コンピュータの構成と設計第3版第1章勉強会資料

コンピュータの構成と設計第 3 版第 1 章勉強会資料 futada Twitter: futada

目次 1 コンピュータの抽象化とテクノロジ 1.1 はじめに 1.2 プログラムの裏側 1.3 コンピュータの内部 1.4 実例： Pentium チップの製造技術 1.5 誤信と落とし穴 1.6 おわりに 1.7 歴史展望と参考文献 1.8 演習問題赤字が本資料で触れる節

1.1 はじめに – 本書で学べること (p.8) 本書で学べること高水準言語で書かれたプログラムがハードウェアの言語にどのように翻訳されるか。また、その結果のプログラムがハードウェアによってどのように実行されるかソフトウェアとハードウェアのインタフェースとは何を意味し、必要な機能を実行するために、ソフトウェアはハードウェアにどんな指示を出すかプログラムの性能は何によって決まり、プログラマはどのようにして性能を改善できるかハードウェアの設計者は性能を改善するためにどのような技法を用いているか第 1 章では、本書全体の基礎知識として役立つ事柄を説明　内容的には基本情報処理試験 +α 程度

1.2 プログラムの裏側 - (p.10-11) ハードウェアとソフトウェアの階層関係ハードウェアシステム・ソフトウェアアプリケーション・ソフトウェアオペレーティング・システム基本的な入出力処理を行う外部記憶およびメモリの割り当てるコンピュータ資源の共有を図るコンパイラ高水準言語のプログラムをハードウェアが可能な命令に翻訳するアセンブラ

1.2 プログラムの裏側 – 高水準言語からハードウェアの言語へ (p.11-12) コンピュータは人が与えた指示通りに動き、その指示を命令と呼ぶ (2 進数で表現 ) たとえば、あるコンピュータで 2 つの数字を足す命令、 1000110010100000 命令、データの両方に数字を用いる ( 詳しくは 3 章 ) 2 進数ではなく記号で表現 ( アセンブリ言語 ) し、それを 2 進数に翻訳するプログラムが開発された add A, B -> 1000110010100000 さらにより強力な言語 ( 高水準プログラミング言語 ) から翻訳するプログラムが開発された A + B -> add A, B 注：本書ではコンパイラを「高水準プログラミング言語」から「アセンブリ言語」へ翻訳するプログラムとしている ( その後、アセンブラで 2 進表現へ )

1.2 プログラムの裏側 – 高水準言語からハードウェアの言語へ (p. 12-13) 高水準プログラミング言語使用の利点 1. 英語と代数式を利用するので、自然言語に近い言語で思考でき、プログラムもテキストに近いものになる 2. プログラマの生産性が向上する 3. プログラムをコンピュータから独立させられるコンパイラ、アセンブラは高水準言語を任意のマシン用の 2 進数命令に翻訳できるためこの利点のため、アセンブリ言語で 1 から組むプログラムは今日ほとんどない

コンピュータの 5 つの構成要素プロセッサ：記憶装置から、命令とデータを取り出す入力装置：データを記憶装置に書き込む出力装置：記憶装置からデータを読み出す制御装置：データパス、記憶装置、入力、出力装置の動作を指定する信号を送る 1.3 コンピュータの内部 – (p.14-15) 入力制御プロセッサ記憶データパス ( 算術演算 ) 出力コンピュータ

1.3 コンピュータの内部 – 筐体の中身 (p.17-19) 筐体の中身マザーボード入出力接続プロセッサデータパス ( 算術演算 ) 制御メモリ DRAM ( 他にも ) プロセッサ内にキャッシュ・メモリと呼ばれる、 DRAM にとってバッファの役割を示す、高速、小容量メモリ -> 深く掘り下げると、多くの情報が得られる。逆にいうと上位階層から下位階層の細目が見えない抽象化がされている。

1.3 コンピュータの内部 – 筐体の中身 (p.20) もっとも重要な抽象化：ハードウェアと最低水準のソフトウェアとの間のインタフェース。機械語プログラムを欠くのに必要なすべての要素を含む具体的には、命令、レジスタ、メモリ容量など -> ( 命令セット・ ) アーキテクチャと呼ぶコンピュータ設計者は、アーキテクチャとその実現方式を区別する例：デジタル時計アーキテクチャ：時刻を刻む、時刻を表示する、アラームを設定する実現方式：水晶発振機、 LED ディスプレイ x86 アーキテクチャの実現-> Pentium 、 Core2… 「抽象化されたアーキテクチャに基づくハードウェア」

1.4 実例 :Pentium4 チップの製造技術 – (p28-29) 重要な設計上の制約の一つ：電力電力は熱に変わる。 Pentium4 3.06GHz は 82 ワットの熱を出す CMOS において、電力消費の要因は動的電力 ( トランジスタの切り替えの際の電力 ) 電力 = 容量性負荷 * 電圧 ^2 * 切り替え周波数電圧の 2 乗に比例し、周波数に比例する -> 近年では、周波数を上げずにマルチコア化の流れ

1.6 おわりに – (p30-31) 抽象化のもっとも重要な例ハードウェアと低水準のソフトウェアの間のインターフェイスである命令セット・アーキテクチャ命令セット・アーキテクチャを一定に保てば、そのアーキテクチャを実現した種々のハードウェアで同一のソフトウェアが実行できるプロセッサのカギを握る技術コンパイラとシリコンシリコン以外にもコンピュータの構成方式で価格性能比は向上可能パイプライン処理、キャッシュ

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