基本情報技術概論（第８回） 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史 2008/6/12 基本情報技術概論 (第８回) プロセッサ アーキテクチャ 埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史 2008/01/23
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
コンピュータの構成 (第１回の復習) 制御装置 主記憶装置のプログラム（命令）を取り出し、 解読し、その結果をもとに他の装置を制御する コンピュータの構成 (第１回の復習) 制御装置 主記憶装置のプログラム（命令）を取り出し、 解読し、その結果をもとに他の装置を制御する 演算装置 算術演算や論理演算、条件分岐用の比較などデータに対する演算を実行する 記憶装置（主記憶装置、補助記憶装置） プログラムやデータを記憶する 入力装置 … コンピュータ外部から入力 出力装置 … コンピュータ外部へ出力 CPU
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 制御装置 演算装置 バ ス 主記憶 装置 プログラム カウンタ 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 (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 (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
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)
命令形式 と アドレス指定
命令形式 命令コード （命令の種類） ロード・ストア （主記憶やレジスタの間でデータ転送） ________ ________ 命令コード オペランド 命令の意味 ADDA GR0, GR1 GR0 ← (GR0) + (GR1) LD GR0, 200 GR0 に、主記憶 200 番地の 内容をロード ________________ 命令コード （命令の種類） ロード・ストア （主記憶やレジスタの間でデータ転送） 演算 （加算などの算術演算、論理演算、シフト演算） 分岐 オペランド （命令の対象） データの値そのもの、レジスタ指定、主記憶の番地指定 ________________
オペランド： 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（指標）アドレス指定 ベース（基底）アドレス指定 ＰＣ相対アドレス指定
アドレス指定： 即値 オペランドに、データの値そのものが書いてある （メモリアクセスは、しない） アドレス指定： 即値 オペランドに、データの値そのものが書いてある （メモリアクセスは、しない） Ｒ ← op ， R ← R (演算) op メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： 直接 アドレス指定 op が 実効アドレス （op の指すメモリの内容をとる） Ｒ ← M ( op ) 実効アドレス アドレス指定： 直接 アドレス指定 ________________ ________________ op が 実効アドレス （op の指すメモリの内容をとる） Ｒ ← M ( op ) 実効アドレス 実際にデータが格納 されているアドレス メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： 間接 アドレス指定 op が指すメモリ内容が、実効アドレスになる Ｒ ← M ( M ( op ) ) メモリ （アドレス） アドレス指定： 間接 アドレス指定 op が指すメモリ内容が、実効アドレスになる Ｒ ← M ( M ( op ) ) メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： インデックス アドレス指定 インデックスレジスタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( IndexR + op ) メモリ 配列に利用 （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ インデックス レジスタ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： ベース アドレス指定 ベースレジスタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( BaseR + op ) メモリ プログラムの開始位置を記憶 （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ベース レジスタ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： PC相対 アドレス指定 プログラムカウンタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( PC + op ) メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ＰＣ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： ジャンプ命令 絶対アドレス 普段は、 PC ← op 次の命令を実行 (PC) 相対アドレス PC ← PC + １ 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
Complex Instruction Set Computer 命令語数が多彩 命令によって語長が変わる メモリ アクセスが多様 参考： CISC と RISC Complex Instruction Set Computer 命令語数が多彩 命令によって語長が変わる メモリ アクセスが多様 Reduced Instruction Set Computer 命令語数を少なくする、命令語長を固定する メモリ アクセスは、ロード・ストアのみ → ハードウェアが簡単 ・・・ 高速化
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
アドレス指定： 即値 オペランドに、データの値そのものが書いてある （メモリアクセスは、しない） アドレス指定： 即値 オペランドに、データの値そのものが書いてある （メモリアクセスは、しない） Ｒ ← op ， R ← R (演算) op メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： 直接 アドレス指定 op が 実効アドレス （op の指すメモリの内容をとる） Ｒ ← M ( op ) 実効アドレス アドレス指定： 直接 アドレス指定 ________________ ________________ op が 実効アドレス （op の指すメモリの内容をとる） Ｒ ← M ( op ) 実効アドレス 実際にデータが格納 されているアドレス メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： 間接 アドレス指定 op が指すメモリ内容が、実効アドレスになる Ｒ ← M ( M ( op ) ) メモリ （アドレス） アドレス指定： 間接 アドレス指定 op が指すメモリ内容が、実効アドレスになる Ｒ ← M ( M ( op ) ) メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： インデックス アドレス指定 インデックスレジスタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( IndexR + op ) メモリ 配列に利用 （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ インデックス レジスタ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： ベース アドレス指定 ベースレジスタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( BaseR + op ) メモリ プログラムの開始位置を記憶 （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ベース レジスタ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
アドレス指定： PC相対 アドレス指定 プログラムカウンタ + オペランド でアドレス指定 Ｒ ← M ( PC + op ) メモリ （アドレス） オペランド １００ ２００ １００ ＰＣ １００ ２００ ３００ レジスタ ３００ ４００
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