồ には chu biên cơ năng やメモリ đẳng を tập tích した, いわゆるワンチップマイコンも phổ cập した. Sơ kỳ のマイクロプロセッサはNMOSロジック hồi lộで cấu thành されていたが, 1980 niên đại にはCMOSHóa が tiến み, tiêu phí điện lực が kích giảm した ( CMOSは tiêu phí điện lực は ức えられるが, đương sơ は trì かったことから, điện trác や thời kế など tiêu phí điện lực が trọng yếu で tốc độ が trọng yếu でない phân dã でしか sử われなかった ). CMOSは vi tế hóa が tiến めば tiến むほどTĩnh điện dung lượngが giảm り cao tốc hóa でき, cao tốc hóa を thư わない tràng hợp は đê tiêu phí điện lực hóa できるという ưu れた đặc trường があり (デナードTắc ), động tác chu ba sổ は2000 niên đại にはGHzオーダーまで thượng がった. Vi tế hóa はより đa くのゲートを tái せることができるということでもあり,Mệnh lệnh パイプラインやアウト・オブ・オーダー thật hànhなどでMệnh lệnh レベルの tịnh liệt tínhを dẫn き xuất す, phục tạp で cao tính năng なプロセッサが tác られるようにもなった. Vi tế hóa による tập tích độ の hướng thượng の khuynh hướng はムーアの pháp tắcにより định tính đích にモデル hóa されている. ただし phục tạp hóa に bỉ lệ して tính năng が tuyến hình に thượng がるわけではない (ポラックの pháp tắc). しかし, 2006 niên khoảnh にはデナード tắc が băng れて, động tác chu ba sổ の hướng thượng とマイクロアーキテクチャの phục tạp hóa で tính năng hướng thượng を đồ る phương hướng tính は hành き cật まった. Dĩ hàng は (Phi đối xưng hìnhを hàm む )マルチコアHóa と, tương đối đích に đê いクロックでも cao い tính năng を dẫn き xuất しやすいSIMDの tính năng hướng thượng に lực điểm が trí かれている.

Cực đê ôn で4.8 GHzで động tác するマイクロプロセッサのマスクパターン

マイクロプロセッサの phục tạp さ, cơ năng, cấu tạo, nhất bàn đích な hình trạng はこの50 niên gian で kịch đích に変 hóa したが, CPUの cao tính năng hóa の cơ bổn đích なコンセプトは, マイクロプロセッサ dĩ tiền の1960 niên đại に sơ めて hiện れた, というものが đa い. たとえば, アウト・オブ・オーダー thật hành の phương thức であるscoreboardingもTomasuloのアルゴリズムも, tối sơ に khảo án されたのは1960 niên đại である.

Thiết kế と thật trang

Tường tế は “CPU thiết kế”を tham chiếu

ビット phúc

21 thế kỷ hiện tại のコンピュータは, ほぼ toàn てが“Nhị trị luận lý”Phương thức であり, そのうちの toàn てではないもののかなり đa くが,Nhị trị luận lý に sổ の biểu hiện pháp としてNhị tiến phápをマッピングして diễn toán などを hành っているが,メインフレームや,Điện trácDụng に đặc biệt に thiết kế されたマイコンなどには, quảng nghĩa のNhị tiến hóa thập tiến biểu hiệnに hàm まれるような phương thức でハードウェアによって trực tiếp に thập tiến の kế toán を hành う cơ năng が cường hóa されているものもある. 1ビットが nhị tiến pháp の1 hằng である. ビット sổ を “ビット phúc” などとも hô ぶ.

Lệ えば, “ビット phúc” や “データバス phúc” が8ビットであるため8ビットCPUと hô ばれるCPUでは, chủ なレジスタ đẳng の phúc, あるいは, データバスの phúc が8ビットである. 8ビットでは, phi phụ chỉnh sổ であれば nhị tiến pháp 8 hằng で biểu せる phạm 囲である “2の8 thừa − 1” まで, つまり［0 〜 255］の phạm 囲の chỉnh sổ が biểu hiện できる.

また “アドレス phúc” はCPUが trực tiếp にメモリを chỉ し kỳ す ( アドレッシングする ) phạm 囲を chế hạn する. Lệ えば, アドレス phúc が32ビットのCPUでは, そのCPUが trực tiếp chỉ định できるアドレスの phạm 囲は, 2の32 thừa, つまり4,294,967,296 cá の dị なる vị trí になる.

System/360Dĩ hàng の đa くの mệnh lệnh セットアーキテクチャ ( ISA ) では1バイトがアドレス phó けの単 vị であるため ( バイトアドレッシング ),4ギビバイトのメモリに, trực tiếp アクセスできる, ということになる.

これらはCPUのデータ phúc やアドレス phúc による単 thuần な phân loại phương pháp であり, thật tế のCPUではデータ tín hào tuyến やアドレス chỉ định phương pháp に công phu することで, ngoại bộ đích に thiếu ないデータバス phúc や nội bộ đích に thiếu ないアドレス phúc でも hiệu suất đích にメモリ・アクセスできるようにしているものがあるため, こういった phân loại は đa thiếu phục tạp になっている.

CPUを biểu hiện する tràng hợp のビット sổ の ý vị は dĩ hạ の thông りである.

• アドレス phúc ( nội bộ のアドレスレジスタ phúc, ngoại bộ アドレスバス phúc )
• データバス phúc ( nội bộ データ phúc, ngoại bộ データバス phúc )
• Nội bộ diễn toán phúc ( ＝ diễn toán trang trí の phúc と chỉnh sổ レジスタ phúc )
• Mệnh lệnh ngữ trường

1990 niên đại dĩ hàng は4ビットから64ビットまで đa dạng なビット phúc のCPUが chế phẩm hóa されている. Cao ビット phúc のCPUは cơ năng や tính năng が cao い phản diện, cao tập tích hóa や hồi lộ の phục tạp độ から cao 価 cách で tiêu phí điện lực も đại きく, đê ビット phúc のCPUは cơ năng や tính năng が chế hạn される đại わりに an 価で đê tiêu phí điện lực であるなど đặc trưng があり, trạng huống に ứng じて sử い phân けられている.

1990 niên đại hậu bán から21 thế kỷ に nhập って, パーソナルコンピュータ dụng CPUで nhất bàn hóa した, いくぶん tân たなCPU cao tốc hóa kỹ thuật については, phục sổ CPUの đáp tái (マルチコア) やVLIW,スーパースケーラなどがある. これらはメインフレームなどの đại hình kế toán cơ ではずっと tiền から nhất bàn đích だったが, PC dụng の kỹ thuật として hàng りてくるまでにはプロセス vi tế hóa の phát triển や chế tạo コスト đê hạ を đãi たなければならなかった.

Dụng đồ lệ

CPUのビット sổ による dụng đồ の lệ を kỳ す.

4ビット

1980 niên đạiを trung tâm に, nhất bàn đích なGia điện chế phẩm,キーボードやマウス,Điện trácやThời kếなど, ローエンドのTổ み込みシステムに quảng く dụng いられた. Gia điện dụng の xích ngoại tuyến リモコンなど cơ năng đích に単 thuần なものについては4ビットのマイクロプロセッサでも thập phân であるが, kí に tân quy thải dụng の sự lệ はほとんどなくなっている.

8ビット,16ビット

Cơ khí tổ み込みHướng けに8ビットや16ビットのプロセッサ・コアと chu biên hồi lộ を tổ み hợp わせたマイクロコントローラ(MCU) と hô ばれるものが quảng く sử dụng されている. いずれも yếu cầu sĩ dạng と chế tạo nguyên 価との kiêm ね hợp いで đô hợp の lương いサイズのプロセッサが tuyển định され chế tạo される. だが, この dụng đồ でも32ビットマイクロプロセッサの価 cách đê hạ, cựu lai dụng いてきた bán đạo thể の chế tạo chung liễu, yếu cầu sĩ dạng の cao độ hóa や phiếm dụng khai phát ツールの viện dụng yếu cầu により, あえて32ビット dĩ thượng のCPUを tuyển 択するケースも thiếu なくない.

32ビット

Huề đái điện thoạiやデジタルカメラをはじめ,Tự động xa のエンジン chế ngựやSản nghiệp dụng ロボット,Công tác cơ giới,Bạch vật gia điệnなどTổ み込みシステムや đại tiểu さまざまなシステムの chế ngự に phúc quảng く dụng いられており, hiệp nghĩa のCPUと hô ばれるものの chủ yếu な sử dụng lệ である.

2000 niên đạiDĩ hàng の bán đạo thể chế tạo kỹ thuật の tiến bộ に bạn い, ローエンドの32ビットプロセッサと16/8ビットプロセッサの価 cách soa は thiếu なくなっており, 16ビット mệnh lệnh ( ARMのThumb mệnh lệnh など ) を trì つ32ビットプロセッサがMCU dụng đồ にも quảng く sử われるようになっている.

2010 niên đạiの cao tính năng ・ đa cơ năng hóa した tình báo cơ khí には, メインのCPUの tha にしばしばペリフェラル ( カメラなどのセンサLoại や, ストレージ,ディスプレイ,ネットワークなどの chu biên デバイス ) chế ngự dụng の32ビットMCUが tổ み込まれている. また,IoTデバイスの cấu thành 単 vị としてセンサやアクチュエータに tổ み込まれるMCUへの tính năng yếu cầu も cao độ hóa している. こうしたことから thế の trung に xuất hồi っている32ビットプロセッサの sổ は bành đại である.

64ビット

パーソナルコンピュータ(PC),ワークステーション,サーバ,スーパーコンピュータをはじめ,タブレットやスマートフォンなどの “スマートデバイス”と tổng xưng される tình báo cơ khí,ルータなどのネットワーク cơ khí,ゲーム cơなど, đại lượng のデータを処 lý する dụng đồ で sử われている.

Nghiệp vụ dụng のサーバでは đại きな chủ ký ức dung lượng が cầu められたため,1990 niên đạiからCPUとオペレーティングシステム(OS) の64ビット hóa が tiến められていたが, nhất bàn tiêu phí giả hướng けのPCにも tẩm thấu したのは2000 niên đạiTrung bàn dĩ hàng である.2010 niên đạiDĩ hàng, thị phiến されているPCは64ビットCPUを đáp tái するものがほとんどであるが,オフィススイートなどの dụng đồ ではアプリケーションソフトウェアを64ビット hóa してもパフォーマンス hướng thượng の ân huệ が đắc られる tràng diện は hạn られており,また hỗ hoán tính の vấn đề ( 32ビット bản のアドオンが lợi dụng できなくなるなど ) の hồi tị のために, 32ビット bản アプリケーションが thôi thưởng されているケースもある.Nhất bộ のプラットフォームでは, 64ビットOS thượng の32ビットエミュレーションレイヤーを giới して32ビットアプリケーションを thật hành することもできるため, すべてのアプリケーションを64ビット hóa しなければならないというわけではない.また, 64ビット bản のデバイスドライバが đề cung されていない chu biên cơ khí があるなどの vấn đề から, 64ビットCPUを đáp tái していながらも32ビット bản のOSを lợi dụng しなければならないケースもある.ただし,Họa tượng 処 lýや động họa biên tập など đại lượng のデータを処 lý する dụng đồ では, cự đại なメモリを cát り đương てることができる64ビット hóa のメリットは đại きく, これらのアプリケーションソフトウェアは bỉ giác đích tảo い thời kỳ から64ビット hóa が tiến んだ. 2019 niên hiện tại では, 32ビット bản デバイスドライバのサポートや canh tân が đả ち thiết られているケースもある.

スマートフォンも phổ cập の sơ kỳ は32ビットCPUが dụng いられたが, 2013 niên 9 nguyệt に phát biểu されたiPhone 5sを bì thiết りに64ビットCPUへの đối ứng と di hành が tiến んでおり,iOSのように32ビット bản アプリケーションの động tác サポートを đả ち thiết ったり,Androidのように64ビット bản アプリケーションの đề cung を nghĩa vụ phó けたりするプラットフォームもある.

Thượng ký の phân loại に đương てはまらないものとして, quá khứ には, hỗ いに kết hợp し tự do にビット trường を tăng やす sự ができる phương thức のCPUがあり, これはビットスライスプロセッサと hô ばれた. Đại biểu đích な chế phẩm にAMDのAM2900シリーズなどが cử げられる. AM2901は,スイス liên bang công khoa đại họcのLilithワークステーション đẳng に sử dụng されていた. またデータをバイト単 vị で tráp うCPU (バイトマシン) の tha, ワード単 vị で tráp うCPU (ワードマシン) もある (Nhật bổn điện khíのACOS-6など ).

Đê tiêu phí điện lực hóa

“Bán đạo thể の đê tiêu phí điện lực kỹ thuật”も tham chiếu

Đê điện áp hóa

Tối も cơ bổn đích なCPUの đê tiêu phí điện lực hóa kỹ thuật は đê điện áp hóa であった. ロジック động tác の tín hào tuyến の điện áp を đê điện áp hóa することは, đê tiêu phí điện lực hóa につながると đồng thời に tín hào を "Hi" と "Low" の gian で cao tốc に変 canh できるため động tác tốc độ の hướng thượng にも ký dữ した.

Đương sơ はリレーのような sổ thậpボルトの động tác điện áp だったが, 1980 niên đại には5Vがデジタルコンピュータの tiêu chuẩn đích な động tác điện áp となり, 1990 niên đại には nội bộ hồi lộ が3 V trình độ の đê điện áp hóa を thủ り nhập れはじめ, ngoại bộ との tín hào tuyến でも đồng dạng の đê điện áp hóa が hành なわれる khoảnh には, CPUの nội bộ ではさらに đê い điện áp が thải dụng されるようになった. 2000 niên đại mạt には nội bộ đích には1 V nhược まで đê điện áp hóa が tiến められ, đương thời はノイズ nại tính を khảo lự すればほぼ hạn giới であると khảo えられていたが, その hậu もマイクロプロセッサの đê điện áp hóa の xu thế は続き, 2013 niên に đăng tràng したQuark X1000は tối đê 0.28 Vの siêu đê điện áp động tác が khả năng である.

クロックゲーティング

ほとんどのCPU ( もっと ngôn えばほとんどのThuận tự hồi lộ) は đồng kỳ thức である. つまり, CPUは đồng kỳ tín hào にしたがって động tác するよう thiết kế されている. この tín hào は “クロックTín hào” として tri られていて, nhất định chu kỳ のCủ hình baの hình であることが đa い. Điện khí tín hào の vân bá tốc độ からCPU nội の tín hào kinh lộ の trường さを khảo lự してクロック tín hào のChu ba sổが quyết định される. この chu ba sổ は tín hào vân bá の tối ác ケースを khảo lự して quyết めなければならない. Tối ác ケースを khảo lự して chu ba sổ を quyết định すれば, CPU toàn thể が ba hình のエッジ bộ phân で động tác するよう thiết kế でき, CPUの thiết kế を giản lược hóa できると đồng thời にトランジスタ sổ も giảm らすことができる. しかし, この thiết kế thủ pháp の khiếm điểm としてCPU toàn thể が tối も trì い bộ phân を đãi つように thiết kế しなければならず, toàn thể の cao tốc hóa がその trì い bộ phân によって chế hạn される. この chế hạn に đối 処するためにMệnh lệnh パイプラインやスーパースケーラといった thủ pháp が thải られてきた.

パイプラインだけでは đồng kỳ thức CPUの vấn đề を toàn て giải quyết することはできない. たとえば, クロック tín hào は tha の điện khí tín hào の trì diên に ảnh hưởng される. クロック chu ba sổ が cao くなり, さらに phục tạp なCPUを động tác させようとしたとき, toàn hồi lộ を đồng kỳ させるのが khốn nan になってきた. このため, tân たな cao tính năng CPUでは1つのクロック tín hào でCPU toàn thể を đồng kỳ するのではなく, いくつかのクロック tín hào で các bộ phân を cá biệt に đồng kỳ させるようにしている. また, クロック chu ba sổ が cao くなるにつれてCPUの phát nhiệt が đại きな vấn đề となってきた. クロック tín hào が "Hi" と "Low" を sào り phản すことで đa くのロジック hồi lộ が đồng dạng に "Hi" と "Low" を sào り phản し, その hồi lộ が diễn toán 処 lý に sử われていない thời でもクロック tín hào が cung cấp されている gian は vô đà に động tác して phát nhiệt する. 21 thế kỷ hiện tại CPUに sử dụng されている bán đạo thể hồi lộ では, tín hào điện áp を "Hi" か "Low" に bảo trì し続けるよりも "Hi" から "Low" や "Low" から "Hi" へ di る thời に đa くの điện khí エネルギーを tiêu phí する. このため, CPUに cao tốc 処 lý năng lực を cầu めるとクロック chu ba sổ が cao くなり phát nhiệt も đa くなって, さらに lãnh khước する tất yếu が sinh じる.

つまり, vô đà にクロック tín hào を cung cấp することを chỉ めれば điện lực tiêu phí は ức えられ phát nhiệt も tiểu さくなる. このように, diễn toán 処 lý に quan dữ しない bất yếu ブロックへのクロック tín hào の cung cấp を chỉ めるクロックゲーティングと hô ばれる thủ pháp がある.

パワーゲーティング

2000 niên đại hậu bán dĩ hàng に đăng tràng した cao tính năng CPUで sử dụng されている bán đạo thể hồi lộ kỹ thuật ( プロセス kỹ thuật ) では, tiêu phí điện lực に đối するリーク điện lưuの bỉ suất が đại きくなった. リーク điện lưu はクロック tín hào の hữu vô に quan hệ が vô いため, クロックゲーティングだけでは đại きな điện lực tước giảm hiệu quả は đắc られない.

このような cao tính năng CPUでは, クロック tín hào の cung cấp đình chỉ だけではなく, động tác していないモジュール đẳng への điện nguyên cung cấp そのものを già đoạn するパワーゲーティングと hô ばれる kỹ thuật が tất yếu になる. 従 lai は, cao tính năng hóa したCPUが tiêu phí する đại điện lưu をロジック hồi lộ に tối thích hóa された bán đạo thể hồi lộ kỹ thuật ( プロセス kỹ thuật ) で chế ngự することは dung dịch ではなかったが, リーク điện lưu đối sách として2000 niên đại mạt までには quảng く dụng いられる kỹ thuật になった.

Phi đồng kỳ thiết kế

クロック tín hào で toàn thể を nhất 斉に động かすのをやめる, という thủ もある. Phi đồng kỳ thiết kế には độc đặc の thủ pháp が tất yếu で, đồng kỳ thiết kế と bỉ giác すると phi thường に nan しい điểm があるが, tiêu phí điện lực と phát nhiệt の diện で đại きな lợi điểm がある. SRAMなどでは, クロックと quan hệ なくアクセスできたほうが tráp いに tiện lợi な tràng hợp もあり, phi đồng kỳ SRAMはごく nhất bàn đích な chế phẩm である. また diễn toán hồi lộ など, nhất bàn đích なプロセッサ nội bộ の nhất bộ に sử われることもある.

Nhất bàn に thị phiến された chế phẩm としては, phi đồng kỳ thiết kế を biểu に xuất したマイクロプロセッサはあまり nhất bàn đích ではないが, nghiên cứu thất での thí tác といったレベルでは nghiên cứu ・ thí tác はさかんに hành われており, nhật bổn のものでは nam cốc らによるTITACなどが tri られている. Hải ngoại ではマンチェスター đại によるARMベースのAMULETは ( kỹ thuật đích ではない lý do で trung chỉ にはなっているが ) thị phiến phẩm に sử dụng される dư định があった. Tha にMIPS(R3000) ベースのMiniMIPSなどがある.

クロックを hoàn toàn に vô くするのではなく bộ phân đích に phi đồng kỳ hóa することで tính năng を cao める công phu としては, phi đồng kỳDiễn toán trang tríを sử ってスーパースカラーのパイプラインを cấu thành することで diễn toán tính năng を thượng げようとした thiết kế などがある. Đồng kỳ động tác するCPUに bỉ giác して tính năng が hướng thượng するかどうかは định かではないが, thiếu なくとも nguyên lý đích には hiệu quả が kỳ đãi できる.

Tịnh liệt hóa

Tường tế は “スーパースケーラ”,“マルチコア”,および “Tịnh liệt コンピューティング”を tham chiếu

MCU

CPUを trung tâm に拡 trương された điện tử bộ phẩm にマイクロコントローラ( MCU ) がある. このMCUはCPUに gia えてプログラム cách nạp dụng を hàm むBán đạo thể メモリやGPIOとシリアルIO,DAC/ADCといった các chủng nhập xuất lực cơ năng にタイマーやDMACにクロック hồi lộ, tất yếu に ứng じてDSPやフラッシュメモリなどの chu biên hồi lộ を1つのパッケージに nội tàng して, chủ に tiểu hình のTổ 込 cơ khíの chế ngự に sử dụng される.

Bỉ 喩

Bỉ 喩Đích biểu hiện だが, CPUは, コンピュータの “Đầu 脳” に lệ えられることが đa い.

コンピュータゲームの thế giới では, コンピュータやソフトウェアが động かす đối chiến tương thủ や địch ユニットをCPUと hô ぶこともある.

Xí nghiệp および chế phẩm

“CPU chế phẩm nhất lãm”を tham chiếu

Tham khảo văn hiến

• ジョン・L・ヘネシー／デイビッド・A・パターソン trứ, phú điền chân dã ／ thôn thượng hòa chương ／ tân thật trị nam 訳, 『コンピュータ・アーキテクチャ thiết kế ・ thật hiện ・ bình 価の định lượng đích アプローチ』, nhật kinh BP xã,ISBN 4-8222-7152-8
• デイビッド・A・パターソン／ジョン・L・ヘネシー trứ, thành điền quang chương 訳, 『コンピュータの cấu thành と thiết kế ハードウエアとソフトウエアのインタフェース đệ 3 bản ( thượng ／ hạ )』, nhật kinh BP xã,ISBN 4-8222-8266-X/ISBN 4-8222-8267-8
• マイク・ジョンソン trứ, thôn thượng hòa chương giam 訳, 『スーパスカラ・プロセッサ- マイクロプロセッサ thiết kế における định lượng đích アプローチ -』, nhật kinh BP xã,ISBN 4-8227-1002-5
• Trung sâm chương trứ, 『マイクロプロセッサ・アーキテクチャ nhập môn RISCプロセッサの cơ sở から tối tân プロセッサのしくみまで TECHI Vol.20』, CQ xuất bản xã,ISBN 4-7898-3331-3
• Độ ba úc, 『CPUの sang りかた』 mỗi nhật コミュニケーションズ, 2003,ISBN 978-4839909864

Quan liên hạng mục

• CPU niên biểu
• 4ビット
• 8ビット
• 16ビット
• 24ビット
• 32ビット
• 64ビット
• CPU thiết kế
• CPUの lãnh khước trang trí
• クロック chu ba sổ
  • オーバークロック
• Động tác hoàn cảnh
• Mệnh lệnh セット
• キャッシュメモリ
• Diễn toán trang trí,FPU,スタックマシン,マイクロコントローラ
• バス (コンピュータ)
• CISC/RISC
• Kế toán cơ khoa học
• Kế toán cơ công học
• パイプライン処 lý-Mệnh lệnh パイプライン
• マイクロプロセッサ
• マイクロプログラム phương thức
• スーパースケーラ
• ベクトル kế toán cơ
• ストリーム・プロセッシング

Ngoại bộ リンク

• 『CPU』 -コトバンク