基本情報技術概論 ( 第 10 回 )

1. 計算機 システム 基本情報技術概論 (第10回) 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史

2. 計算機 アーキテクチャ

3. コンピュータの構成 (第１回の復習) CPU • 主記憶 (main memory, メモリ) に、 プログラム と データを置く 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

4. （参考） フローチャート i + 1 → i i < 10 プログラムの実行 • 主記憶の上のプログラム • 命令を前から順に読んで実行する • 演算命令 （加減算やシフトなど） • 条件分岐やジャンプもある 主記憶 ADD GR0, 1 SUB GR0, 10 JNZ 01 ・ ・ ・

5. プログラムの実行 • 主記憶の上のプログラム • 命令を前から順に読んで実行する • 演算命令 （加減算やシフトなど） • 条件分岐やジャンプもある 主記憶 ADD GR0, 1 SUB GR0, 10 JNZ 01 ___________ ・ ・ ・ • プログラム内蔵方式 • 主記憶装置にプログラムを置いて 　実行する方式

6. CPU （プロセッサ） データやり取り用に複数の回路が ぶら下がった経路 • 制御装置 + 演算装置 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置 参考 ： 一度に処理できるビット数は、時代と共に大きく 8 bit CPU → 16 bit → 32 bit → 64 bit

7. 演算装置 • 汎用レジスタ … プログラム実行に必要な値を一時的に記憶 • ＡＬＵ (Arithmetic and Logic Unit) • 算術演算（加減乗除）や論理演算、シフト演算を行う • 時代と共に、演算器の種類が多くなっている 加減算器のみ → 乗除算器つき → マルチメディア演算 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

8. 制御装置 • プログラムカウンタ • 主記憶上のプログラムの現在の位置（番地）を 記憶するレジスタ　　（命令アドレスレジスタともいう） • 命令レジスタ • 主記憶から読んだ、現在の命令を記憶するレジスタ 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

9. プログラムの実行 命令ごとに、以下を繰り返す (1) IF 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む (2) ID 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 (3) EX 演算を行う (4) MA主記憶にアクセスする (5) WB実行結果をレジスタに格納する IF ID EX MA WB ※１ IF - Instruction Fetch / ID - Instruction Decode / EX - Execution / MA - Memory Access / WB - Write Back ※２ 設計によって、各ステージの詳細には差異がある

10. プログラムの実行 (1) IF : 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む プログラムの番地を指示 指示された番地の命令が返ってくる 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

11. プログラムの実行 (2) ID : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 例） LD GR0, 200 主記憶 200番地の内容を GR0 にロード 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

12. プログラムの実行 (3) EX : 演算を行う 例） 演算命令、オペランドのアドレス計算 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

13. プログラムの実行 (4) MA : 主記憶にアクセスする 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

14. プログラムの実行 (5) WB : 実行結果をレジスタに格納する 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

15. 高速化技術： プログラムの実行 (再び) (1) IF 命令をメモリから命令レジスタに読み込む (2) ID命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 (3) EX 演算を行う (4) MAメモリにアクセスする (5) WB実行結果をレジスタに格納する IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB ・・・ １つ目の命令 ２つ目の命令

16. 高速化技術 (パイプライン処理) ___________ １つ目の命令 IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB ２つ目の命令 IF ID EX MA WB ３つ目の命令 IF ID EX MA WB ４つ目の命令 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 命令の依存関係を解決する必要がある ・ 条件分岐が成立すると、次の命令からやり直し

17. 高速化技術 (スーパースカラー) • 演算器を複数持つなどして、 複数のパイプライン処理を同時に実行する IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB 命令の依存関係の　解決が複雑 → ハードウェアが複雑 IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB IF ID EX MA WB

18. 高速化技術 (VLIW) • Very Large Instruction Word • 複数命令を１つの固まりとみなし、同時に実行 IF ID EX MA WB EX EX EX IF ID EX MA WB EX EX EX … ・ 命令の依存関係の解決は、コンパイラに任せる ・ ハードウェアは簡単

19. 練習問題？：性能評価 彼が携帯電話を使うと、 1秒間に 6 回キーを押すことができる。また、平仮名の入力には、1文字に平均 3 回キーを押す必要がある。 ・ 1秒間に何文字の平仮名が打てるか？ ・ 平仮名 1文字あたり、何秒かかるか？ （予測入力等は考慮しない。）

20. 性能評価 • クロック • クロックに同期して、レジスタの値が変わる 例) クロックに同期して、ステージを進める • クロック周波数 (単位は Hz) • １秒間のクロック数 • 例： CPU のクロック周波数が 1.6 GHz IF ID EX MA WB

21. 性能評価 • CPI (Clocks Per Instruction) • １命令ごとの（実行に必要な）クロック数 例) • 命令ごとにクロック数可変なら、平均をとる • MIPS (Million Instruction Per Second) • １秒ごとの命令（実行）数 （単位 M … 100万） • FLOPS (Floating point number Operations Per Second) • １秒ごとの浮動小数点演算実行数 この例なら ５クロック IF ID EX MA WB

22. 練習問題：性能評価 1 GHz で動作する CPU がある。この CPU は、 機械語の 1 命令を平均 0.8 クロックで実行できる。 この CPU は何 MIPS か。 (H19年度 秋 一部改変)

23. 練習問題？：性能評価 • クロック周波数 6 MHz (6 x 106クロック/秒) • CPI 3 （クロック/命令） • MIPS 2 （2 x 106命令/秒） • 1命令の実行時間 0.5 μs（0.5 x 10-6秒/命令） 1秒間に 6 回キーを押す。1文字に平均 3 回キーを押す必要がある。 ・ 1秒間に何文字？ ・ 1文字あたり、何秒かかる？ slide 19

24. 主記憶装置

25. 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

26. 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

27. 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？ 27

28. 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)

29. 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 … … … …

31. プログラムの実行 (1) IF : 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む プログラムの番地を指示 指示された番地の命令が返ってくる 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

32. プログラムの実行 (2) ID : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 例） LD GR0, 200 主記憶 200番地の内容を GR0 にロード 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

33. プログラムの実行 (3) EX : 演算を行う 例） 演算命令、オペランドのアドレス計算 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

34. プログラムの実行 (4) MA : 主記憶にアクセスする データの番地を指示 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

35. プログラムの実行 (5) WB : 実行結果をレジスタに格納する 主記憶 装置 バ　ス プログラム カウンタ 命令 レジスタ 汎用レジスタ ＡＬＵ 制御回路 命令 デコーダ 制御装置 演算装置

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

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