インストラクション（instruction）は、コンピュータ分野において非常に重要な概念です。
これは、マイクロプロセッサ（MPU/CPU）が実行する機械語の命令を指し、実行可能なプログラムの基礎を成します。
この記事では、インストラクションの定義、命令セットアーキテクチャ（ISA）、および性能指標であるIPC（Instructions Per Cycle）とCPI（Cycles Per Instruction）について詳しく解説します。
インストラクションの基本
インストラクションとは？
インストラクションは、コンピュータにおける命令、指示、指図を表す英単語であり、特にマイクロプロセッサに与える命令のことを指します。
実行可能な形式のプログラムは、さまざまなインストラクションの組み合わせから成り立っています。
命令セットアーキテクチャ（ISA）
命令セットアーキテクチャ（ISA）は、プロセッサが実行できるインストラクションの体系を定義します。
設計時に決まるこの体系は、プロセッサ内部の回路構造（マイクロアーキテクチャ）とは独立しています。
異なるプロセッサが同じISAを持つ場合、それぞれのプロセッサが異なる内部構造を持ちながらも、同じプログラムコードを実行できることが特徴です。
IPCとCPIの理解
IPC（Instructions Per Cycle）
IPCは、マイクロプロセッサが1クロックサイクルあたりに実行する命令の数を示す性能指標です。
高いIPCは、プロセッサの実行効率が高いことを意味します。
特定のベンチマークプログラムを実行した場合に、どれだけの命令を1クロックあたりに実行できるかを測定します。
一般的に、IPCが高いほど性能が向上します。
CPI（Cycles Per Instruction）
CPIは、1つのインストラクションを実行するのに必要なCPUクロック周期の数を表します。
CPIが小さいほど、同じクロック周波数でより効率的にプログラムを実行できることになります。
IPCとCPIは互いに逆数の関係にあり、同じプロセッサであっても、実行するインストラクションによって必要なサイクル数が異なることがあります。
プロセッサの性能と設計
プロセッサの設計や構造によって、IPCとCPIの値は大きく異なります。
例えば、最も単純なプロセッサでは、各命令ごとに順番に実行され、通常5～10CPI程度となります。
しかし、パイプライン技術を使用することで、各ステージで異なる命令を処理できるようにし、1サイクルあたりの実行命令数を増加させることが可能です。
さらに、スーパースカラ型プロセッサは、複数の実行ユニットを同時に稼働させることで、依存関係にない命令を同時に処理する能力を持ち、平均して1クロックあたりに1つ以上の命令を実行することも可能です。
まとめ
本記事では、インストラクションの定義とその重要性、さらに性能指標であるIPCとCPIについて詳しく解説しました。
インストラクションはコンピュータプログラムの基本であり、理解することで、より効率的なプログラム設計やプロセッサの選定が可能になります。
IT分野におけるこの基礎知識を活用し、実践的なスキルを高めることが期待されます。