CPUの1周期で行われること

質問

こんにちは。前から疑問に思っていたことを質問させていただきます。

それは、CPUのクロック周波数のことです。

クロック周波数とは、CPUのリズムのようなものであると思っています。例えば、512MHzだったら、1秒間に512M回のリズムでCPUがデータを処理しているという風に想像しています。

ここでの「データの処理」というのが、自分の頭の中ではっきりしていません。CPUの1周期では一体何が、どれだけ実行されるのでしょうか。
（CPUの中でどのようなことが行われているのかは大体わかります。CPUの1周期で何が起きているということがわかりません。）

どれだけという点で言うなら、例えば32bitCPUなら、単純に1秒間に32bit*512Mのデータを処理する（100％能力を発揮したとして）ということになるのでしょうか。

回答No.2

nano_cat · ベストアンサー

インテルのCPUは１クロックで１命令の実行はできません。
命令の種類によっては、数クロック以上かかります。
（近頃は工夫してなるべく１クロックで１命令できる
ようにはなってきている）

メモリへのアクセスはもっとクロック数がかかります。
（メモリはCPUの速度よりも遅いので）。そこでいろいろ
苦労するわけです。CPUの中に小容量の高速メモリを
入れたり（「キャッシュメモリ」と言います）。
その量は、せいぜい５１２ｋバイト程度です。（５１２
Ｍバイトの1/1000）　そのキャッシュメモリでさえ
１クロックでアクセスできるかどうか。

仮にメモリに書き込む命令が１クロックで実行できると
しても、「メモリのどこに書き込むかを決める命令」も
実行しなければなりませんし、それらを「繰り返す命令」
も実行しなければなりません。ですので、

>>32bitCPUなら、単純に1秒間に32bit*512Mのデータを
>>処理する（100％能力を発揮したとして）ということに
>>なるのでしょうか。

ということにはなりません。非常に単純に言えば、
１回メモリに書くのに３命令必要ですから、３倍の
時間がかかります（実際はもっとかかります）

補足

１クロックで扱えるデータや命令そのものの量はどれくらいなのでしょうか。
データも命令もコンピュータ内（ＣＰＵ内）では、２進数で表現されていますね。実際は電圧の高低で表されると思うのですが、ＣＰＵは１クロックで何ビット扱えるのでしょうか。
また、命令と一口に言っても、命令そのものは何ビットくらいあるのか？とか、命令によってビット数が違うのか？などが想像もつきません。
まだまだ、そのあたりのメカニズムがわからず、すっきりしません。もしよければここで教えていただくか、参考になるサイトを教えていただければと思います。

回答No.1

asuca

ＣＰＵにはいろいろあるので一概にはいえませんが１クロックで１命令を処理します。
つまり単純なものだったら

メモリからデータＡの読み込み
メモリからデータＢの読み込み
数式（たとえばかけ算）
計算結果をストアする
ストアされたものをメモリに書き込む

などこれだけのステップがかかります。

ですからクロック数では一概に処理数は読めません。

ＣＰＵによてはたとえばＲＩＳＣ型のものだったら複数の命令を１クロックで処理できるなどして高速化できます。アップルのマッキントッシュなどに使われているＰｏｗｅｒＰＣなんかはこのタイプですね。ですからＷｉｎｄｏｗｓマシンと単純にクロックによる速度比較ができないんです。

＞例えば32bitCPUなら、単純に1秒間に32bit*512Mのデータを処理する（100％能力を発揮したとして）ということになるのでしょうか。

上記に書いたように処理手順があるのでそんなことはないです。