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コンピュータシステム コンピュータ構成要素

プロセッサ

コンピュータの種類

デスクトップ PC,ノート PC,サーバ,携帯端末(スマートフォン,タブレット 端末ほか),汎用コンピュータ,制御用コンピュータ,マイクロコンピュータ, 量子コンピュータ(量子ゲート型,量子アニーリング型)

コンピュータの構成

演算装置,制御装置,記憶装置,入力装置,出力装置

プロセッサの種類

CPU,GPU,DSP,FPU,GPGPU,AI チップ

プロセッサのアーキテクチャ

@ データ処理の単位 プロセッサのアーキテクチャによって,プロセッサが 1 命令で処理するデータサイズに 違いがあることを理解する。 用語例 ビット,キャラクタ,バイト,ワード,量子ビット(Quantum bit) A 命令形式 1 命令で処理するオペランドの数で命令の形式を分類できることを理解する。 用語例 1 オペランド形式,2 オペランド形式 B 命令セット プロセッサのアーキテクチャによって命令セットに違いがあること,プロセッサアーキ テクチャとしては RISC と CISC があることを理解する。 用語例 固定長命令,可変長命令

CISC(Complex Instruction Set Computer):複雑で多機能な機械語命令を実装。プログラミングが容易。CPUの負担が大きい。パイプラインには不向き。

RISC(Reduced Instruction Set Computer):機械語命令が単純で短く、高速化しやすい。パイプライン向け。ステップ数が多い。

プロセッサの構造と方式

アキュムレータ,補数器,乗算器,積和演算器,命令アドレスレジスタ(命令カウ ン タ , プ ロ グ ラ ム カ ウ ン タ , 逐 次 制 御 カ ウ ン タ ), IR ( Instruction Register:命令レジスタ),GR(General Register:汎用レジスタ),インデック ス レ ジ ス タ ( 指 標 レ ジ ス タ ), ベ ー ス レ ジ ス タ , MAR ( Memory Address Register:メモリアドレスレジスタ),DR(Data Register:データレジスタ), MR(Memory Register:メモリレジスタ),スタックポインタ

プロセッサの動作原理

@ 演算の仕組み AND 回路,OR 回路,NOT 回路などの基本となる論理回路の組合せによって半加算器,全 加算器が実現され,演算が行われていることを理解する。 用語例 順序回路,組合せ回路,NAND 回路 A 命令とアドレッシング 代表的な機械語命令の種類,命令語の構成,命令の実行手順(命令の取出し,命令部の 解読,データの取出し,命令の実行),アドレス修飾を理解する。また,機械語演算のバ イナリ表現,アセンブラの記号表現との対応,相互の変換を行う方法を理解する。 用語例 算術演算命令,論理演算命令,転送命令,比較命令,分岐命令,シフト命令,入 出力命令,アドレス部(オペランド),フェッチ,アドレス計算,アドレス方式, アドレス修飾,直接アドレス指定,間接アドレス指定,インデックスアドレス指 定(インデックス修飾),ベースアドレス指定,相対アドレス指定,絶対アドレ ス指定,即値アドレス指定,有効アドレス(実効アドレス) B 割込み 割込みの仕組み,内部割込み,外部割込みに分類される割込みの種類,多重割込み時の 処理を理解する。 用語例 SVC(SuperVisor Call)割込み,入出力割込み,割込み制御,マシンチェック割 込み,プログラム割込み

内部割込み

プログラム割込み:0での除算、記憶保護例外などの不正な処理

SVC割り込み:スーパーバイザーコール。OSの重要な機能を利用。

ページフォールト

外部割込み

タイマ割込み:プログラムの割り当てられた時間が終了。

コンソール割込み:手動による割込み

入出力割込み:入力装置の操作など

機械チェック割込み:ハードウェアに障害、最優先。

マイクロプログラム制御

マイクロプログラムメモリ,マイクロプログラムカウンタ,エミュレーション, 水平型マイクロコード,垂直型マイクロコード

プロセッサの性能

クロック周波数,CPI(Cycles Per Instruction),MIPS などの意味を理解する。 用語例 サイクルタイム,FLOPS,命令ミックス

プロセッサの高速化技術

命令パイプライン,スーパパイプライン,スーパスカラ,VLIW,ベクトル処理方 式,ハイパスカラ方式,超並列プロセッサ,パイプラインハザード,データハザ ード,構造ハザード,制御ハザード,シングルコアプロセッサ,マルチコアプロ セッサ,マルチスレッディング

並列処理

命令とデータの流れ 代表的な並列処理方式の種類,特徴を理解する。 用語例 SISD,SIMD,MISD,MIMD A 並列処理の隘路 あ い ろ 並列化できないため逐次処理にならざるを得ない処理として,複数のプロセッサからの 主記憶装置の使用要求の競合,データベースへの同時アクセスによるロックの発生などが あること,それらの処理が能力向上を阻害する原因となることを理解する。

マルチプロセッサシステム

疎結合マルチプロセッサシステム,密結合マルチプロセッサシステム,タンデム 結合マルチプロセッサシステム,アレイコンピュータシステム,アムダールの法 則,同期,SMP(Symmetric Multi Processing:対称型マルチプロセッシング), クラスタ,トーラス,ハイパキューブ,ハイパツリー

メモリ

メモリの種類と特徴

内部メモリ(CPUが直接アクセスできるメモリ)に使用する情報素子

SRAM(Static RAM):フリップフロップ回路を用いる、高速。集積度が低い。

DRAM(Dynamic RAM):コンデンサを用いる。集積度が高く、大容量、ビット単価が安い。リフレッシュが必要で、勝利速度が遅い。

記憶素子の種類

CMOS:集積度が高く、消費電力が小さい。動作速度が遅い。

バイポーラ:動作速度が速い。集積度が低く、消費電力が大きい。

BiCMOS:CMOS型記憶素子の出力部分にバイポーラ型→高速化。

RAM,ROM,DRAM,SRAM,リフレッシュ,マスク ROM,PROM(Programmable Read Only Memory ), EPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory ), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory),フラッシュメモリ (NAND,NOR),SDRAM,DDR SDRAM,DDR2 SDRAM,DDR3 SDRAM,DDR4 SDRAM

主記憶装置の構成

記憶部,アドレス選択機構,読取り書込み機構,ECC(誤り検出訂正),パリティ

メモリシステムの構成と記憶階層

主記録書込み方式

ライトスルー方式:CPUからデータの書込み命令が発生したとき、キャッシュメモリと同時に主記録にも書込みを行う。データの一意性(コヒーレンシ)が得られる、速度が遅くなる。

ライトバック方式:キャッシュメモリにのみ書き出す方式。データの不整合が発生。データを追い出す、システムの処理空き時間などに主記憶に書き込む。

キャッシュの割付方式

ダイレクトマッピング:主記憶のアドレスから、キャッシュメモリでのアドレスが一意に定まる方式。主記憶上のブロック番号にハッシュ演算を行い、一意に対応するキャッシュメモリのブロック番号を算出。

フルソシアティブ:主記憶のブロックがどのキャッシュブロックにも対応付けられる方式。格納場所をすべて記憶しておく必要があり、検索に時間がかかる。

セットアソシアティブ:連続したキャッシュブロックをセットしてまとめ、そのセットの中に格納。ダイレクトマッピングとフルソシアティブの中間。

補助記憶,ディスクキャッシュ,ライトスルー,ライトバック,ダイレクト方式, フルアソシエイティブ方式,セットアソシエイティブ方式,連想メモリ,命令キ ャッシュ,データキャッシュ

アクセス方式

主記憶装置を高速化するメモリインタリーブ方式を理解する。 用語例 バンク

メモリインタリーブ:別個にアクセスできる複数のメモリバンクを用意し、これに並行してアクセスすることで見かけ上のアクセス速度を向上、メモリの高速化。

メモリ保護(記憶保護)方式

境界レジスタ方式:プログラム実行中にアクセス可能な許容記憶域を設け、その境界をレジスタに入れて、アクセスごとにチェックする。

実行モード方式:ユーザモード、特権モードなど、プロセッサの実行ボードによってメモリへのアクセス権を制御する。

保護キー方式:記憶装置を適当なブロックに分割し、ブロック単位に数ビットの主記憶保護キーを設け、走行中のプログラムのキーと比較する。

リング方式:各プログラムの保護優先度に応じてリング番号を与え、実行するプログラムのリンク番号のほうが優先度が高い時にアクセスを許可。

メモリの容量と性能

アクセス時間とサイクル時間,キャッシュメモリのヒット率,ミス率,実効アクセス時間, ミスペナルティなど,メモリの容量と性能の関係を理解する。

記録媒体の種類と特徴

読出し専用型,追記型,書換型,ハードディスク,SSD(ソリッドステートドラ イブ),光ディスク,CD(CD-ROM,CD-R),DVD(DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-R),ブ ルーレイディスク,半導体ディスク,フラッシュメモリ(USB メモリ,SD カー ド),ストリーマ,DAT,RAM ファイル

バス

バスの種類と特徴

アドレスバス,データバス,コントロールバス(制御バス),システムバス,メ モリバス,入出力バス,シリアルバス,パラレルバス

バスのシステムの構成

バスのシステムの構成には,命令の読込みとデータのアクセスを分離したハーバードアー キテクチャ,両者を分離せず同一のバスでアクセスするプリンストンアーキテクチャがある こと,アーキテクチャごとの特徴を理解する。

バスの制御方式

バスアービタ,バスマスタ,集中制御方式,割込み方式,ポーリング方式

バスのアクセスモード

外部データバス幅を制御するモードであるバスのアクセスモード,その動作,モードを指 定することによって,バス幅を指定できることを理解する。

バスの容量と性能

バス幅を意味するバスの容量,クロック周波数を意味するバスの性能,バスのスループッ トの計算方法を理解する。

バスの標準規格

PCI(Peripheral Component Interconnect)バス,PCI Express,IEEE 1394, ANSI-X3.131(SCSI),USB(Universal Serial Bus)

入出力デバイス

入出力インタフェース

@ 入出力インタフェースの種類と特徴 入出力インタフェースの種類,転送方式,伝送速度,接続可能台数,用途などの特徴を 理解する。 用語例 USB,RS-232C,IEEE 1394,SCSI,HDMI,DisplayPort,PC カード,シリアル ATA, Bluetooth,BLE(Bluetooth Low Energy),Wi-SUN,ZigBee,IrDA,NFC,FC(フ ァイバチャネル) A データ転送の方式と接続形態 シリアルデータ転送方式とパラレルデータ転送方式や,周辺装置を接続する際の接続形 態(トポロジ)の種類,特徴,使用される機器を理解する。 用語例 アナログ,デジタル,スター接続,カスケード接続,ハブ,デイジーチェーン接 続,ターミネータ,ツリー接続,UART B 入出力制御の方式 CPU を介さない転送方式である DMA 方式やチャネル制御方式を理解する。また,入出力 割込みが果たす役割を理解する。 用語例 プログラム制御方式,DMA(Direct Memory Access:直接記憶アクセス)方式

制御方式の種類

プログラム制御方式(直接制御方式):CPUが入出力制御コマンドを発行する方式。データがCPUのレジスタを経由するため、処理効率を低下させる原因になる。

DMA(Direct Memory Access)方式:CPUを介さずに外部装置と主記憶装置との間で直接データのやり取りを行う方式。DMA要求が発生すると、システムバスが遮断され、外部装置と主記憶装置の間にデータ伝送路が確保される。

チャネル制御方式:チャネル装置と呼ばれる入出力専用の装置を介して、外部装置と主記憶装置のデータ伝送を行う。専用チャネルが利用されるため、CPUと入出力装置の並行処理が可能。データ伝送の終了はチャネル割込みによってCPUに通知される。

チャネル制御方法

チャネル指令語(CCW):チャネルプログラムを書く言語

チャネルアドレス語(CAW):チャネル装置が持つメモリや主記憶装置の格納位置を示す。

チャネル状態語(CSW):チャネルの状態

チャネルの種類

マルチプレクサ:チャネルを切り替えることによって複数の装置の入出力処理を並行(バイトマルチプレクサチャネル・ブロックマルチプレクサチャネル)

セレクタチャネル:処理の多重化を行わない占有型のチャネル。

デバイスドライバ

デバイスドライバの役割,プラグアンドプレイ,ホットプラグの機能,デバイスとの同期 を理解する。

入出力装置

入力装置

ポインティングデバイス(マウス,タッチパネル,タッチスクリーン,ジョイス ティック,トラックボール,デジタイザ,ペンタブレットほか),キーボード, 音声入力装置,画像入力装置(スキャナ,OCR,OMR,デジタルカメラほか),生 体認証装置,バーコード読取装置,磁気カード読取装置,IC カード読取装置, A/D コンバータ

出力装置

液晶ディスプレイ,TFT 液晶,STN 液晶,有機 EL ディスプレイ,インタレースモ ード,ノンインタレースモード,テキストモード,グラフィックスモード,パッ クトピクセル方式,プレナピクセル方式,VGA,SVGA,XGA,電子ペーパ,インパ -17- Copyright(c) Information-technology Promotion Agency, Japan. All rights reserved 2021 クトプリンタ,ノンインパクトプリンタ,シリアルプリンタ,ラインプリンタ, ページプリンタ,レーザプリンタ,インクジェットプリンタ,3D プリンタ,プロ ッタ,D/A コンバータ,プロジェクタ,音声出力装置

補助記憶装置

ハードディスク装置,SSD(ソリッドステートドライブ),SD/SDHC/SDXC カードリ ーダ,CD-R/RW ドライブ,ブルーレイドライブ,DVD-R/RW ドライブ,磁気テープ 装置,トラック,シリンダ,ブロック化因数,IBG(Interblock Gap:ブロック 間隔),セクタ,トラック密度,スピンドル,アクセスアーム,磁気ヘッド,固 定ディスク,デフラグメンテーション,シークタイム,サーチタイム,データ転 送時間,データ転送速度,ボリューム,ボリュームラベル,見出しラベル,後書 きラベル,ディスクアレイ,RAID

その他の入出力装置

有線 LAN インタフェースカード,無線 LAN インタフェースカード

科学の部屋[工学・化学]