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マイクロプロセッサ

マイクロプロセッサ. 第一回. 関根　優年. 本講義の概要. 教科書. パターソン＆ヘネシー コンピュータの構成と設計　（上） ハードウェアとソフトウェアのインタフェイス　第 2 版 日経 BP 社　 ISBN4-8222-8056-X. 演習. 講義日程. 概説 性能評価方法 数の表現 コンピュータの基本構造 整数演算回路 浮動小数点演算回路 記憶回路 制御回路 データバス回路１ データパス回路２ 1 １ . 筆記試験. 講義の内容 SPIM による

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マイクロプロセッサ

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  1. マイクロプロセッサ 第一回 関根　優年

  2. 本講義の概要 教科書 パターソン＆ヘネシー コンピュータの構成と設計　（上） ハードウェアとソフトウェアのインタフェイス　第2版 日経BP社　ISBN4-8222-8056-X 演習 講義日程 • 概説 • 性能評価方法 • 数の表現 • コンピュータの基本構造 • 整数演算回路 • 浮動小数点演算回路 • 記憶回路 • 制御回路 • データバス回路１ • データパス回路２ • 1１. 筆記試験 講義の内容 SPIMによる シミュレーション 成績評価 レポート(2回,30点) 　＋出席(10点） 　＋筆記試験(60点) 　　　　　　　　＝100点

  3. ディジタルとアナログ アナログ ディジタル 「連続的な情報」 「離散的な情報」 0010….01010101000 ・実世界の情報は基本的にはアナログ（画像、音など） ・今まで習ってきた数学の多くは連続量（アナログ） なのに…… 　様々な情報処理分野における 　　　　　　　　　アナログからディジタルへの移行 (例: 携帯電話、テレビ放送、ビデオ(DVD), 音情報(MD,CD)） なぜ？ ディジタルコンピュータ(プロセッサ）技術の発展

  4. ディジタルコンピュータとアナログコンピュータディジタルコンピュータとアナログコンピュータ ディジタルコンピュータ 演算機能、精度に制約がない反面、大規模な回路 　　　　　　←　汎用用途にはよいが、回路規模の問題をクリアする必要あり アナログコンピュータ 素子に依存して演算機能、精度などが決まる　 　　　　　　←　特定用途にはよいが、汎用用途には　×

  5. 世界最初のディジタルコンピュータは? 1946年公表 世界最初の汎用電子計算機といわれるものは？ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) ペンシルベニア大学J.P. Eckert & J. Mauchly 弾道計算用に開発された汎用コンピュータ • 真空管 18,000本 • 長さ 24m • 総重量 30t • 電力 120KW 性能　　　毎秒 1900回加算 世界初の商用 　　の汎用電子計算機は? 1949年　EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator)

  6. Electronic Discrete Variable Automatic Computer（EDVAC@1949) プログラムを数値としてメモリに格納する方法を考案 Eckert　と　Mauckly　、　Von Neumann 自分の成果を宣伝 ノイマンだけが有名になる　 ⇒ Neumann 型計算機　：　メモリ格納方式計算機 　　　　　　　　　　　　　　　布線方式（ランダムロジック）ではない メモリと処理部の間のバスネック　⇒ ノイマン・ボトルネック

  7. μPの発端：ビジコンがIntelにLSI電卓を発注 • 当時，電卓が先端の製品 • （答え一発！カシオミニ） トランジスタ，IC，LSIと発展 日本の嶋氏がプログラム方式 の汎用LSIをIntelに委託。 Intelはdramから撤退したventure： R．Noyce,G.Moore ⇒　嶋氏が　i4004を設計 動作周波数　108KHz, 集積度　2300Tr(1971)

  8. ディジタルコンピュータの世代 中核テクノロジの変革及び集積度技術の向上とともに、 コンピュータの小型化、高速化、低コスト化が進んでいる 特にシリコン集積化技術の発展に伴い、 現在も性能が向上中 マイクロプロセッサは第４世代 (現在も繁栄中) 第５世代 にはならないのか？

  9. 論理素子の変遷 真空管 電球のフィラメントのまわりにいくつかの電極 (プレート や グリッド) をつけ加えて、 整流、増幅、発振などの電子回路を作れるようにした トランジスタ ベル研のショックレーらが開発した、半導体により、信号の増幅作用とコンピュータで使われている「0か1」とスイッチ作用を実現する素子 集積回路の略。トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどの部品を詰め込んだ複合部品 IC LSI 大規模集積回路の略。ICの集積度が向上したもの。 速度、耐故障性も 比較にならないくらい向上 現在、1つのLSIに1000-8000万ゲート （1000万個の真空管と同等の機能）

  10. コンピュータの進化（第１世代から第３世代）コンピュータの進化（第１世代から第３世代） UNIVAC１ 初の商用コンピュータ(1950) ENIAC EDSAC IBMS360（1964) 商用計算、科学技術計算およびリアルタイム・アプリケーションに適応できる汎用の機能を提供した汎用コンピュータシリーズ。ICで実現 IBM1401 (1959) トランジスタによる事務 処理計算用コンピュータ 専用計算機（科学技術計算など） 　から汎用計算機（何でもできるコンピュータ）へ 　　　　　⇒　ハードウェアからソフトウェアへ PDP-8(1965) 業界で初めて大量生産した 12bitミニコンピュータ。 CRAY-1 (1976) LSIを用いたスーパーコンピュータ

  11. マイクロプロセッサの進化 例えばIntel系の開発 Intel 4004 (1971) Intel 8086 (1978) Intel 80286 (1978) PentiumIII(1999) Pentium(1993) ENIAC(第一世代） 現状のLSI技術 1cm x 1cm大 1000万トランジスタ GHzでのクロック動作 部屋一つ 18,000の真空管 1900Hzでの加算演算 20年前のLSIに比べ 1000倍程度小さくなり、速くなっている シリコンウェハ

  12. 脳とコンピュータ １５０億個の神経細胞、各神経細胞は数千の入力シナプス

  13. ソフトウェアとハードウェア • コンピュータはプログラムを逐次的に処理する機械 • プログラムはコンピュータ機械の上で処理される刹那的な実体 • 意識・自我は脳という物体の中で蠢く刹那的な実体 • プログラムはコンピュータに支配されるか？自我は脳に支配されるか

  14. 技術革新の原動力 8(200mm)インチウェーハに78個のPentium Pro(308mm2)

  15. Pentium　のチップ写真 • 91mm2 • 330万Tr • （１００万ゲート） • キャッシュ100万 • キレイに区分け • されている 分岐 制御 データ･キャッシュ 整数 データ パス バス 浮動小数点データ-パス 命令キャッシュ

  16. Pentium Pro　のチップ構成 306mm2 550万Tr キャッシュ 100万Tr 外部キャッシュ 3100万Tr 区分けが 雑然としている

  17. IntelのMicro processorの変遷 10,000 (万) GeForce(Graphic) Pentium Ⅳ PlayStation Ⅱ 1,000 Pentium Ⅱ,Ⅲ Pentium Pentium Pro i486 トランジスタ数 100 i386 10 80286 間もなく1億tr ムーアの法則：18～24ヶ月で2倍 2007年：10億tr, 20GHz? 8086 1 8080 8008 4004 0.1 1971 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 （電子情報通信学会VLD97-76）

  18. インテルの最新データ Pem4　動作周波数：3.06GHz（28,000x)@2002.11 PemM 集積度：7700万Tr数(33,000x)@2003.3

  19. Pentium4のスペック アーキテクチャー　　　　　　 90nm L2キャッシュ　　　　　　　　　１MB 動作周波数　　　　　　　　　　3．6GHz フロントサイドバス　　　　　　800MHz チップセット(800MHz)925X，… ソケット　　　　　　　　　　　　　LGA775 ハイパー・スレッディング　　対応 発熱量は　100W?1V, 100A ? 7000万Tr　を何に使用 ?　どう設計する ? この先は　?　もう限界 ?

  20. CELL,DUO,etc. • 単一プロセッサ・コアからマルチ・プロセッサ・コアへ • 動作周波数が3.xGHzで消費電力１００Wの壁に激突 • 周波数を下げて、プロセッサ数を増やす：全く、作る側の事情 • 個人ユーザーで同時に複数のプロセッサが動く場合は少ない。 • 非力な一つのコアが常時動いているだけ。

  21. オペレーティング・システム • 今までのOSは単一のプロセッサの制御を行う • 逐次的に一つの処理を行うことで、厳密な因果関係を保持してきた • マルチ・コアで同時にいくつもの処理をすると前後関係が複雑になり管理できない

  22. FPGA＋CPU • 作業を分担、並列処理、 • プロセッサは逐次処理に専念。 • 周辺回路は並列処理を行う。 • 必要な時に、必要な回路を作り使用する。 • プログラムと同じ様に回路をメモリから呼び出す。 • 用途に応じて、回路の組み合わせが変わる。 • 不要な回路にはお金を払わない。

  23. ナノ・スーパーコンピューター・ボード16x4の構成例ナノ・スーパーコンピューター・ボード16x4の構成例 40x40cm ６４PE：　358 GFlops /448w＠400万ゲートx64=25.6G

  24. 入出力回路 演算器 メモリ 演算器 ゲート 制御 回路 演算器 Large Scale Integrated(LSI) Circuit ＜階層構造＞ チップ 　↑ 機能ブロック 　↑ 演算器 制御回路 メモリ 　↑ 基本回路 　↑ ゲート 　↑ トランジスタ 配線

  25. 論理回路の設計 ゲート 階層的設計 基本回路 システム 演算器 機能ブロック チップ デコーダ レジスタ 組み合せ 制御回路 分解 bottom-up top-down

  26. ディジタル回路の設計技術 ・規模 ・アーキテクチャ＝設計法、構成法 手設計では不可能．計算機による設計 自動化． １９６０年代：設計言語　DDL １９８０年代：HDLによる論理設計 　　　　　　　　論理シミュレーション 　　　　　　　　論理合成（LUNA) RTLシミュレータ（FAL) 　　　　　　　　デバイス・シミュレータ 　　　　　　　　回路シミュレータ（SPICE) １９９０年代：商用設計ツール IntelのMicroprocessorの例 （日経エレクトロニクス2001.2-26より） LSI： 　メモリ（フラッシュ，ｄRAM) ASIC FPGA

  27. プロセッサはどこにある? 例）　携帯電話 例）　パソコン 組み込み用プロセッサ マイクロプロセッサ LSIの売上げ : マイクロプロセッサ、 パソコンだけではなく、我々の身の回りの電化製品には プロセッサがつくという流れ（情報家電）

  28. マザーボード

  29. コンピュータの基本要素 入力 制御 記憶(メモリ) キーボード マウス など プログラム本体及び プログラムが必要と するデータ格納領域 データバス 出力 ディスプレイ など プロセッサ（＝制御＋データバス） 　プログラムの命令により動く 　数値演算、条件分岐、入出力データ送出

  30. コンピュータの基本要素 入力 制御 記憶(メモリ) キーボード マウス など プログラム本体及び プログラムが必要と するデータ格納領域 データバス 出力 ディスプレイ など ソフトウェア ハードウェア

  31. コンピュータの基本要素（将来） 入力 制御 記憶(メモリ) キーボード マウス など プログラム本体及び プログラムが必要と するデータ格納領域 データバス 出力 仮想 回路 仮想回路データ ディスプレイ など ソフトウェア ハードウェア

  32. FPGAボード • 400万システムゲートｘ3 • 16MBｘ4 • 200ＭＨｚ動作 • PCIバス動作

  33. 電気電子工学科のロボット

  34. ディジタルコンピュータとプログラム ディジタルコンピュータが汎用である 　　⇒　実行させたいことを記述する必要がある 　　プログラム　＝　実行させたいことの記述　　 コンピュータ側からの要請によるプログラミング言語 アセンブル言語　：　プロセッサへの命令列（インストラクション） 　　　　　　　　　　　 コンピュータの挙動の把握必要あり　 人間からの要請によるプログラミング言語 高水準言語　　：　英語と代数式による記述 （C,PASCAL)　　　 簡明さによる生産性の向上 　　　　　　　　　　　 プログラムがコンピュータの構造から独立　

  35. なぜディジタルコンピュータに2進数? トランジスタは0,1の表現に適している ⇒　2進数 人間は10本の指　 ⇒ 10進数 スイッチング回路 リレー・スイッチ ON, OFFで設計 集合論 抽象代数 離散数学 （微分・積分ではない） VDD pMOS CMOS トランジスタ （LSIで使われる） Vin Vout nMOS 金属配線(アルミ) ポリシリコン ポリシリコン N+型 N+型 P+型 P+型 N型 P型シリコン基板 LSIのシリコン ウェーハの断面

  36. r進数表現について r進数表現 各桁のとるR種類の値は、 　　　　次の集合LRの要素 LR = {0,1,…,R-1} 正の整数Xに対するn桁のR進数 (xn-1 xn-2 … x1 x0 )R xi ∈ LR は次の関係が成立する。 X = xn-1Rn-1+xn-2Rn-2+…+ x1R+ x0 2進数の場合 正の整数Xに対するn桁の2進数 (xn-1 xn-2 … x1 x0 )2 xi ∈ L2 ( = {0,1}) X = xn-12n-1+xn-22n-2+…+ x12+ x0 各桁をビット(bit:binary digit) 最上位桁をMSB(Most Significant Bit) 最下位桁をLSB(Least Significant Bit)と呼ぶ 16進数はメモリ番地などのデータを表す ために、2進数の代わりによく用いられる

  37. ディジタルコンピュータでの文字表現 コンピュータ上で文字を表現するためには、 　文字をある2進数表現として定義する必要がある アルファベット文字　ー　ASCIIコード(7bit) 　（American Standard Code for Information Interchange) 例えば a : 1100001 (2進数) 一般にデータ表記としては 16進法を用いる 63h 0x63 または 16進数を表す 日本語（漢字とか）は、 16bitで表現される ←　方式には様々 　　　例) Shift-JIS, EUC

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