CPI（Cycles Per Instruction）

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CPIとは

CPI（Cycles Per Instruction）とは、1命令を実行するのに平均で何回のクロックサイクル（拍）が必要かを表す数値です。クロックサイクルとは、CPUを動かす基準信号（クロック信号）の1拍ぶんのこと。

身近な例で言うと、料理の「1品あたりの調理ステップ数」のようなものです。サラダは2ステップで作れても、煮込み料理は10ステップかかる。同じように、足し算のような単純な命令は少ない拍（CPIが小さい）で済みますが、メモリからデータを読むロード命令などは多くの拍（CPIが大きい）を必要とします。

上のツールで命令数とCPIを書き換えると、プログラム全体の平均CPIがリアルタイムで再計算されます。命令の構成しだいで平均CPIがどう変わるか試してみてください。

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計算式の意味

CPIの基本の式は、かかったクロックサイクルの総数を、実行した命令の総数で割るというものです。

CPI = クロックサイクル数 / 命令数

命令の種類ごとにCPIが違う場合は、種別ごとの「命令数 × CPI」を全部足して総サイクル数を出し、それを総命令数で割って平均CPIを求めます。これを「加重平均（重みつき平均）」と呼びます。

平均CPI = Σ(命令数 × CPI) / 総命令数

計算例（上のツールの初期値）

演算 50×1 = 50
ロード 30×3 = 90
ストア 10×2 = 20
分岐 10×4 = 40
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総サイクル = 200, 総命令 = 100
平均CPI = 200 ÷ 100 = 2.0

「命令種別ごとのCPIと出現割合（％）」から平均CPIを求める場合、割合で与えられたときは 各CPIにその割合を掛けて足すだけで平均CPIが出ます。

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性能比較での使い方

CPIはCPUの性能を比べるときの重要な指標です。CPUの実行時間は次の式で表せ、CPIが小さいほど実行時間が短く＝高性能になります。

実行時間 = 命令数 × CPI × クロック周期

CPUを比較するときは、次の3つの要素をセットで見ます。
・命令数：少ないほど良い（CISCのように1命令で多くを処理する設計など）
・CPI：小さいほど良い（パイプラインで1拍に近づける）
・クロック周波数：高いほどクロック周期が短く良い

ここで覚えておきたいのが、命令数とCPIにはトレードオフがあることです。たとえばRISC（単純な命令だけを持つ設計）はCPIを1に近づけられますが、複雑な処理に多くの命令を必要とするため命令数が増えます。逆にCISC（高機能な命令を持つ設計）は命令数を減らせますが、1命令のCPIが大きくなりがちです。

CPIだけ・周波数だけで性能を判断しないのがポイントで、性能は必ず3要素の掛け算で考えましょう。

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なぜ命令の種類でCPIが違うのか

なぜ命令によってCPIが違うのか。それは命令ごとに「何をしなければならないか」が違うからです。CPUが命令を処理するとき、単純な計算（たし算など）はCPU内部の演算回路だけで完結しますが、メモリからデータを読むロード命令などは「メモリにアクセスするまでの待ち」が発生します。メモリはCPU内部より遅いので、その分だけ余計なクロックがかかります。

代表的な命令のCPIの目安（値はCPUの設計によって異なります）。
・演算命令（加算・論理演算など）：CPI ≒ 1。CPU内部だけで完結するため最速。
・ロード命令（メモリからレジスタへ読み込む）：CPI ≒ 2〜5。メモリアクセスの待ちが加わる。
・ストア命令（レジスタからメモリへ書き出す）：CPI ≒ 2〜3。書き込みの待ちが加わる。
・分岐命令（if/ループなどの条件分岐）：CPI ≒ 3〜5。分岐先が確定するまでパイプラインを止める（ハザード）必要があるため高くなりやすい。

だから平均CPIを下げるには、CPIの大きな命令（ロード・分岐など）の出現回数を減らすことが効果的です。コンパイラ（プログラムをCPUの命令に変換するソフト）は、この最適化を自動で行っています。

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クロック周波数と実行時間を数値で実感する

クロック周波数（Hz＝ヘルツ）とは、CPUが1秒間に刻む「拍」の数のことです。クロック周波数が高いほど1拍の時間（クロック周期）が短くなり、同じCPIでも実行時間が短くなります。

例） 命令数 = 100、平均CPI = 2.0、
     クロック周波数 = 1GHz（= 10億回/秒）の場合

クロック周期 = 1 ÷ 1,000,000,000 = 1ns（ナノ秒）
実行時間 = 100 × 2.0 × 1ns = 200ns

同じプログラムを2つのCPUで比べる場合、どちらが速いかを正しく判断するには3要素すべてを計算します。
・CPU-A：命令数=100、CPI=1.5、周波数=2GHz（周期=0.5ns）→ 実行時間 = 100 × 1.5 × 0.5ns = 75ns
・CPU-B：命令数=100、CPI=2.0、周波数=3GHz（周期≒0.33ns）→ 実行時間 = 100 × 2.0 × 0.33ns ≒ 66ns

CPU-Bの方がCPIは大きいですが、周波数も高いのでトータルでは速くなります。このように「CPI単体・周波数単体」だけで速い遅いは判断できず、3要素の積（掛け算）で比べる必要があります。