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計算機構成論II 第1回 (全15回）

知能情報工学科

横田孝義

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2 10/6 10/12 10/19 10/28 11/2 11/9 11/16 11/21 12/7 12/14 12/21 1/11 1/18 1/25 2/1

授業計画

2/8 _{定期テスト}

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テキスト

¥3,672円

尾内理紀夫著

ISBN978-4-254-12701-0 C3341 朝倉書院

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ダウンロード可能な資料

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中間テスト、期末テスト、レポートで採点します。

成績評価は

中間テスト得点（100点満点)×0.3

+期末テスト得点(100点満点) ×0.5

+ レポート複数回の平均得点(100点満点）x 0.2

とし、60点以上を合格とする。

評価方法

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ノイマン型コンピュータ

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真空管 _{トランジスタ}

IC LSI VLSI

Intel 8080 _{Intel core i7}

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黎明期のコンピュータ

ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator))

ペンシルべニア大学ムーア校 J.Presper Eckert & John W.Mauchly

1943年開発開始、1946年公開真空管 18,000本高さ 3m 弱長さ 25m 奥行 1m弱重さ 30t 消費電力 150kW

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黎明期のコンピュータ

EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

ジョン・フォン・ノイマン (John von Neumann) 1902-1957

プログラム可変内蔵方式

草稿を執筆 1945年に流出

開発が停滞

1951年に稼働

大学内で対立

約6,000本の真空管約12,000個のダイオード消費電力:56kW 占有面積:45.5m2 重さ：7.8t 30人が8時間交代で運用

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黎明期のコンピュータ

EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator)

英国ケンブリッジ大学ウィルクス(Maurice V. Wilkes) 1913-2010 1947年 EDVACに似たプログラム可変内蔵方式のコンピュータの開発に着手 1949年稼働サブルーチンの方式のベースを築いた 3,000本の真空管消費電力：12kW 占有面積： 20m2

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ノイマン型コンピューターの定義

(1) プログラム可変内蔵方式プログラムを構成する命令とデータをコンピュータ内部のメモリに内蔵させる。命令とデータを区別せず、命令もデータのように処理可能。実行時にプログラムの任意の部分を書き換えることが可能。 (2) 逐次制御方式命令は一度に一つずつ、順に（逐次に）実行される。これを命令逐次ともいう。また、データも一度に1ビットずつ処理される。これをビット逐次ともいう。 (3)一つのプロセッサと一つのメモリプロセッサはメモリから命令、データを読み込み、命令を実行し、結果を再びメモリに格納する。 (4)線形アドレス空間アドレス（メモリの番地）は0から始まる番号順に1次元的に付与されているため線形アドレスという。アドレスが16ビットで表現されるならばアドレスは 0から65,535 (216_{-1)になる。}

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ノイマン型コンピュータ

1976年 Intel社の8ビットマイクロプロセッサ 8080A 4,800トランジスタアドレス 16ビットデータ 8ビットクロック周波数 2MHz 世界初の本格的なマイクロプロセッサ

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ノイマン型コンピューターの性能向上の歴史の例

1年半で性能は2倍ムーアの法則 1980年代のスーパーコンピュータは今日のパソコンの1/100の性能で価格は 1,000倍以上 Memory 64MB HDD ～2GB 0.63 GFLOPS HITAC S-810/20K(1987) Memory ～16GB HDD ～TB 51 GFLOPS x 100

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構造と機能

EDSACの構造:現在のコンピュータと大きく変わっていない。

メモリ部入力部出力部制御部算術演算ユニットアキュムレータ演算部レジスタがアキュムレータ一つだけ。計算の途中結果はメモリ部に退避。必要時に読み出すフォン・ノイマンボトルネックデータの流れ制御の流れ

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もう少し詳しい構造と機能

データの流れ制御の流れ命令レジスタプログラムカウンタ命令デコーダ演算ユニットレジスタ群メモリ部入出力部制御部演算部

CPU

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

演算部とは

演算ユニットとレジスタ群で構成演算ユニット：算術演算と論理演算を行うレジスタ：一時格納用の高速メモリ読み書きが高速に出来るレジスタの数が少ないと一時退避用にメモリアクセスが増大する。これをフォン・ノイマンボトルネックと呼ぶ。近年のCPUでは多数のレジスタを持つことによってこれを解消している

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

制御部とは

メモリ部から取り出した機械語命令に従って、演算部、メモリ部、入出力部を制御する。機械語命令の1例（Intel 8080A） MOV r, M 意味：レジスタｒにアドレスMにあるメモリの内容を格納せよ実際には命令は１と０で表現されるビット列で表される。 EDSACでは機械語命令数は30数個加減算乗算データ転送シフト条件分岐など

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

制御部とは

プログラムカウンタ(PC)：メモリ部に格納されている機械語命令のアドレスを保持する。プログラムカウンタはレジスタの一種である。命令レジスタ：メモリ部から読み出した機械語命令を格納するレジスタである。命令デコーダ：機械語命令を解読して制御のための信号を生成してコントロールバス経由で送出する。制御対象は演算部、メモリ部、入出力部およびプログラムカウンタである。

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

バス(BUS)とは

コントロールバス外部バスアドレスバス、データバスアドレスバス：メモリ部、あるいは入出力部の入出力ポート(I/Oポート) アドレスを指定するためのバスバスの幅は16ビット～48ビット等データバス： CPUとメモリ部、あるいはCPUと入出力部をつなぐバスである。バスの幅は8ビットから32ビット等

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

コントロールバスとは

_{制御対象を指定するセレクト信号と} 何を実行するかメモリへの書き込み、読み出しＩ／Ｏポートへの出力、読み込みなどを送出する。

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

アドレスデータ書き込み信号 ① ② ② メモリリクエスト信号 ③ アドレスバスデータバスコントロールバスメモリ部例1 メモリへの書き込み動作 C P U

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

I/Oポートアドレスデータリード信号 ① ② ③ I／Ｏリクエスト信号 ② アドレスバスデータバスコントロールバス入出力部例2 入出力部からのデータの読み込み C P U

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CPU(Central Processing Unit) 中央処理装置

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マイクロプロセッサ

ＣＰＵの機能を1個のVLSIで実現したのがマイクロプロセッサどの毎プロプロセッサを対象に機械語命令などを勉強すべきか？ MIPSとSPARCを採りあげる

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CISCとRISC

世界初のマイクロプロセッサ 1971年 intel 4004 日本人の設計（嶋正利氏）クロック周波数 500kHz トランジスタ 2,300個データバス 4ビットアドレスバス 12ビット今日のCore i7までにつながる。ＣＩＳＣ型マイクロプロセッサ

(Complex Instruction Set Computer )

機械語命令が複雑で一つの命令で多くの処理を盛り込む複合化命令が採用されている。

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1年半で性能は2倍ムーアの法則 1980年代のスーパーコンピュータは今日のパソコンの1/100の性能で価格は 1,000倍以上 Memory 64MB HDD ～2GB 0.63 GFLOPS HITAC S-810/20K(1987) Memory ～16GB HDD ～TB 51 GFLOPS x 100

CISCとRISC

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CISCとRISC

一方、1975年にＲＩＳＣという対極の位置づけのマイクロプロセッサが登場した。 RISC: Reduced Instruction Set Computer

1975年 IBM 801

1986年 MIPS Computer Systems社 MIPS R2000 1987年 Sun Microsystems社 SPARC

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CISCとRISC

RISCの特徴 1) 1命令1クロックサイクル 2) ロードストア―キクチャ 3) 固定長命令 4) 機械語命令は基本的、汎用的なもののみ 5) パイプライン処理への考慮 6) コンパイラによる支援重視 CISCに比べてハードウエアが簡素化現在ではRISCの複雑化により両者を区別する事に意味がなくなってきた。

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ＭＩＰＳとSPARC

MIPSシミュレータの存在 _{MIPS シミュレータ} で検索するとダウンロードサイトが出てくる。 QtSpim_9.1.16_Windows

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性能比較

コンピュータの性能を決める要因

CPU性能

オペレーティングシステム

コンパイラ

パイプライン処理

記憶階層

そのコンピュータに向いたプログラムかどうか

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性能比較

CPU実行時間プログラムのCPU実行時間＝プログラム内命令数 × 平均CPI × クロックサイクル時間プログラム内命令数：そのプログラムのオブジェクトコード内で実際に実行された機械語命令数クロックサイクル時間：クロックパルスの周期平均CPI: Clock cycle Per Instruction

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ＭＩＰＳ値

MIPS値とは、Million Instructions Per Second の略

1秒間に機械語命令実行数を100万単位で数えた数値。

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ベンチマークテスト

コンピュータの性能評価を目的として作成されたプログラム科学技術計算事務処理文字列処理浮動小数点演算整数演算など