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 2010/1/7 基本情報技術概論 (第10回) 計算機 システム 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史 2008/01/23

計算機 アーキテクチャ

コンピュータの構成 (第１回の復習) 主記憶 (main memory, メモリ) に、 CPU 制御装置 演算装置 入力装置 主記憶装置 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

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 （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 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

CPU （プロセッサ） 制御装置 + 演算装置 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 バ　ス 主記憶 装置 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

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) 制御装置 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 バ　ス 主記憶 装置 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

制御装置 プログラムカウンタ 命令レジスタ 制御装置 演算装置 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 バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 命令ごとに、以下を繰り返す (1) I F 命令を主記憶から命令レジスタに読み込む (2) I D 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 I F I D EX MA WB ※１ I F - Instruction Fetch / I D - 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

プログラムの実行 (1) I F : 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 バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 (2) I D : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 例） LD GR0, 200 バ　ス 主記憶 装置 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

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 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 (4) MA : 主記憶にアクセスする 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 プログラム カウンタ 命令 レジスタ バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 (5) WB : 実行結果をレジスタに格納する 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 プログラム カウンタ 命令 バ　ス 主記憶 装置 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

高速化技術： プログラムの実行 (再び) (1) I F 命令をメモリから命令レジスタに読み込む 高速化技術： プログラムの実行 (再び) (1) I F 命令をメモリから命令レジスタに読み込む (2) I D 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 I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB ・・・ １つ目の命令 ２つ目の命令

高速化技術 (パイプライン処理) I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB 高速化技術 (パイプライン処理) ___________ １つ目の命令 I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB ２つ目の命令 I F I D EX MA WB ３つ目の命令 I F I D 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

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 I F I D EX MA WB 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 I F I D EX MA WB I F I D 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 I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB I F I D EX MA WB

高速化技術 (VL I W) 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

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。 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。）

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

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 M I PS (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

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。 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 M I PS か。 (H19年度 秋 一部改変)

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？ 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) CP I 3 （クロック / 命令） M I PS 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

主記憶装置

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 小 速い 主記憶 （メモリ） 補助記憶 （HDD、Disc、テープ） 大 遅い

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 容量 速度 レジスタ 小 速い キャッシュ 主記憶 （メモリ） ___________ 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 小 速い 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

実効アクセス速度は？ … アクセス時間の期待値 練習問題： 記憶の階層 平均年齢は？ 20 才 80 ％ 50 才 実効アクセス速度は？ … アクセス時間の期待値 50 ns 20 ns 80 ％ アクセス時間 キャッシュヒット率 容量 速度 キャッシュ 小 速い 主記憶 （メモリ） 大 遅い 27

= 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 ) 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)

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、 主記憶 番地 … … … … 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 … … … …

プログラムの実行 (1) I F : 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 バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 (2) I D : 命令レジスタの命令を、命令デコーダで解読 例） LD GR0, 200 バ　ス 主記憶 装置 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

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 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 バ　ス 主記憶 装置 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

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 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 プログラム バ　ス 主記憶 装置 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

プログラムの実行 (5) WB : 実行結果をレジスタに格納する 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 プログラム カウンタ 命令 バ　ス 主記憶 装置 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

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

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