第３章　情報工学の基礎 ３．１　情報量 ３．２　単位と数の表現方法 ３．３　論理回路 ３．４　コンピュータ.

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1 第３章　情報工学の基礎 ３．１　情報量 ３．２　単位と数の表現方法 ３．３　論理回路 ３．４　コンピュータ

2 ３．４　コンピュータ ３．４．１ コンピュータとは ３．４．２ コンピュータの利用

3 ３．４．１ コンピュータとは （１）コンピュータの５大機能
３．４．１　コンピュータとは （１）コンピュータの５大機能 中央処理装置（ＣＰＵ） 演算機能 出力機能 入力機能 制御機能 記憶機能

4 （２）各機能の役割 ①演算機能 ： 算術計算や論理演算を行う。 ②制御機能 ： 機械語命令の解読，実行制御を行う。
①演算機能 ： 算術計算や論理演算を行う。 ②制御機能 ： 機械語命令の解読，実行制御を行う。 ③記憶機能 ： プログラムや実行時のデータを記憶する。 ④入力機能 ： プログラムやデータを読み込み，主記憶装置に転送する。 ⑤出力機能 ： 処理結果を出力する。 通信機能は， 　　　入力機能と出力機能を併せ持つ入出力機能のひとつ としてみなすことができる。

5 （３）各機能を果たす装置 ①演算機能を果たす装置 ：演算装置（ALU：Arithmetic Logical Unit）
②制御機能を果たす装置 ：制御装置（CU：Control Unit） これらを併せて 中央処理装置（CPU：Central Processor Unit） ③記憶機能を果たす装置 ：主記憶装置（Main Memory Unit） ④入力機能を果たす装置 ：入力機器（Input Device） ⑤出力機能を果たす装置 ：出力機器（Output Device） これらを併せて 入出力機器（I/O Device： Input/Output Device）

6 （Auxiliary Memory Device）
（４）補助記憶装置と仮想メモリ 入出力機器のうち， ①大量のデータ保存が可能 ②他の入出力機器より比較的高速アクセスが可能 例えばハードディスク 主記憶装置のメモリが不足した場合， 主記憶装置の替わりに使用されることがある。 装置 補助記憶装置内に格納された領域 補助記憶装置 （Auxiliary Memory Device） 仮想メモリ （Virtual Memory）

7 （５）ハードウェアの基本構成 （通信機能用の装置を含める） 記憶装置 中央処理装置 主記憶装置 演算部 制御部 通信制御処理装置 転送装置
データ 端末装置 通信制御処理装置 転送装置 （チャネル） 補　　助 記憶装置 通信回線 入力装置 出力装置

8 （６）信頼性からみたハードウェアの構成方法
シンプレックスシステム 　（単一の構成） デュプレックスシステム 　故障がおきた時点で切り替える。 主記憶 装　置 通信制御装置 主記憶装置 中央処理 装　　置 通信制御 装　　置 切替装置 切替装置 中央処理装置 補　　助 記憶装置 補助記憶装置 通信制御 装　　置 中央処理 装　　置 （予備系） 主記憶 装　置 系１ 補助記憶装置 中央処理装置 主記憶装置 デュアルシステム 　両系で同一処理を行い， 　処理結果を照合しあい， 　照合結果が不一致の場合， 　障害発生系を切り離す。 分配装置 チェック機構 中央処理装置 主記憶装置 系２ 補助記憶装置

9 （７）マルチプロセッサ方式 共有メモリを持つ方式 共有メモリを持たない方式 Ｉ／Ｏバス ＣＰＵ １ ＣＰＵ ２ ＣＰＵ ２ デッドロック
入出力 チャネル 入出力 チャネル 入出力 チャネル デッドロック 制御 ＣＰＵ １ ＣＰＵ ２ ＣＰＵ ２ メモリ １ メモリ ２ メモリ ２ 共有メモリ ①電子回路的に密に結合される。 ②共有メモリアクセスで 　デッドロック制御が必要。 ③同一のOSで実行する必要がある。 ①CPU間はチャネルやI/Oバスを 　介して結合。 ②プロセッサのOSが異なってもよい。 ②プロセッサ間で通信を行う必要がある。

10 ３．４．２ コンピュータの利用 （１）オペレーティングシステムとは
３．４．２　コンピュータの利用 （１）オペレーティングシステムとは コンピュータハードウェアを効果的に利用するために， ハードウェアと各種アプリケーションに介在して， タスク管理やメモリ管理など基本的な処理を行うソフトウェア 各種アプリケーション／ユーティリティプログラム オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System） プログラム の読込み タスクの 実行管理 使用メモリ 領域の管理 入出力機器の割当て

11 （２）オペレーティングシステムの目的 ①スループットの向上 ②ターンアラウンドタイムの短縮 ③信頼性の向上 ④使いやすさの向上
［用語の意味］ 　　スループット ： 単位時間内に処理できる仕事量 　　（throughput） 　　ターンアラウンドタイム ： コンピュータに処理依頼を出してから 　　（turnaround time） 処理結果が利用者の手に渡るまでの時間

12 （３）スループットの向上 ＣＰＵが動作していない遊休時間（idle time）を短縮することが重要 （a）ジョブの連続処理 Job 1
人手による操作実行 準備時間 Job 1 Job 2 ＯＳによる自動実行 実行時間 Job 3 短縮時間 Job 4 後処理時間 （b）多重プログラミング（入出力処理速度はＣＰＵの速度に比べて遅いことを利用） Job 1 Job 2 入出力装置 単純実行 Job1 CPU処理 CPU 短縮時間 Job2 CPU処理 入出力装置 1 入出力装置 2

13 （４）ターンアラウンドタイムの短縮 （汎用大型コンピュータの場合）
多重度の上げ過ぎ スループットは良くなるが，入出力の待ち時間で， ターンアラウンドが長くなる。 このようなときは ジョブに優先度を付け， 緊急度の高いジョブのターンアラウンドを短縮する

14 （５）多重プログラミングにおけるタスク管理
コンピュータ処理の最小単位をタスクと呼ぶ タスク生成 入出力割込み ジョブ開始 実行可能 状態 待ち状態 タスク ディスパッチ タイマ 割込み タスク待ち行列 SVC割込み タスク消滅 ジョブ終了 実行状態

15 （６）タスクスケジューリング方式 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

16 ① 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
オーバヘッドが少ないがCPUを占有する割合が高く入出力が少ないタスクを優先してしまう。 ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

17 ② 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
タスクに優先度を付けてCPUを割り当てる。優先度の低いタスクにいつまでも実行権が渡されないスタベーション（starvation：無期延期）が生じることがある。 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

18 ③ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） 連続してCPUを使用する時間が短いジョブを優先する。ただし，CPUを使用する時間を予想することが困難である。 ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

19 ④ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 各タスクに一定のタイムスライスを与え，タイムスライスを使い切ったタスクを実行可能待ち行列の末尾に置く方式。比較的単純なスケジューリングであり，公平に実行権を与えることができる。 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

20 ⑤ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ラウンドロビン方式に優先度を付ける方法。 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

21 ⑥ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 多重待ち行列方式を拡張して，擬似的に最短ジョブ優先を実現する方式。起動直後のタスクに最も高い優先度と短いタイムスライスを与え，タイムスライス内に終了しなかった場合，一段低い優先度と一段長いタイムスライスを設定して待ち行列に入れる。以後，これを繰り返すことで，短いタスクほど起動直後の高い優先度を与えられた状態で終了する可能性が高くSJFに近い結果が期待できる。 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド

22 ⑦ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 入出力チャネルや周辺機器からのイベント発生にしたがって，スケジューリングを行う。対話型処理が多い場合に適しており，ラウンドロビン方式等と組み合わせることが多い。 ⑧マルチスレッド

23 ⑧ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド 　 タスクをさらに小さな単位に分割し，それを細かい時間単位で切り替える。小さな単位をスレッド，軽量プロセスと呼ぶ。スレッドはタスクに割り当てられたメモリを使用するため，OSのオーバヘッドが少ない。データベースやマルチプロセッサ方式のコンピュータに有利である。

24 （７）仮想マルチプロセッサシステム １つのCPU内に論理的な複数のプロセッサを持つことで， 単一ＣＰＵを論理的な２つ以上のCPUとみせて，
結果的に処理能力を高める手法もある。 この手法では命令を先読みし， 投機実行しておく方法が採用される。 ［例］インテルのハイパースレディングテクノロジー 投機実行：無駄になるかもしれないが，前もって後の命令を実行しておくこと。