計算機システム Ⅱ 第 1 回

1. 計算機システムⅡ第1回 和田俊和

2. 講義の概要 • コンピュータを，「バス」，「主記憶」，「CPU」などマクロな機能単位，の組合わせとして理解することを目的としている． • まず，コンピュータの歴史を通じて，コンピュータがどのように誕生し，高度化していったのかについて学ぶ（１−４）． • 次に，CPUがALUと制御回路から成り立ち，命令によって主記憶装置とのデータのやり取りが変わること，RISC,CISCなどの命令セットアーキテクチャを学ぶ（５−８）． • 最後に，計算の効率を向上させるためのパイプライン処理や並列処理，実行順序の変更などについて学ぶ（９−１４） • 最後に，現代的なアーキテクチャについて学んだ後試験を行う．

3. 講義計画 • コンピュータの歴史１（←本日） • コンピュータの歴史２ • コンピュータの歴史３ • 演習問題 • 論理回路と記憶，計算：レジスタとALU • 主記憶装置とALU，レジスタの制御 • 命令セットアーキテクチャ • 演習問題 • パイプライン処理 • メモリ階層：キャッシュと仮想記憶 • 命令レベル並列処理 • 命令実行順序の変更 • 入出力と周辺装置：DMA,割り込み処理 • 演習問題 • 現代的な計算機アーキテクチャの解説と試験 • 教科書：坂井修一著：電子情報通信学会レクチャーシリーズＣ−９，コンピュータアーキテクチャ，コロナ社 • 最終回の試験によって成績評価を行う．５回以上欠席で不合格とする．

4. 人はなぜ計算をしたのか？約25000年前，後期旧石器時代人はなぜ計算をしたのか？約25000年前，後期旧石器時代 • 獲物の頭数,農産物の収穫量の勘定・計算 • 分配量の決定 • 租税の計算 • 川の氾濫と面積計算 • 航路の決定（天文学，暦） • 数表（主に三角関数） • 時間の見積もり

5. 人はなぜ計算をすることを拒んだか？ • 「機械的」計算を人が行うのは • 苦痛である • 間違いが起きる • 時間がかかる • 「機械的」計算は機械に行わせるべきである．という発想は自然． • チャールズ・バベッジが「数表の危機」を解決しようとした． • コンラッド・ツーゼが「30元連立方程式を解く機械を作ろう」と提案し，上司に拒まれ，会社を辞めた

6. 加減算の道具：アバカス・そろばんBC1000～500 • 加減算だけなら，石を並べればできる．しかし，大きな数の加減算には多数の石が必要． • ⇒位取り記法（10進数）の利用．さらに，5進数とも組み合わせる． • ⇒この結果，0-99の数を10個の石で表現できるようになった． • 問題点：各桁の計算と桁上がりは人が行う．

7. 乗算の道具：ネピアの骨・算木1550～1617 • 九九を書いた棒を用いて任意桁と一桁の数の乗算を行う．桁上がりの加算は人間が行う． 479×8の例 ネピア：対数の発明者でもある． =3832

8. 歯車を使った計算機：１ • レオナルドダビンチ（1452～1519）は歯車式計算機を設計していない • この歯車では計算できない．

9. 歯車を使った計算機：２ • シッカートが最初．（原理はネピアの骨） シッカート：1592～1635 ケプラー：1571～1630 この背面にネピアの骨を円柱上に記した棒が6本入っている．加減算とメモリは独立

10. 機械的な歯車計算機 • パスカル（1623～1662）のパスカリーヌ．税務官吏の父を助けるために18歳の時に制作．加算専用（減算は補数を使用．） • ライプニッツ（1646～1716），5桁×12桁の16桁の積，除算が計算できた．但し，積は加算，除算は減算の繰り返し．

11. 数表の危機19世紀 • 船の航路を決定するには天文観測に基づく自己位置の決定が必要． • この計算には，三角関数が用いられたが，当時出版されていた数表には誤りが多数存在したため，正誤表が出版され，さらにその正誤表が出版されるというほど混乱していた． • 何が正しい値かを誰も把握できなくなり，これが原因で船の座礁等の事故も起きた．

12. 歯車を使った計算機：２チャールズ・バベッジ（1791～1871）の夢歯車を使った計算機：２チャールズ・バベッジ（1791～1871）の夢 • 階差機関 • 数表の自動的計算と自動組版 • 解析機関とジャガード織機 • プログラムに従って計算する歯車計算機

13. バベッジの構想１：階差機関 人手によるコピーの誤りも無くすため，活版印刷の原版を組むところまで，全自動化を試みた．

14. バベッジの構想１：階差計算の原理 ほとんどの関数は，多項式に展開できる． 多項式関数の値を加算だけで求めることができる．　　　例

15. 階差機関は未完成に終わった • 英国最高の機械工作技術者クレメントへの依頼 • 英国からの17000ポンドの政府助成金＋バベッジのほぼ同額の拠出金（蒸気機関車は当時784ポンド．約40台分以上） • クレメントは不満，確執が起きた． • 政府助成金の打ち切りとともに計画は中断し，部品は溶かされた． • 1/7モデルのみが完成 • その後，スウェーデンのシュウツ親子が完成

16. バベッジの構想２：解析機関 • パンチカードで指定した模様を織るジャーガード織機にヒントを得，プログラムで指定した通りに計算を行う計算機を作ろうとした． • しかも，条件分岐等のジャンプ命令まで備えていた． ⇒機械式ではあるものの，現代の計算機と同じ構造

17. バベッジの構想２：解析機関 • 右は，解析機関の中心部「ミル」 • 機械式メモリと，演算制御部（CPU)が分離する構成（現在の計算機とほぼ同じ）

18. 最初にプログラムが動いた機械式計算機コンラッド ・ツーゼ1910～1995 • 新入社員として入社した会社で，計算する機械を作るよう提案した． • しかし，聞き入れてもらえず，退職し，自宅でプログラムに従って動く機械式計算機Z1を完成させる． • その後演算部をリレー式にしたZ2，メモリ部もリレー式にしたZ3,条件分岐やサブルーチンを入れたZ4他，200を超える計算機を作った．

19. コンラッド ・ツーゼ

20. リレー NOT回路 ばね NAND回路 コイル

21. 真空管 二極真空管 三極真空管

22. 真空管とメモリドラム：ABCマシン • 真空管をリレーの代わりに使う．⇒高速化 • メモリ⇒コンデンサに蓄えられた電荷を使う．リーク（電荷の漏れ）は再チャージすることで補う（ダイナミックメモリ） ジョン　アタナソフ 1903～1995 1939年10月 試作機完成

23. 実用的プログラム内蔵型計算機ASCC⇒ハーバード・マークI実用的プログラム内蔵型計算機ASCC⇒ハーバード・マークI • 3000個のリレーと2200個の歯車から成る電気機械式計算機 • 紙テープからプログラムを読み込む汎用計算機 • 条件分岐は後に組み込まれた． • 15年間も使用された実用的計算機 ハワード・エイケン 1900～1973 1943年完成，1959年まで使用

24. 「バグ」の正体 • ハーバードマークIがあるとき，停止した． • 原因：蛾がリレーに挟まっていた． • これ以来プログラムの間違いを「バグ（虫）」と呼ぶようになった．

25. ENIACは最初の実用的電子計算機 • ゴールドスタイン将校が弾道計算用の機械を模索中，電子計算機を作ろうとしていたモークリとエッカートに目をつけた． • 完成は終戦後1946年

26. ENIAC • 真空管17468本リレー1500個を用いた計算機 • 10進数10桁の固定小数点による数値表現 • 一般数値記憶用メモリ20個，πやe，三角関数等の定数記憶メモリが300個． • 加減算200[μs]，乗算2800[μs]，除算24000[μs] • プログラムは配線とスイッチで表現．条件分岐はない． • 完成は第2次大戦後1946年．弾道計算には使われなかった．稼働期間は10年間

27. ENIACは最初の実用的電子計算機もどき • モークリとエッカートは「電子的にかつディジタルに計算を行う方法」について特許を持っていたが，スペリーランド社が買い取っていた． • どの会社もスペリーランド社に特許使用料を支払っていたが，ハネウェル社だけは払わなかった． • スペリーランド社は，ハネウェル社を訴えたが，逆に，当該特許は無効であるとハネウェルから訴えられた．

28. ENIAC裁判の結果 • 6年間に及ぶ裁判の結果，1973年「モークリとエッカートは自ら最初の電子計算機を発明したのではなく，その基本原理はアタナソフのABCマシンから受け継いだものである．」との判決が下り，特許は無効となった． • 実際に，1941年モークリはアタナソフを訪れ，ABCマシンの原理を聞いていた！ついでにアタナソフに礼状まで送っていた． • しかし，ABCマシンは最初の電子計算機とは呼べない．（未完成であったため）

29. ENIACのプログラムは，ワイヤー • ENIACにはプログラムはあったが，それらはすべて，ワイヤーの結線によって表わされていた． • 簡単なプログラムを組むのにも1週間以上もかかった． • つまり，プログラムを電子的に表現するということはできていなかった．

30. プログラム内蔵式電子計算機へEDSACではない！1948年プログラム内蔵式電子計算機へEDSACではない！1948年 • SSEM（Baby）が最初 • Manchester Mark1 • Ferranti Mark1 命令数が7個と少なく，メモ リも非常に少ない（32語） が，プログラムが動いた． フレデリック・ウイリアムズ, トム・キルバーンによる． ウイリアムズ・キルバーン管がメモリとして使え ることを確認するための装置？

31. EDVAC（1951） • モークリとエッカートは，ENIACのワイヤーを用いたプログラミングは修正すべきであると考えていた． • この二人が，プログラム内蔵型電子計算機を発案し，EDVACの設計に取り組んだ．（EDVACの完成は1949年しかしトラブルが多く1951年から稼働） • しかし，ペンシルベニア大は，天才数学者として有名であったフォン・ノイマンに「EDVACに関する最初の草稿」を発表させた（1945年）． • この結果，プログラム内蔵式の計算機は「フォン・ノイマン型計算機」と呼ばれるようになった． • EDVACはこの草稿で有名になったが，歴史上は特に重要な計算機ではない．

32. しかし，フォン・ノイマン型計算機はフォン・ノイマンとは無関係であるしかし，フォン・ノイマン型計算機はフォン・ノイマンとは無関係である • エッカートは，後に，フォン・ノイマンのことを「アイデア泥棒」と呼んでいる． • ノイマンはこのことに対して肯定も否定もしていない． EDVACとフォン・ノイマン

33. EDSAC（1949年）が実用的な本当の意味での計算機EDSAC（1949年）が実用的な本当の意味での計算機 • プログラム内蔵型の計算機で，実用的に使えるものは，イギリス，ケンブリッジ大のEDSACが最初である．（SSEMはあくまで実験機） • 真空管3000本，メモリには水銀遅延管（水銀を充填した管の両端に水晶振動子を取り付け，増幅回路で繋いだもの．） • サブルーチンの本格的利用

34. 「計算のための道具を作る」という夢は果たされてしまった！「計算のための道具を作る」という夢は果たされてしまった！ 次に何が待ち受けていたのだろうか？ • 小型化？高速化？ • 製品化？ • 金儲け？ • 使いやすさ？ • 計算とはどういうことかを示す？ • 人と同等の知能を持つ機械の実現？

35. コンピュータの多面的発展 待ち受けていたもの • 小型化？高速化？⇒トランジスタ⇒IC⇒LSI⇒… • 製品化？⇒電卓,マイコン,ミニコン,メインフレーム • 金儲け？　　　　　　⇒ソフトウエア産業の勃興 • 使いやすさ？　　　　　⇒言語処理系，OS，UI，　 • 計算とはどういうことかを示す？　⇒計算科学 • 人と同等の知能を持つ機械の実現？　⇒AI • ．．．

36. 時間内に提出：　下記について，講義内容に基づいて答えなさい．時間内に提出：　下記について，講義内容に基づいて答えなさい． • ある機械が，「コンピュータである」ための条件は何か？ • 電子計算機とコンピュータの違いは何か？

37. 次週の予告 • 第2次世界大戦中に開発され，戦争に用いられてきた「電子計算機」コロッサスが存在していた． • その存在や内容は近年まで明らかにされてこなかった． • どのような目的でコロッサスが作られ，歴史の闇に葬り去られてきたかについて述べる．