実行ユニット

2025年10月22日

実行ユニット

英語表記: Execution Unit

概要

実行ユニット（Execution Unit, EU）は、CPUの心臓部において、命令パイプラインの核心である「実行」フェーズを専門に担当するハードウェア機構です。CPUの命令実行サイクル（フェッチ・デコード・実行・書き戻し）において、デコードされた命令の内容に基づき、実際に算術演算、論理演算、アドレス計算などの処理を実行します。このユニットの能力と数こそが、CPUが単位時間あたりに処理できる命令数、すなわち処理性能を直接的に決定づける非常に重要な要素となっています。

詳細解説

実行ユニットは、私たちが学んでいる「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）」という大きな文脈の中で、特に「フェッチ・デコード・実行サイクル」における処理能力のボトルネックを解消し、「実行と書き戻し」を高速に行うことを目的として設計されています。

文脈における役割と動作原理

命令がメモリから読み込まれ（フェッチ）、CPUが理解できる形式に翻訳された後（デコード）、その命令は実行ユニットに送られます。実行ユニットは、受け取った命令がどのような種類の演算を要求しているかを判断し、適切な内部構成要素に処理を割り当てます。

実行ユニットの役割は、単に計算を行うだけでなく、命令の処理を終えた後、その結果を次のフェーズである「書き戻し」フェーズに引き渡す準備をすることです。具体的には、計算結果をレジスタなどの高速な一時記憶領域に格納し、次の命令がその結果を利用できるように整えます。

主要な構成要素：専門化されたプロセッサたち

現代のCPUの実行ユニットは、効率を高めるために、処理の種類によって専門化された複数のサブユニットから構成されています。これらは、CPUがさまざまな種類の命令を同時に処理（並列実行）するために不可欠です。

ALU (Arithmetic Logic Unit：算術論理演算ユニット):
最も基本的なユニットです。足し算、引き算、論理積（AND）、論理和（OR）といった、整数や基本的な論理操作を高速に処理します。ほとんどのプログラムの基盤となる計算を担当しており、実行ユニットの中核をなす存在です。
FPU (Floating Point Unit：浮動小数点演算ユニット):
小数点を含む複雑な数値計算（浮動小数点演算）に特化しています。3Dグラフィックスの描画、科学技術シミュレーション、機械学習など、高度な計算が必要な分野では、FPUの性能が全体の速度を大きく左右します。
ロード/ストアユニット (Load/Store Unit):
計算そのものではなく、データ転送を専門に行うユニットです。メモリから必要なデータをレジスタに読み込む（ロード）処理や、計算結果をレジスタからメモリに書き戻す（ストア）処理を担当します。これは命令実行の前後で必ず発生する重要なステップであり、「実行と書き戻し」の効率に直結します。

パイプライン処理と並列化

CPUの性能向上の歴史は、いかに実行ユニットを効率的に使うかの歴史でもあります。命令パイプラインにおいて、「実行」フェーズは最も時間がかかりやすく、ボトルネックになりがちです。

この問題を解決するために、多くの高性能CPUでは、複数の実行ユニットを並列に搭載する「スーパースケーラ」アーキテクチャを採用しています。これにより、CPUはクロックサイクルごとに複数の命令を異なる実行ユニットに割り当て、同時に処理することが可能になります。例えば、ある命令がALUで足し算を実行している最中に、別の命令がFPUで掛け算を実行するといった具合です。この並列処理能力こそが、私たちが日々体験しているPCやスマートフォンの高速動作を支えているのです。