CPU、記憶装置について
情報機器工学
2015年4月20日 Ⅳ限目
CPUとは

CPU:Central Processing Unit
中央処理装置や
中央演算処理装置 と呼ばれる
Intel Core2 Duo E6600
CPUとは

CPU:Central Processing Unit
制御装置
演算装置
レジスタ
インターフェース
(記憶装置・入出力)
などで構成
Intel Core2 Duo E6600
コンピュータの五大機能
①制御機能

プログラムの命令を解読し、他の各装置に指示を出す機能.
制御機能は、全て装置を統括する
CPU
マザーボード
制御機能について

CPU (Central processing unit)が担当。
プロセッサ自体、その他に対し…
・動作タイミング
・動作内容
の指示を担当
作業者に指示を与える管理者の役割
②演算機能

解読されたプログラムの命令に従って,データを処理する機能
演算機能について

CPU (Central processing unit)が担当。
・算術演算
・論理演算
の実行を担当
実際に仕事をする作業者の役割
CPUとは

CPU:Central Processing Unit
中央処理装置や
中央演算処理装置 と呼ばれる
CPUとは(概要)

記憶装置にあるプログラムを順次読み込む

プログラムの内容を解釈、実行

バスと呼ばれる回路を通じて、入出力装置、
記憶装置へデータ通信
CPUの構造

クロック同期型のCPUが一般的

規則正しい命令タイミング:クロック信号

クロック信号が早いほど、高性能
…と言われる
CPUの動作

フェッチ、デコード、実行の3ステップで動作

フェッチ:メモリ内に蓄積されたプログラムの
呼び出し

デコード:CPUにとって意味のある形式に分割

実行:指定された操作を実行
ムーアの法則

最も有名な公式:集積回路上のトランジスタ数
は「18ヶ月ごとに倍になる」

式での表現:n年後の倍率 p は、
p = 2n / 1.5
5年後:10.08倍
20年後:10 321.3倍
ムーアの法則
ビット幅

マイコンやPC用のCPUが演算回路、データバス、
一度に処理できるデータで扱えるビット数
→ビット幅、データバス幅

マイコンでは演算回路内のバス幅で
定義されることが多い
ビット幅

マイコンやPC用のCPUが演算回路、データバス、
一度に処理できるデータで扱えるビット数
→ビット幅、データバス幅

CPUでは一度に処理できる
データのサイズで定義
→ 8ビットCPU といった呼称
バス(BUS)
CPUへデータを渡したり,CPUで処理したデータや
制御信号を他の装置へ伝達したりするデータ転送路
バス(BUS)
内部バス
CPU内部でデータや制御信号をやりとりする伝送路.
パラレル(8,16,32, 64ビット)に処理を行う.
外部バス
CPUと周辺回路との間でデータや制御信号をやりとり
する伝送路.メモリなどを制御.
拡張バス
CPUと周辺機器との間でデータや制御信号をやりとり
する伝送路.ハードディスクやグラフィックカード等を制御
拡張バスの種類
種類
ISA
PCI
AGP
PCI
Express
バス幅
16
32,64
32
32, 64
転送速度
8Mbps
備考
PC/AT互換機の標準バス,
現行製品には不採用
132~
現行PCの標準バス
533Mbps
266~
2128Mbps
グラフィック専用バス。PCIで
は対応できなくなったため
5Gbps
PCIバスをさらに高速化させ
た規格。最近の主流
③記憶機能

プログラムやデータ,処理結果などを記憶として保存する
機能

主記憶装置:プログラムやデータを
一時的に保存する装置
メモリ

補助憶装置:プログラムやデータを保存する装置
ハードディスク
フロッピーディスク
CD-ROM/DVD
記憶装置の種類と特性
1KB
103
104
105
1MB
106
携帯内蔵
Flash
107
PDA
108
1010
Flash
1011
HD
不揮発性
PDA
組み込み
1GB
109
PC
RAM
揮発性
フロッピー
CD
DVD
メール
写真
ムービー
リムー
バブル
情報の量と単位


データの量は、ビットおよびバイトという単位を使って示す
ビットは情報の細小単位で、2進数の1桁のこと
1KB=1024B
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
ハードディスク

データを磁気的に(カセットテープのように)記録
不揮発性(電源を切っても消えない)
計算機の構造(デスクトップ型)
CD/DVD装置
CD-ROMドライブは、レーザ光をディスクの記憶面に当て、
反射してくる光の強弱でデータを読みとっている
USBフラッシュメモリ
「USBマスストレージ」という仕様に対応し,パソコン
に接続すると,自動的に外部記憶装置として認識され
る
その他のメモリ

様々な規格が乱立

CF (コンパクトフラッシュ)
ハードディスク
(マイクロドライブ)
その他のメモリ

デジタルカメラ用フラッシュメモリ
SDカード
miniSDカード
xD-Picture
SDカード(松下など)・・・デジカメ,カーナビ,音楽プレイヤーなど
miniSDカード(松下など)・・・携帯電話など
xD-Pictureカード(オリンパス,富士写真フイルムなど)・・・デジカメ
記憶機能について1

各種メモリが担当
処理手順記載のプログラム
 処理前後のデータ

一時的、恒久的に記憶(保存)する
事務作業をするときの机やノートの役割
記憶機能について2
記憶装置には大きく2種類


主記憶装置
補助記憶装置
主記憶装置:CPUチップ内やDRAM,SRAM
(机やその上のノートに相当)
補助記憶装置:ハードディスクやDVD、USBメモリなど
(引き出し、キャビネット、倉庫に相当)
記憶装置の階層構造

一次(主)記憶装置
CPUが直接アクセス可能な
記憶装置。
キャッシュメモリや
メインメモリが該当。
記憶装置の階層構造

一次(主)記憶装置
机やノートに該当。
キャッシュメモリ:数kB~8MB
メインメモリ:数百kB~数GB
記憶装置の階層構造

二次(補助)記憶装置
必要な情報を一次記憶装置に
伝送。
大きな容量
頻繁にアクセスしないデータ
等を保存。
記憶装置の階層構造

二次(補助)記憶装置
HDD、CD、DVD、BR、
フラッシュメモリ、フロッピー
磁気テープ、紙テープ、パンチ
カード
などなどが該当
ハードディスク

データを磁気的に(カセットテープのように)記録
不揮発性(電源を切っても消えない)
その他のメモリ

デジタルカメラ用フラッシュメモリ
SDカード
miniSDカード
xD-Picture
SDカード(松下など)・・・デジカメ,カーナビ,音楽プレイヤーなど
miniSDカード(松下など)・・・携帯電話など
xD-Pictureカード(オリンパス,富士写真フイルムなど)・・・デジカメ
記憶装置の階層構造

三次記憶装置
ロボット機構等を使用。
滅多に使わないデータ保存
企業等にて大規模な
ストレージシステムを準備
倉庫に該当
記憶装置の階層構造

三次記憶装置
ロボット機構等を使用。
滅多に使わないデータ保存
アクセス時間:数十秒単位
記憶装置の階層構造

三次記憶装置
ロボット機構等を使用。
滅多に使わない、
大量のデータ保存
アクセス時間:数十秒単位
③記憶機能

プログラムやデータ,処理結果などを記憶として保存する
機能

主記憶装置:プログラムやデータを
一時的に保存する装置
メモリ

補助憶装置:プログラムやデータを保存する装置
ハードディスク
フロッピーディスク
CD-ROM/DVD
記憶装置の特性
揮発性メモリと不揮発性メモリ
不揮発性:
電力供給がなくなっても、保存され続ける
(一般的に低速)
 揮発性:
電力供給がなくなると、保存内容が消える。
(高速)

記憶装置の特性
書き換え可能?

読み書き可能(リードライト)
情報をいつでも上書きできる。
例:RAM (Random Access Memory)
一次記憶装置に使用。
読み取り専用(リードオンリー)
例:CD-ROM、DVD-ROM
記憶装置の特性
書き換え可能?

一度だけ書き込み可能(ライトワンス)
三次記憶装置やオフラインストレージに使用
例:CD-R、DVD-Rなど
リライタブル
読み出しは自由。上書きは自由にできない。
例:CD-RW、DVD-RWなど
記憶装置の性能
 記憶容量
デバイスまたは媒体が記憶できる全容量。
大きいほど、記憶できるデータも大きいが…
 記憶密度
情報をどれだけコンパクトに記憶できるか。
単位長さ、面積、体積辺りの記憶容量。
記憶装置の性能
 レイテンシ
ストレージの特定位置にアクセスするまでの時
間。
一次:ナノ秒、二次:ミリ秒、三次:秒単位程度
 スループット
単位時間当たりの読み書きの速度。
メガバイト毎秒などの単位を使用。
主記憶装置(メモリ)

書き込みの可否



書き込み可能:RAM (Random Access Memory)
読み出しのみ:ROM (Read Only Memory)
電源OFF時の振る舞い

揮発性:電源 OFF で忘れてしまう


パソコンに搭載されている RAM は揮発性
不揮発性:データは消えない



ROM は不揮発性. 電源を入れた直後の動作を決める
パソコンには少しだけしか搭載されていない
組み込み機器のプログラムは全て ROM に格納されている
主記憶装置(メモリ)

最近は「書き込み可能・不揮発」なメモリが増加


フラッシュメモリ(デジタルカメラの記憶媒体)など
読み書きが遅く,また書き込みに多くの電力が必要
RAM
SRAM
・リフレッシュ不要
・アクセスは高速で消費電力が少ないが,高価,回路が複雑
・キャッシュメモリに使われる.
DRAM
・リフレッシュと呼ばれる再度読み込みが必要
・アクセスは低速で消費電力も大きいが,安価,回路が単純
・メモリに使われる.
-キャッシュメモリ・1次キャッシュ(L1)と2次キャッシュ(L2)がある
・CPUの演算に使用(L1)
・CPUとメモリ間のデータ転送速度を改善して処理速度を上げ
るために実装(L2)
補助記憶装置

ハードディスク
デスクトップPC用

ノートPC用
不揮発性メモリ
USBメモリ
SDカード

CD-R : CD-Recordable
(1度だけ書き込み可)
CD-RW
CD-ReWritable
(何度でも書き換え可)
DVD-ROM,
DVD-RAM,
DVD-R,-RW,
DVD+R,+RW ,
Blue-ray Disk (BD)
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第3回スライド