この記事では、クロック信号とMIPSについて、初心者にも分かりやすく、図解付きで丁寧に解説しています！
クロック信号
- コンピュータ内部の装置はクロックと呼ばれる周期的な信号に合わせて動く。
- クロック周波数とは1秒間に繰り返すクロックの数。
- クロック周波数が大きい程、性能が良いコンピュータ。
MIPS
- MIPSは1秒間に処理できる命令の数で、100万個単位で数える。
クロックは装置の同期を取る信号
コンピュータの中には色々な装置が入っていますが、それらの装置がバラバラに動いてしまうと、コンピュータはちゃんと動作しません。なので、クロックと呼ばれる周期的な信号に合わせて装置を動かします。
1秒間に繰り返すクロックの数をクロック周波数と呼びます。1秒間に6回、クロックを繰り返せば、クロック周波数=6Hzとなります（単位はHzです）。
クロック周波数が大きい程、性能が良いコンピュータと言えます。CPUもクロックに合わせて動くので、クロックの周期が短い方が多くの命令を処理できるんですね。
ちなみに、単位には接頭辞があります。例えば、1000Hz=1KHzとも表現でき、ここで使われるKが単位の接頭辞になります。K(キロ)、M(メガ)、G(ギガ)、T(テラ)はよく出てくるので覚えておきましょう。
| 1KHz | 10³Hz = 1,000Hz |
|---|---|
| 1MHz | 10⁶Hz = 1,000,000Hz |
| 1GHz | 10⁹Hz = 1,000,000,000Hz |
| 1THz | 10¹²Hz = 1,000,000,000,000Hz |
MIPSはコンピュータが1秒間に処理できる命令の数
MIPS(Million Instructions Per Second)とは、コンピュータが1秒間に処理できる命令の数を表した単位で、百万個ずつ数えていきます。
例えば、1秒間に1000万個の命令を処理出来る場合、コンピュータの性能は10MIPSとなります。
クロック周波数と組み合わせて考える
1つの命令を処理するのに4つのクロック信号が必要で、クロック周波数が1GHzの場合、
1秒間に処理できる命令は何個でしょうか？
クロック周波数が1GHzなので、クロック信号は1秒間で10億個出ています。
なので、1秒間で処理できる命令の数は10億÷4=2.5億個=250MIPSとなります。
基本情報技術者試験での出題例
令和元年度秋期問12
基本情報技術者
午前試験 令和元年度秋期問12
1GHzのクロックで動作するCPUがある。このCPUは，機械語の1命令を平均0.8クロックで実行できることが分かっている。このCPUは1秒間に平均何万命令を実行できるか。
ア 125 イ 250 ウ 80,000 エ 125,000
正解は”エ”
クロック周波数が1GHzなので、1秒間にクロック信号が1,000,000,000個出ます。よって、1秒間に実行できる命令の数は1,000,000,000÷0.8=125,000万回です。
令和元年度秋期問21
基本情報技術者
午前試験 令和元年度秋期問21
クロックの立上りエッジで，8ビットのシリアル入力パラレル出力シフトレジスタの内容を上位方向へシフトすると同時に正論理のデータをレジスタの最下位ビットに取り込む。また，ストローブの立上りエッジで値を確定する。各信号の波形を観測した結果が図のとおりであるとき，確定後のシフトレジスタの値はどれか。ここで，数値は16進数で表記している。
ア 63 イ 8D ウ B1 エ C6
正解は”イ”
ストローブが立上ったときに8ビットのデータが確定します。なので、下図の赤枠で囲んだ部分が確定後のデータになります。「10001101」を16進数に変換すると「8D」になるので、答えはイです。
平成30年度秋期問9
基本情報技術者
午前試験 平成30年度秋期問9
動作クロック周波数が700MHzのCPUで，命令の実行に必要なクロック数とその命令の出現率が表に示す値である場合，このCPUの性能は約何MIPSか。
ア 10 イ 50 ウ 70 エ 100
正解は”エ”
1つの命令に必要なクロック数の平均は、
4×0.3+8×0.6+10×0.1=7です。
よって、700M÷7=100MIPSとなります。
平成29年度秋期問9
基本情報技術者
午前試験 平成29年度秋期問9
平均命令実行時間が20ナノ秒のコンピュータがある。このコンピュータの性能は何MIPSか。
ア 5 イ 10 ウ 20 エ 50
正解は”エ”
1秒=1,000,000,000ナノ秒なので、1,000,000,000÷20=50,000,000=50MIPSとなります。
平成29年度春期問8
基本情報技術者
午前試験 平成29年度春期問8
動作クロック周波数が700MHzのCPUで，命令実行に必要なクロック数及びその命令の出現率が表に示す値である場合，このCPUの性能は約何MIPSか。
ア 10 イ 50 ウ 70 エ 100
正解は”エ”
命令実行に必要なクロック数の平均は、4×0.3+8×0.6+10×0.1=7です。よって、700MHz÷7個=100MIPSとなります。
