CPU（プロセッサ）

CPUとは

中央処理装置
コンピューターの中心で仕事をする機械
クロック周波数
- CPUの動作の速さを表す指標
- 単位「Hz」
  一秒間に一回の信号を発生する場合「1Hz」
- クロック数
  
  発振機がテンポを刻む回数「1クロック」
  より早いテンポに対応できるCPUが必要
MIPS
- CPUが一秒間に何百万個に命令を実行できるか
- MIPS ＝ 1秒 ➗ 平均命令実行時間 ✖️ 10^6
コア

CPUにある「演算を行う装置」

CPUが処理する流れ

レジスタ
- レジスタとは、CPUの中にある、命令やデータを一時的に保存する記憶装置
- プログラムカウンタ
  
  次の命令を格納するレジスタ
- 命令レジスタ
  
  命令を格納するレジスタ
- 命令デコーダ
  
  命令の解読機
- 汎用レジスタ
  
  データを格納するレジスタ
アドレス指定方式
- 直接アドレス指定方式
  
  アドレス部に有効アドレス（CPUの処理対象となるデータが格納されているアドレス）が入っている方式
- 間接アドレス方式
  
  アドレス部の値が主記憶装置上のアドレスを指し、そのアドレスに有効アドレスが入っている方式
  - アドレス部に格納できないような大きなサイズのアドレスを主記憶装置に保存ができるのがメリット。でも遅い。
割り込み
- 割り込みが起こると、プログラムカウンタは、格納されている次の命令を退避させ、割り込み命令を格納する。完了したら、退避した命令を再度格納
- 内部割り込み
  
  実行中のプログラムが原因で発生する割り込み
- 外部割り込み
  
  実行中のプログラム以外が原因で発生する割り込み

様々な記憶装置

種類

主記憶装置
- 高速、電源を切ると消滅
- 主記憶装置は、コンピュータ内でデータとプログラムの一時的な格納場所です。
- 一般的に、主記憶装置は高速でアクセスが可能で、CPUがデータにアクセスするための主要な場所です。
- 主記憶装置はRAM（ランダムアクセスメモリ）として知られ、プログラムの実行とデータの保持に使用されます。データは電力が供給されている間だけ保持されます。
補助記憶装置
- 補助記憶装置は、永続的なデータの保存と長期の記憶に使用される装置です。
- 代表的な補助記憶装置にはハードディスクドライブ（HDD）、ソリッドステートドライブ（SSD）、光ディスクなどがあります。
- 補助記憶装置は主記憶装置よりも遅いアクセス速度を持ちますが、大容量でデータの永続性を提供します。
キャッシュメモリ
- キャッシュメモリは主記憶装置とCPUの間に配置される高速な一時的なメモリです。
- 目的は、CPUが頻繁にアクセスするデータや命令を高速に提供し、プログラムの実行を高速化することです。
- キャッシュメモリにはL1キャッシュ（最も高速）やL2キャッシュ（L1よりも大容量でやや遅い）など、複数の階層があります。
- キャッシュは主記憶装置と比べて小容量ですが、高速でアクセス時間が短いため、CPUの性能向上に寄与します。
キャッシュメモリの読み込み方法
- 頻繁に利用するデータをキャッシュメモリに保存し、高速化を図る
- ヒット率
  
  キャッシュメモリ上に配置されている確率のこと
- 実行アクセス時間
  - CPUがキャッシュメモリを利用したアクセス時間
  - 「アクセス時間」は主記憶装置を利用した時間
  - 計算式
    
    実行アクセス時間＝（キャッシュメモリへのアクセス時間 ✖️ ヒット率）➕（種記憶装置へのアクセス時間 ✖️ （1ーヒット率））
メモリインタリープ

CPUが主記憶装置へのアクセスを高速化するため、主記憶装置内部を複数のバンク単位に分割し、各バンクに並列にアクセスする方法
キャッシュメモリの書き込み方法
- ライトスルー方式
  
  CPUが書き込む際に、キャッシュメモリと主記憶装置、どちらにも同じデータを書き込む
  - 仕組みがシンプル
- ライトバック方式
  
  通常はキャッシュメモリに書き込み、キャッシュメモリから不要なデータを追い出す際にそのデータを主記憶装置に書き込む
  - 書き込み速度が早い

入出力インターフェース

有線
- シリアルインターフェース
  
  一本の信号で一ビットずつ順次にやりとりする
  - 主流
- パラレルインターフェース
  
  複数の信号線で複数のビットを並列にやりとりする規格
  - データの同期が取りづらい
接続方法
- スター接続
  - PCのコネクタに複数の周辺機器を接続する方法
- ツリー接続
  - ハブを使って枝分かれし接続する方法
- デイジーチェーン接続
  
  周辺機器を数珠繋ぎで接続する方法
  - 配線スッキリ、でも遅い
- デバイスドライバ
  - PCに接続された周辺機器を制御するソフトウェア
ディスプレイ
- ドット（ピクセル）
  - ディスプレイ上の細かいマス
- dpi (dot per inch)
  
  1インチあたりのドット数の単位
  - 一インチ（2.54cm）
  - 注意：1インチにいくつドットが並ぶかを表す