FPU

FPU（浮動小数点演算処理装置）詳解

FPU（Floating Point Unit、浮動小数点演算処理装置）は、コンピュータにおける数値計算、特に浮動小数点数の演算を高速に処理する専用のハードウェアです。科学技術計算やグラフィックス処理など、高精度な数値計算が求められる場面で重要な役割を果たしています。

FPUのアーキテクチャと歴史

FPUは、コンピュータシステムにおけるアーキテクチャによって、大きく異なる形態を取ってきました。初期のFPUは、CPUとは独立した周辺機器として設計されており、CPUとはI/Oポートを介してデータのやり取りを行っていました。代表的な例として、AMDのAm9511（APU）や、Intelのx87（NDP/NPX）が挙げられます。

その後、CPU性能の向上とともに、FPUはCPUと一体化し、コプロセッサとして動作するようになりました。Intel x87シリーズやMotorola 68000シリーズの一部のFPUは、このコプロセッサ方式を採用していました。CPUとFPUはアドレスバスとデータバスを共有し、協調して動作することで、CPUの命令が拡張されたかのような挙動を実現しました。この方式では、CPUがFPUへの命令発行を行い、FPUが演算結果をCPUへ返すことで処理が行われます。

さらに、技術の発展に伴い、1990年代中盤以降の高性能プロセッサでは、FPUはCPUチップ内部のサブユニットとして統合されるようになりました。Intel x86系CPUでは、486以降でFPUがCPUチップに内蔵されるようになり、独立したFPUは387（386用）が最後となりました。これにより、FPUとCPU間のデータ転送オーバーヘッドが削減され、より高速な演算が可能になりました。また、スーパースカラー技術の進歩により、FPUは他のCPUユニットと並列動作できるようになり、処理性能の大幅な向上に貢献しています。現在では、FPUはほとんどのプロセッサに内蔵されており、単体で用いられることは非常に稀です。

FPUの接続方式

FPUの接続方式には、主に以下の3種類があります。

1. I/Oプロセッサ形式

この方式では、FPUをI/Oポートに接続し、周辺機器と同様にデータのやり取りを行います。Am9511はこの形式で設計されています。CPUとFPUが異なるメーカーのものでも接続が可能なため、自由度が高い反面、I/Oポートを介したデータ転送によるオーバーヘッドが大きくなるという欠点があります。

2. コプロセッサ方式

この方式では、CPUとFPUがアドレスバスとデータバスを共有し、協調して動作します。ユーザーから見ると、CPUの命令セットが拡張されたように見えます。初期のコプロセッサでは、CPUとFPUの間に専用の制御線が存在し、CPUがFPUの動作を直接制御していました。しかし、後期の方式では、専用のI/Oポートを介してCPUとFPUがデータのやり取りを行うようになり、より効率的なデータ転送が可能になりました。

3. 乗っ取り形

これはコプロセッサ方式の発展形です。FPUがCPUとしての全機能を持っており、CPUの動作はFPUによって完全に制御されます。487はこの方式を採用しており、実質的にはオーバードライブプロセッサと見なすことができます。

FPUの現状と将来

近年では、GPU（Graphics Processing Unit）が浮動小数点演算に高い処理能力を持つことから、暗号通貨のマイニングや大規模な数値計算にGPUが利用されることが増えています。この傾向は、FPUの役割や重要性を再考させる契機となっています。FPUは今後もCPUに統合された形で発展していくと考えられますが、専門的な用途においては、GPUなどの並列処理能力の高いハードウェアとの連携も重要になっていくでしょう。

まとめ

FPUは、コンピュータにおける高速な浮動小数点演算を実現する重要な要素です。そのアーキテクチャや接続方法は時代とともに進化し、現代のプロセッサではCPU内部に統合されることで、高度な数値計算処理を可能にしています。今後、GPUなどの並列処理技術との連携も重要になり、FPUの役割はますます拡大していくと考えられます。

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