Microsoft PowerPoint - １回 [互換モード]

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計算機ハードウエア

2018年度前期

第１回

計算機について学ぶ意義

① 機械工学分野（機構，金属加工，設計製図）

② 電気電子工学分野（アクチュエータ，センシング，通信）

③ 制御工学分野（追従制御，非線形制御）

④ 情報工学分野（軌道計画，プログラミング）

最近のメーカでは、電気技術者、機械技術者といった要素技術

者だけでなく、「

総合技術者

」が求められています。

総合技術というのは「

システム

」のことです。

現在のテクノロジーにおいて、電気機械システムを総括してい

る「計算機」を学ばずして、エンジニアリングが成り立たない

時代です。

テーマ内容・方法等第1回コンピュータの原理計算機の基本的なハードウェア構成について学ぶ。第2回数の表現計算機内部における整数の表現法として、2進数、2の補数等について学ぶ。第3回論理素子の電子回路コンプリメンタリ回路、トランジスタによる論理回路、ハイインピーダンス、ワイヤード OR回路等について学ぶ。第4回記憶素子の電子回路メモリやプログラマブルデバイス等について学ぶ。第5回いろいろな組合せ論理回路組合せ回路について学び、真理値表、主加法標準形等を理解するとともに、マルチ_{プレクサ、エンコーダ、比較器等について学ぶ。} 第6回演算回路加減算器等について学ぶ。第7回論理回路のハザード回路のゲート等に生じる遅延や、それにより生じるハザードについて学ぶ。第8回中間試験とこれまでのまとめ・解説計算機のアーキテクチャ、数の表現、組み合わせ論理回路について理解を深める。第9回フリップフロップの基本フリップフロップの動作原理を理解し、基本的なフリップフロップについて学ぶ。第10回様々なフリップフロップと応用回路さまざまなフリップフロップの機能と、フリップフロップを用いた簡単な応用回路につ_{いて学ぶ。} 第11回順序回路のモデル順序回路の基礎を理解し、順序回路の表現法を学ぶ。第12回順序回路の設計順序回路の設計法を理解する。第13回 CPU の動作 CPUがどのように制御されているかを学ぶ。第14回総まとめと解説本講義の総まとめを行う。到達目標（１）計算機内部における数値の表現法を理解でき、表現できる。（２）エンコーダ回路、加算回路、メモリ回路等、計算機等で用いられる回路について理解でき、設計できる。（３）順序回路について理解し、簡単な順序回路を設計できる。（４）デジタル回路の遅延に関する基本事項を理解でき、説明することができる。（５）計算機の構造と性能評価について説明することができる。評価方法授業の欠席が４回以上の場合、または授業の出欠記録と演習などの提出物の状況に不整合がある場合は欠格条件となることがある。授業の終わりに，１０～１５分程度の演習問題を課し、提出とする。受講生の解答状況を見て、理解が十分でないポイントを重点的に翌週の授業で解答例と重要なポイントの再確認を行う。最低限、到達目標の（１）～（３）満たす必要がある。（４）（５）の理解度に応じて加点する。演習・レポート等20％、定期等試験80％の割合で総合成績とする。成績評価基準Ａ：到達目標項目について、全てを総合して平均90%以上の達成度Ｂ：到達目標項目について、全てを総合して平均80%以上90%未満の達成度Ｃ：到達目標項目について、全てを総合して平均70%以上80%未満の達成度Ｄ：到達目標項目について、全てを総合して平均60%以上70%未満の達成度Ｆ：上記以外

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至る所にある計算機（コンピュータ）

車の電子制御エンジン

http://www.sigmaestar.com/jamanere.php

ロボット

https://www.takagishokai.co.jp/edge/technical_support/drive/ https://www.sinfo-t.jp/NewsRelease/new_39.htm

電力変換装置

高機能家電

自動運転車

http://www.nissan-global.com/JP/NEWS/2013/_STORY/ 130926-04-j.html

計算機（パソコン）

日本ヒューレットパッカード

http://h50146.www5.hp.com/directpl us/personal/?jumpid=ps_74m86jxecn

東芝

http://toshibadirect.jp/pc/?gclid= CLm5yqvY48QCFcMIvAodd3IAZA Apple http://store.apple.com/jp/mac

計算機（昔のパソコン）

日本電気（NEC） “PC-8001”

1975年発売

http://www.old-computers.com/museum/photos. asp?t=1&c=178&st=1

SHARP “MZ-80K”

1979年発売

http://www.old-computers.com/museum/c omputer.asp?st=1&c=174

APPLE “APPLE-1”

1976年発売

http://www.old-computers.com/museum/ computer.asp?st=1&c=67

APPLE “Macintosh” 1984年発売

http://www.old-computers.com/museum/computer.asp?st =1&c=271

FUJITSU “FM-TOWNS”

1989年発売

http://www.old-computers.com/museum/computer.asp? st=1&c=968

計算機（スーパーコンピュータ）

「神威太湖之光」

計算速度：93.0146PFLOPS（ペタフロップス）

https://www.newsweekjapan.jp/stories/world/ 2017/01/post-6775.php

「京」

計算速度：

10.5 PFLOPS（ペタフロップス）

http://gigazine.net/news/20130618-fastest-supercomputers/

1 PFLOPS（ペタフロップス)=10

15

_{回／秒の浮動小数点演算}

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スパコンの計算速度

文部科学省平成２５年度「今後のHPCI 計画推進の在り方について」資料より

ちなみに、2017年度世界スーパーコンピューターランキング「TOP500」では

日本の「暁光」が世界４位、

19.14PFLOPSとなっている。

計算機（マイコン）

日本電気（NEC） “TK-80”

1976年発売

http://www.old-computers.com/museum/comput er.asp?st=1&c=405

SH-2 ボード

http://www.apnet.co.jp/p roduct/superh/ap-sh2f-6a.html

ARDUINO UNO ボード

http://arduino.cc/en/Main/Arduino BoardUno

H-8 ボード

http://akizukidenshi.com/img/goods/ C/K-00179.JPG

MicroChip “PIC16F84A”

http://akizukidenshi.com/catalog/g/g I-00097/

計算機械の始まり

アラン・チューリング（A. Turing）による計算機の概念

“On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem,”

1936

A. Turing が世界で初めて提唱した「計算機の概念」

1.無限に長いデータ記録用テープ

2.その中に格納された情報を読み書きできる装置

3.機械の内部状態を記憶するメモリ

で構成され、内部状態と読み取り装置から読み出した情報の組み合わせに応じて、

次の動作を実行する。

1.読み取り装置の位置のテープに情報を書き込む

2.機械の内部状態を変える

3.読み取り装置を右か左に一つ移動する

この動作を、機械は内部状態が停止状態になるまで反復して実行し続ける。

＝

計算機アルゴリズム

計算機械の始まり

アラン・チューリング（

A. Turing）による計算機（暗号解読器）

第二次世界大戦中のイギリスにおいて、

ナチスドイツによる当時世界最高の軍事

用暗号「エニグマ」を解読するために開発

された機械式計算機

“bombe”

暗号解読の組み合わせは

10

19

_通り

(4)

電子計算機の始まり

ジョン・モークリー（John William Mauchly）

ジョン・エッカート（John Presper Eckert）が

真空管を使ったプログラム内蔵方式の電子

計算機

“

ENIAC

” を開発 1946

フォン・ノイマン（John von Neumann）

プログラム内蔵方式

“

EDVAC

” 1949

＝

ノイマン型コンピュータ

（von Neumann Architecture）

二進数四則演算

1000ワードメモリ

約6,000本の真空管と約12,000個のダイオード

消費電力：56kW

十進数加減算のみ

17468本の真空管と7200個のダイオード

消費電力：150kW

コンピュータの５大機能

入力機能

コンピュータにプログラムやデータなどの情報を渡す機能。

記憶機能

入力装置から入力されたデータやプログラムを記憶する機能。

演算機能

制御装置の指示と記憶装置に記憶されているデータを基に様々な演算を行う

機能。四則演算や論理演算、比較など。

出力機能

処理されたデータを人間が理解できる形式に変換して外部に渡す機能。

制御機能

各装置の動作を正常に保つために、動作を制御（操作・調節・管理）する機能。

ノイマン型コンピュータ(von Neumann Architecture)

CPU（中央処理装置）

制御装置

演算装置

出力装置

入力装置

記憶装置

ディスプレイ

プリンタ

プロッタ

その他

キーボード

マウス

タッチパネル

その他

メモリ

ハードディスク

その他

計算機の中身（パソコンの場合）

外部記憶装置

主メモリ

CPU

電源装置

ビデオカード

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パソコンの構成

ディスプレイ

プリンタ

マウス

キーボード

CPU

メモリ

マザーボード

ビデオカード

HDD

SSD

光学ドライブ

その他

周辺機器

LAN

コンピュータシステム

１．マルチプロセッサシステム( Multiple Processor System )

・対称型マルチプロセッサシステム

SMP（Symmetric Multiple Processor)

パラレルプロセッサシステムともいう。

・密結合マルチプロセッサシステム

TCMP（Tightly Coupled Multiple Processor）

・疎結合マルチプロセッサシステム

LCMP（Loosely Coupled Multiple Processor）

プロセッサ

(Processor) (Processor)プロセッサ (Processor)プロセッサ (Processor)プロセッサ

主記憶装置 (Main memory) OS (Operating System) 主記憶装置 (Main memory) OS (Operating System) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main memory) OS (Operating System) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main memory) OS (Operating System) プロセッサ (Processor)

コンピュータシステム

3．デュプレックスシステム( Duplex System )

２．タンデムシステム( Tandem System )

フロントエンドプロセッサ FEP (Front End Processor) CPU バックエンドプロセッサ BEP (Back End Processor) ファイル装置 (Storage) 通信制御装置 CCU (Communication Control Unit) 切替装置 (Switcher) ファイル装置 (Storage) 通信制御装置 CCU (Communication Control Unit) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main Memory) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main Memory) 切替装置 (Switcher)

コンピュータシステム

４．デュアルシステム( Dual System )

切替装置 (Switcher) ファイル装置 (Storage) 通信制御装置 CCU (Communication Control Unit) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main Memory) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main Memory) ファイル装置 (Storage)

Cross check

５．シンプレクスシステム

( Simplex System )

ファイル装置 (Storage) 通信制御装置 CCU (Communication Control Unit) プロセッサ (Processor) 主記憶装置 (Main Memory)