基本情報技術概論 ( 第９回 )

1. ハードウェア (前回の続き) 基本ソフトウェア (OS) 基本情報技術概論 (第９回) 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史

2. コンピュータの構成 (第１回の復習) CPU 制御装置 演算装置 入力装置 主記憶装置 出力装置 補助記憶装置

3. 前回の復習 IF ID EX MA WB • CPU • プログラムの実行 • 高速化技法 • パイプライン処理、スーパースカラー、VLIW • 性能評価 • クロック周波数、CPI、MIPS、FLOPS • アドレス指定 • 即値、 直接（絶対）アドレス指定、 間接アドレス指定、インデックス アドレス指定、 ベース アドレス指定、ＰＣ相対アドレス指定

4. アドレス指定： ジャンプ命令、分岐命令 • 絶対アドレス • PC ← op • (PC) 相対アドレス • PC ← PC + op • プログラムをメモリ上のどこに置いても、 　　正しく動く 普段は、 次の命令を実行 PC ← PC + １

5. (補助) 記憶装置

6. 補助記憶装置 • 磁気ディスク • フロッピィ ディスク • ハードディスク • 光ディスク • CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW) • DVD • Blu-ray Disc • テープ • 磁気テープ 読込のみ 書込が１回可能 書込が何度でも可能

7. セクタ 記録はセクタ単位 トラックを分割 トラック ディスクを同心円で分割したもの シリンダ 同じ位置のトラックをまとめたもの ハードディスク ヘッド 磁気ディスク ___________ ___________ ___________

8. 記憶の階層 • 高速・小容量 と 低速・大容量 の記憶装置 • うまく組み合わせれば、高速・大容量の記憶装置のように扱える アクセス 速度 容量 レジスタ 速い 小 主記憶 （メモリ） 補助記憶 （HDD、Disc、テープ） 大 遅い

9. 記憶の階層 (キャッシュ, Cache) ___________ • 動作速度の差を埋めるための仕組み 近頃のＣＰＵでは、L1, L2 キャッシュ 容量 速度 レジスタ 速い 小 キャッシュ 主記憶 （メモリ） ディスクキャッシュ 大 遅い 補助記憶

10. キャッシュヒット率 アクセス時間 20 ns 80 ％ 50 ns 練習問題：記憶の階層 20 才 80 ％ 50 才 • 実効アクセス速度は？… アクセス時間の期待値 容量 速度 キャッシュ 速い 小 主記憶 （メモリ） 大 遅い 平均年齢は？ 10

11. 練習問題：記憶の階層 • 実効アクセス時間 = キャッシュ アクセス時間 x キャッシュ ヒット率 + 主記憶 アクセス時間 x ( 1 –キャッシュ ヒット率 ) 問題) アクセス時間が主記憶 60 ns、キャッシュ 10 ns のシステムがある。システムとしての実効アクセス速度が 15 ns の時、キャッシュのヒット率はいくらか。 (H19年度 春)

12. 参考： メモリアクセスの高速化 • メモリ インタリーブ • 主記憶へのアクセスを高速化する手法 • 主記憶を複数の区画（バンク）に分割し、 並列にアクセスする 主記憶 番地 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 … … … …

13. ＲＡＩＤ • 複数のハードディスクを組み合わせて、仮想的に１台の大きなハードディスクに見せる • RAID のR はRedundant→ 冗長性を持たせて、障害に強く • データを、複数のディスクに分散 （高速・大容量） • 耐障害性がない （厳密には RAID ではない） ＲＡＩＤ０　（ストライピング） ＲＡＩＤ コントローラ データ Ａ Ｂ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ

14. ＲＡＩＤ１　（ミラーリング） • 同じデータを、複数のディスクに書き込む • ディスクの利用効率が悪い （例では、全容量の約半分） • 耐障害性は向上 ＲＡＩＤ コントローラ Ａ Ａ データ Ｂ Ｂ Ｃ Ｃ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｄ Ｄ Ｅ Ｅ Ｆ Ｆ

15. ＲＡＩＤ５ • ストライピング　（データを、複数のディスクに分散） • パリティ　（１つ故障しても、パリティを利用して復旧） • 耐障害性が高い / ディスクの利用効率が良い • 読み込みは高速、書き込みはパリティを計算するので低速 データ ＲＡＩＤ コントローラ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ａ Ｂ ｐ Ｃ ｐ Ｄ ｐ Ｅ Ｆ

16. 入出力装置 生協やパソコンショップのカタログなど、 身近なところで機械を探してみてください

17. 入力装置 （文字、数字） • キーボード • OCR (Optical Character Reader) • 手書きの文字を読み込む 例） 郵便番号 • OMR (Optical Mark Reader) • マークシートを読み込む • バーコード リーダ • ＱＲコード リーダ QR コード バーコード

18. 入力装置 （座標 / 画像） • 座標 • マウス • ジョイスティック • タブレット、ディジタイザ • ペンと、位置入力用の板 • 画像 • スキャナ • デジタルカメラ • etc 画素数 画像は点の集まりとして扱われる 横 2,592 x 縦 1,944 = 500万画素 5 M ピクセル ともいう

19. dpi (dot per inch) 1 インチ (2.54 cm) 当たりの点の数 横 2,400 dpi 縦 1,200 dpi… 1辺1インチの正方形に 2,400 x 1,200 = 288万個の点 出力装置 • プリンタ • レーザ プリンタ • インクジェット プリンタ • 熱転写プリンタ • ドットインパクト プリンタ • プロッタ • ディスプレイ • CRT ディスプレイ • LCD ディスプレイ （液晶ディスプレイ） • PDP （プラズマ ディスプレイ パネル） • 電子ペーパー

20. … ２つのモノの間をとりもつ 　　仕組み/規格 ___________ インタフェース • ＩＤＥ、ＥＩＤＥ … PC内蔵型のハードディスクなどを接続する 　　　　　　　　　　　　　パラレル インタフェース • ＳＡＴＡ…PC内蔵型のハードディスクなどを接続する 　　　　　　　　　　　　　シリアル インタフェース • ＵＳＢ (Universal Serial Bus) • 汎用のシリアル インタフェース • ハブを介してツリー状に機器を接続可能 • ＩＥＥＥ 1394 • FireWire、ｉＬｉｎｋ とも呼ばれる シリアル インタフェース • Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ… 無線インタフェース • ＩｒＤＡ … 赤外線短距離通信インタフェース

21. ユーザ インタフェース • CUI (Character User Interface) • 文字を使ってコマンドを入力する • GUI (Graphical User Interface) • メニューやアイコンを使って操作する

22. 基本ソフトウェア (OS: Operating System)

23. ソフトウェアの体系 応用 ソフトウェア アプリ ケーション システム ソフトウェア ハードウェア 基本 ソフトウェア （ＯＳ） ユーザ ミドル ソフトウェア

24. ・ 制御プログラム （ジョブ管理、タスク管理、記憶管理） ・ 言語プロセッサ （コンパイラ、アセンブラ、インタプリタ） ・ サービスプログラム （ユーザインタフェース） ソフトウェアの体系 応用 ソフトウェア アプリ ケーション システム ソフトウェア ハードウェア 基本 ソフトウェア （ＯＳ） ユーザ ミドル ソフトウェア ・ ＡＰＩ （アプリがＯＳの機能を 　　　　　 利用するための仕組み） ・ ＤＢＭＳ （データベースの仕組み）

25. 制御プログラム　（狭義の ＯＳ） • ジョブ管理 ジョブ … ユーザがコンピュータに与える仕事の単位 例） 売上データから売上一覧表の作成 ・ タスク１： 売上データを読込んで、商品別にソート ・ タスク２： 商品別に販売額を集計 ・ タスク３： 売上一覧表を出力 • タスク管理 タスク … ジョブを細分化したものOS が CPU、I/O を割り当てる仕事の単位 • 記憶管理 ( → 次回、詳しくやります )

26. 空き ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ 用語：　シングル タスク • シングル タスク　(シングル プログラミング) • １つのタスクを最後まで実行してから、 　　次のタスクの実行を開始 ＣＰＵ Ｉ/Ｏ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ タスク１ ずっと待っている ＣＰＵ Ｉ/Ｏ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ タスク２

27. 用語：　マルチタスク • シングル タスク • マルチ タスク 空き ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ Ｉ/Ｏ

28. 用語：　マルチ タスク • シングル タスク • １つのプログラムを最後まで実行してから、 　　次のプログラムの実行を開始 • マルチ タスク　（マルチ プログラミング） • 見かけ上、同時に複数のプログラムを実行 • ＣＰＵ の空き時間を少なくする 　　⇒ スループットの向上、レスポンスタイムの短縮 ・ スループット … 一定時間に処理できる仕事の量 ・ レスポンスタイム … 応答が返ってくるまでの時間

29. タスク管理 • どのタスクに ＣＰＵ を割り当てるか タスク 生成 タスク 実行完了 実行可能状態 実行状態 ＣＰＵが空けば いつでも実行可能 ＣＰＵでタスクを 実行している

30. ディスパッチング ＣＰＵが空くと、次に実行されるべきタスクにＣＰＵが割り当てられる タスク管理 実行可能状態 実行状態 ＣＰＵが空けば いつでも実行可能 ＣＰＵでタスクを 実行している ・ タイムスライス（ＣＰＵを割り当てられた時間）を使い切った ・ より優先度の高いタスクが生成され、ＣＰＵを奪われた

31. タスク管理 実行可能状態 実行状態 ＣＰＵでタスクを 実行している 入出力 完了 入出力 要求 待ち状態 入出力など他の作業が終わるのを待っている

32. タスクのスケジューリング方法 • タスクにどのようにＣＰＵを割り当てるか • 到着順 • 到着した順 （他のタスクが来ても中断しない） • 優先順 • 優先順位の高いものから実行する • ラウンドロビン • 到着順だが、タイムスライスを使い切ったら、 　 待ち行列の後ろに並ぶ (一定時間ごとに、他のタスクに交代する)

33. (H12年度 春 改変)似た問題が色々あります 練習問題：タスク管理 • 表は、A, B, C の各タスクを単体で実行した場合のCPU, I/O 占有時間を示している。３つのタスクが同時に実行可能状態になってから、すべてが終了するまでのCPUのアイドル時間を求めなさい。なお、CPUは１個、各タスクのI/Oは並行して処理可能、OSのオーバヘッドは無視できるものとする。 タスク 優先度 単独実行の占有時間 A 高 各タスクともに、CPU → I/O→ CPU 5 ms → 8 ms → 2 ms B 中 C 低

34. 練習問題：タスク管理 (つづき) CPU A I/O B I/O C I/O

37. キャッシュヒット率 アクセス時間 10 ns ？ 60 ns 練習問題：記憶の階層 容量 速度 キャッシュ 速い 小 主記憶 （メモリ） 大 遅い 実効アクセス速度 15 ns 37

39. 1 ms + 5 ms = 6 ms 練習問題：タスク管理 CPU A I/O B I/O C I/O タスク 優先度 単独実行の占有時間 A 高 各タスクともに、CPU → I/O→ CPU 5 ms → 8 ms → 2 ms B 中 C 低

42. この文面は、TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました この教材のご利用について • この教材は、以下に示す利用条件の下で、著作権者にわざわざ許諾を求めることなく、無償で自由にご利用いただけます。講義、自主学習はもちろん、翻訳、改変、再配布等を含めて自由にご利用ください。 • 非商業利用に限定 • この教材は、翻訳や改変等を加えたものも含めて、著作権者の許諾を受けずに商業目的で利用することは、許可されていません。 • 著作権の帰属 • この教材および教材中の図の著作権は、次ページ以降に示す著作者に帰属します。この教材、または翻訳や改変等を加えたものを公開される場合には、「本教材 (or 本資料) は http://www.al.ics. saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/ の教材です (or 教材を改変したものです」 との旨の著作権表示を明確に実施してください。なお、この教材に改変等を加えたものの著作権は、次ページ以降に示す著作者および改変等を加えた方に帰属します。 • 同一条件での頒布・再頒布 • この教材、または翻訳や改変等を加えたものを頒布・再頒布する場合には、頒布・再頒布の形態を問わず、このページの利用条件に準拠して無償で自由に利用できるようにしてください。

43. この教材のご利用について • 配布場所 • http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/ • この powerpointファイルの著作者 • 堀山 貴史　2007-2009 horiyama@al.ics.saitama-u.ac.jp • 改変等を加えられた場合は、お名前等を追加してください • 図の著作者 • p. 2, 6 ～ 8, 12, 17, 20 • ハードディスク : 堀山 貴史 • CPU, メモリ, キーボード, USB: http://webweb.s92.xrea.com/ • パソコン, ディスプレイ, プリンタ, マウス, FD, CD:Microsoft Office Online / クリップアート • p. 10, 18, 19, 23, 24 • クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート • その他 • 堀山 貴史