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計算機システムの基本md b8b634f
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計算機けいさんきシステムの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_081f8ffb84ffda562468ed65e53d2fdfdescription計算機システムをCPU・メモリ・入出力の協調として捉え、命令サイクル、記憶階層、性能評価の基本を説明する。prerequisitesプログラミングの基本 / 二進表現と論理演算の初歩type講義statusactiverelateddata/lecture/information/systems/computer-systems-portal.lecture.n.md / data/lecture/information/programming/introduction-to-programming.lecture.n.md / data/lecture/information/algorithm/foundation/computational-complexity-basics.lecture.n.md / data/lecture/information/networks/computer-networks-portal.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、CPUCentral Processing Unit主記憶しゅきおくMain memory入出力にゅうしゅつりょくInputoutput; IO協調きょうちょうしてプログラムを実行じっこうする過程かてい説明せつめいする。命令めいれい実行じっこう、データの保持ほじ外部装置がいぶそうちとのデータ交換こうかん区別くべつすることにより、プログラムのいと計算機けいさんき構成こうせい対応たいおうづける。

2格納かくのうプログラム方式ほうしき

格納かくのうプログラム方式ほうしきStored-program architectureでは、プログラムを構成こうせいする命令めいれいと、その命令めいれい処理しょりするデータを、いずれも主記憶しゅきおく配置はいちする。CPUは主記憶しゅきおくからつぎ実行じっこうする命令めいれい取得しゅとくし、その命令めいれい指定していする演算えんざん実行じっこうする。

主記憶しゅきおく番地ばんちAddressによって識別しきべつされる記憶場所きおくばしょ集合しゅうごうとしてあつかえる。プログラムの変数へんすうは、実行時じっこうじにはあたい格納かくのうする記憶場所きおくばしょまたはその場所ばしょ参照さんしょうする仕組しくみに対応たいおうする。ただし、コンパイラによる最適化さいてきかでは、あたいがCPU内部ないぶのレジスタだけに保持ほじされることもあるため、すべての変数へんすうつね主記憶しゅきおく固定番地こていばんち占有せんゆうするわけではない。

3CPUと命令めいれいサイクル

CPUは、演算えんざん実行じっこうする演算装置えんざんそうちArithmetic and logic unit; ALU命令実行めいれいじっこう制御せいぎょする制御装置せいぎょそうちControl unit少量しょうりょうのデータを高速こうそく保持ほじするレジスタRegisterなどから構成こうせいされる。

命令めいれい処理しょりは、概念的がいねんてきにはつぎ命令めいれいサイクルInstruction cycleとして整理せいりできる。

  1. Fetch: つぎ実行じっこうする命令めいれい主記憶しゅきおくから取得しゅとくする。
  2. 解読かいどくDecode: 命令めいれい要求ようきゅうする演算えんざん対象たいしょう判定はんていする。
  3. 実行じっこうExecute: 演算えんざん、データ転送てんそう、または分岐ぶんき実行じっこうする。
  4. もどWrite-back: 必要ひつようおうじて結果けっかをレジスタまたは主記憶しゅきおく保存ほぞんする。

たとえば、ふたつのあたいをレジスタへんだあと加算かさんする処理しょりでは、加算命令かさんめいれいがALUに演算えんざん指示しじし、結果けっかをレジスタへ保存ほぞんする。どの命令めいれいがメモリを直接ちょくせつ参照さんしょうできるかは、命令めいれいセットによってことなる。条件分岐じょうけんぶんきは、条件じょうけんおうじてつぎ取得しゅとくする命令めいれい番地ばんち変更へんこうする。

4記憶階層きおくかいそう

記憶装置きおくそうち容量ようりょう速度そくど単位容量たんいようりょうあたりの費用ひようあいだにはトレードオフがある。このため、計算機けいさんき一般いっぱんに、レジスタ、キャッシュ、主記憶しゅきおく補助記憶ほじょきおくという記憶階層きおくかいそうMemory hierarchy構成こうせいする。

レジスタキャッシュ主記憶補助記憶

左側ひだりがわほどCPUにちかく、高速こうそくかつ小容量しょうようりょうである。プログラムによるメモリ参照さんしょうには、みじか時間じかん同一どういつ記憶場所きおくばしょまたはその近傍きんぼう参照さんしょう集中しゅうちゅうする傾向けいこうがある。この傾向けいこう参照さんしょう局所性きょくしょせいLocality of referenceという。記憶階層きおくかいそうは、この局所性きょくしょせい利用りようして、頻繁ひんぱん参照さんしょうするデータをCPUにちか階層かいそう再利用さいりようする。

5入出力にゅうしゅつりょく

入出力にゅうしゅつりょくは、ディスプレイ、キーボード、補助記憶装置ほじょきおくそうち、ネットワークインタフェースなどとデータを交換こうかんする機能きのうである。CPUと入出力装置にゅうしゅつりょくそうちには動作速度どうさそくどがあるため、CPUが完了かんりょう待機たいきつづける方式ほうしきだけではCPU時間じかん有効ゆうこう利用りようできない。割込わりこみは装置そうち状態変化じょうたいへんか処理完了しょりかんりょうをCPUへ通知つうちする。DMADirect Memory Accessは、CPUがデータを一語いちごずつ転送てんそうすることなく、装置そうち主記憶しゅきおくあいだでデータを転送てんそうする。これらは、CPUと入出力にゅうしゅつりょく並行動作へいこうどうさ支援しえんする代表的だいひょうてき仕組しくみである。

ネットワーク通信つうしん入出力にゅうしゅつりょく一種いっしゅである。後続こうぞくのネットワーク講義こうぎでは、データを複数ふくすう計算機けいさんきあいだ転送てんそうする仕組しくみを詳述しょうじゅつする。

6性能せいのう区別くべつして評価ひょうかする

プログラムの所要時間しょようじかん分析ぶんせきするときは、すくなくともつぎ要因よういん区別くべつする。

  • CPUが命令めいれい実行じっこうする時間じかん
  • 記憶階層きおくかいそうからデータを取得しゅとくする時間じかん
  • 入出力にゅうしゅつりょく完了かんりょう時間じかん

アルゴリズムの計算量けいさんりょうは、入力規模にゅうりょくきぼたいして必要ひつよう演算回数えんざんかいすう記憶量きおくりょうがどのように増加ぞうかするかを抽象的ちゅうしょうてきあらわす。実測時間じっそくじかんは、それにくわえてCPU、記憶階層きおくかいそう入出力装置にゅうしゅつりょくそうち実装じっそうなどの影響えいきょうける。したがって、計算量けいさんりょう特定とくてい計算機けいさんきにおける実測時間じっそくじかん同一どういつではない。

7要点ようてん

  • 格納かくのうプログラム方式ほうしきでは、命令めいれいとデータを主記憶しゅきおく配置はいちし、CPUが命令めいれいサイクルにしたがって処理しょりする。
  • 記憶階層きおくかいそうは、速度そくど容量ようりょう費用ひよう相違そうい利用りようしてデータ参照さんしょう効率化こうりつかする。
  • 実行時間じっこうじかん分析ぶんせきでは、CPU処理しょり、メモリ参照さんしょう入出力待機にゅうしゅつりょくたいき区別くべつする。

8つぎすす講義こうぎ

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