コンピュータアーキテクチャ
第1回
首都大 情報通信システムコース
福本 聡
日野キャンパス1号棟 251 室
e-mail: [email protected]
1
コンピュータの普及

社会基盤を支えるメインフレーム(汎用機)・高性能サーバ
– オンライントランザクション処理(OLTP)システム

銀行の基幹システム(為替・預金業務システム)
座席予約システム
– 鉄道・航空等の交通制御システム


個人利用向けに開発されたパーソナルコンピュータ
– 情報ネットワークとの接続
– 企業活動,個人生活に大きなインパクト

組み込みシステム(マイクロコンピュータ)
– 携帯電話,情報家電
– 経済の活性化に貢献
すべて逐次制御方式のコンピュータ(ノイマン型コンピュータ)
2
コンピュータアーキテクチャとは何か?



アーキテクチャ(Architecture):
建築,建築術,建築様式,構造,構成,設計,体系 等
広義のコンピュータアーキテクチャ:
コンピュータの構造,仕様,構成法,設計法 *
狭義の(本来の)コンピュータアーキテクチャ:
– 命令セットアーキテクチャ
あるコンピュータが備えている命令の一覧(命令セット)と,プログラマ
が使用できるレジスタや各種演算機能,メモリへのアクセス方法など
の体系
例: 80x86/Pentium, SPARC, PowerPC, SuperH, ARM *
– コンピュータのソフトウェアとハードウェアの境界仕様.ソフトウェアか
ら見たハードウェアの仕様
3
本講義 “コンピュータアーキテクチャ” の目的


ノイマン型コンピュータ(逐次制御方式のコンピュータ)の
構成と設計の概要を初学者向けに解説する
*
コンピュータアーキテクチャに関する教科書
– 体系的かつ網羅的に記述された名著多数



デイビッド・パターソン,ジョン・ヘネシー 著「コンピュータの構成と設計」日経BP社
柴山潔 著「コンピュータアーキテクチャの基礎」近代科学社
富田眞治 著「コンピュータアーキテクチャ~基礎から超高速化技術まで」丸善
– 初学者にとっては消化不良の可能性あり?



具体的なコンピュータのイメージを持たない...
内容が豊富過ぎ...
コンピュータアーキテクチャの初学者を意識したアプローチ?
– 具体的なモデルアーキテクチャを仮定 *
– 仕様を実現するための基礎的な構成と設計に限定して議論
– 受講者の前提



高級言語(例えばC言語)によるプログラミングの経験あり
論理回路の基礎知識あり
コンピュータのハードウェアに関する予備知識なし
4
本講義の指針

仮想のモデルアーキテクチャを想定
– 現実の多くのコンピュータの仕様は複雑 *
– 共通の基本要素を含みながら簡単化されたモデル *
– COMETⅡをモデルアーキテクチャとする(情報処理技術者試験で採
用)

アセンブリ言語の必要性と機能を解説
– CASLⅡ: COMETⅡに対するアセンブリ言語
– アセンブリプログラムの記述


COMETⅡのハードウェア構成/設計方法を議論
実際に設計・シミュレーションを演習してみることも可能
– 要所ごとに VHDL による設計例

本講義の内容を学習した後の次のステップ
– 上記の教科書等で本格的なアーキテクチャについて学習
– 天野英晴,西村克信 著「作りながら学ぶコンピュータアーキテクチャ」
(培風館)などで異なるアーキテクチャの設計手法を演習・学習
5
講義予定
第 1 回:§1.1-2.1
第 2 回:§2.2
第 3 回:§2.3
第 4 回:§2.4(小テスト1)
第 5 回:§2.5(小テスト2)
第 6 回:§3.1-3.2
第 7 回:§3.3
第 8 回:§3.4
第 9 回:§3.5
第 10 回:§4.1
第 11 回:§4.2
第 12 回:§4.3.1-4.3.6
第 13 回:§4.3.7-4.4
期末テスト
6
受講上の注意

成績は以下の項目を総合して評価
–
–
–
–

毎回のレポート(約1割)
小テスト1(約1割5分)
小テスト2(約1割5分)
期末テスト(約6割)
レポートの提出方法
– 場所:講義室教卓の上
– 時間:次回講義日の 10:20PM~10:30PM
– 注意:正当な理由なく遅れて提出されたレポートは評価しない.

毎回の講義までに,受講用レジュメをダウンロードし,
プリントしたものを持参すること.
– http://133.10.207.28/cgi-bin/comarc/index.cgi
7
コンピュータのハードウェア構造(1)

ノイマン型コンピュータの構成
本講義ではプロセッサを中心に取り扱う *




演算アーキテクチャ ・・・第3章
制御アーキテクチャ ・・・第4章
メモリアーキテクチャ ・・・最小限にとどめ,詳細は他書に譲る
入出力アーキテクチャ ・・・簡単に解説
8
コンピュータのハードウェア構造(2)
演算モデル: 37 × 29 の実現

37 を 29 回繰り返し加算 *
–
37 × 29 を直接乗算 *

–

演算装置 = 加算器
演算装置 = 乗算器
アーキテクチャの違い
–
–
ソフトウェアとハードウェアのトレードオフを生む
<例>:乗算命令を備えているかどうか?


Yes: 乗算の実現にソフト量小&ハード量多
No: 乗算の実現にソフト量多&ハード量小
9
コンピュータの階層レベル
本講義で
扱う階層
10
ハードウェアの発展と設計技術
設計手法

上位層設計から下位層設計を生成 ⇒ 合成
–
例:RTレベル設計データからゲートレベル設計データを生成 ⇒ 論理合成 *
トップダウン設計

–
–
–
上流層 (High Level) を細分化して下流層 (Low Level) へ
抽象度の高いレベルから低いレベルへ段階的に設計が進む
設計検証,設計時間短縮 *の点で効果的
ボトムアップ設計

–
–
–
下位層 (Low Level) を統合して上位層 (High Level) を構築
既にある設計資産を活用可能
大規模なシステムの設計に採用
本講義のハードウェア構成/設計例

–
–
ボトムアップ ⇒ 部品からシステムへ *
VHDL によるソースコード例の提示
11
2進数の表現
(1) 符号なし2進数
10 進数 2進数
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110
15
1111
(4 ビットの例)
(2) 1の補数表現
10 進数 2進数
-7
1000
-6
1001
-5
1010
-4
1011
-3
1100
-2
1101
-1
1110
-0
1111
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
(3) 2の補数表現
10 進数 2進数
-8
1000
-7
1001
-6
1010
-5
1011
-4
1100
-3
1101
-2
1110
-1
1111
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
12
数の表現
(・)10 : 10進数
 (・)2 : 2 進数
 (・)16 : 16 進数

例
(13)10 = (1101)2 = (D)16 = #D *
(78)10 = (01001110)2 = (4E)16 = #4E *
13
演習問題 1.1
14
1ワード(語, Word)



情報の基本サイズ
COMET II では 16ビット(bit)
数値の場合
– 2の補数表現 *
– 最上位ビットは正負符号 *
15
COMET II のプログラミングモデル
プログラマが使うことができるレジスタやメモリなどハードウェアの総称 *
レジスタ: 処理結果やデータの一時格納場所 *
↑
番地 or アドレス *
16
逐次制御方式

メモリは命令とデータを格納
– 命令: コンピュータの動作を表現 *
– データ: 命令の対象となる値 *


メモリに格納された命令を順次実行
プログラムカウンタ(Program Counter):
次に実行すべきメモリアドレスの保持 *
通称 PC, ここでは PR (Program Register)
⇒ プログラム内蔵方式(ノイマン型コンピュータ)
17
逐次制御方式による計算
*
逐次制御方式による計算
*
19
逐次制御方式による計算
*
20
機械語レベルの命令形式
オペレーション (Op) フィールド:命令に対応したコードを割り付ける *
汎用レジスタ (r) フィールド: 0000 ~ 0111 ( GR0 ~ GR7 )
インデックスレジスタ (x) フィールド: 0001 ~ 0111 ( GR1 ~ GR7 ) *
アドレス (adr) フィールド: #0000 ~ #FFFF
21
ニモニックレベルの命令形式

命令コード: 命令内容を表す記号(ニモニック) *
– 機械語と同レベルの抽象度
– 人間にとっての了解性良好

オペランド: 命令操作の対象となるレジスタやメモリアドレス *
命令コード
第1オペランド,第2オペランド
ニモニック
r,adr[,x]
ニモニック
r1,r2
・・・ 2 ワード命令
・・・ 1 ワード命令
22
ダウンロード

パート01