§０ コンピュータの歴史と概要

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1 Ver.15 コンピュータの仕組みを理解するために 1. ハードウエアの基本構成 中央処理装置 (CPU) 演算装置 (ALU) 制御装置 入力装置主記憶装置 (main memory) 出力装置 キーホ ート マウス ライトヘ ン半導体メモリテ ィスフ レイ フ リンタなど OCR,MCR, イメーシ スキャナ, タッチハ ネルなど 外部記憶装置 ( 補助記憶装置 ) 通信制御装置 (CCU) モテ ム ルータ (LANホ ート 磁気テーフ ハート テ ィスク フロッヒ ーテ ィスク PCカート 無線 LAN) など MO,CD,DVD, フラッシュメモリ (USBメモリやSDメモリ) など通信回線へテ ータの流れ制御の流れ コンピュータのハードウェアは 中央処理装置 記憶装置 入出力装置という3つの部分に大別される 中央処理装置 (CPU: central processing unit) は頭脳の中枢にあたるところで メモリとデータのやりとりをしながら各種の演算を実行する演算装置 (ALU: arithmetic and logical unit) と メモリから読み出した命令 ( プログラム ) を解読しそれを実行するために各部の制御を行う制御装置とからなる データやプログラムは キーボード マウス タッチパネルなどの入力装置 (I/O unit) から読み込まれ 主記憶装置 (main memory) に格納され CPUとの間で高速のやりとりをして処理 実行される 特別な入力装置としては ビデオカメラ ( 動画 ) マイク( 音声 ) イメージスキャ 1

2 ナ ( 画像 ) などもあり これらは取り込んだ動画 音声 画像などをデジタルデータに変換してコンピュータに入力する メインメモリ ( 高速だが高価 ) には限りがあるので 大量のデータは外部の補助記憶装置 ( 低速だが廉価 ) に格納する 処理結果はディスプレイやプリンタなどの出力装置に出力される ほかの出力装置としては プロジェクタ プロッタ スピーカーやイヤフォンなどもある 入力装置と出力装置を合わせて入出力装置 (I/O: input-output unit) という 入出力装置 通信制御装置 無停電電源装置など コンピュータの本体以外の部分を総称して周辺装置 (peripheral unit) という 大容量のデータを保存するために補助記憶装置は必須である かつて補助記憶装置の中心であった磁気テープは現在ではほとんど使われていないが 磁気ディスク装置は大容量の補助記憶装置として現在でも主役である パソコンで広く使われているハードディスク (HDD: hard disk) は磁性体を塗布したディスク ( 円盤 ) を何層か重ねたもので 現在ではTB( テラバイト ) 程度の容量も珍しくない その他の補助記憶装置にはフロッピーディスク (FD: floppy disk) 光磁気ディスク (MO: magneto-optical disk) フラッシュメモリ(USBメモリやSDメモリなど) CD(compact disc), DVD(digital versatile disc) などがある かつて PC の外部メモリの主役であった FD ( や その後の一時期使われた MO) は今では CD, DVD, フラッシュメモリに取って代わられている 1982 年頃から普及しだした CD は光ディスク ( 光 ( 半導体レーザー ) の反射により情報の読み書きをする ) ものであり 記憶容量 640MB/700MB, 読み込み速度 1.2Mbps 程度である 1996 年頃から登場したDVD も光ディスク ( 第二世代に分類される ) であるが 記憶容量は120mm 両面 2 層で最大 5.2GB, 読み込み速度 11Mbps( 最大で16 倍速 ) 程度であるフラッシュメモリ (flash memory) は書き換え可能で 電源を切ってもデータが消えない不揮発性の半導体メモリの一つである USB ポートを用いてデータを転送する際に補助記憶装置としてフラッシュメモリが用いられることが多いため USBメモリと呼ばれることもある 記憶容量は16MB~512GB(2015 年現在 ) と幅広い 携帯電話 ( スマホを含む ) 等で使われている小型のメモリカードであるSDメモリ ( や minisd, microsd) はフラッシュメモリの一種である ( 数十 GBくらいまで ) 形態によって SD, MS, SM, xd, CF とも呼ばれる ディスプレイには 一種の真空放電管であるCRT(cathode ray tube) を用いたCRTディスプレイと 液体と結晶の両方の特性を持つ物質である液晶が透過光の偏向角を変える性質を利用した液晶ディスプレイがある イメージスキャナ (image scanner) は 写真や絵などの画像を読み取ってデジタルデータに変換する装置である 通信制御装置 (CCU: communication control unit) の一つであるモデム (modem: modulator/demodulatorの造語 ) は 電話などのアナログ回線と デジタルデータしか扱わない 2

3 コンピュータとの間でデータ変換を行う装置である シリアル信号を半導体レーザー光に変換する光モデム シリアル信号を無線によって伝送するための無線モデム (Bluetoothなど) ブロードバンドインターネット接続用のADSLモデムなどに分類されることもある ADSLモデムの場合 ルーターに内蔵されていることが多い ルータ (router) は コンピュータを繋げたネットワークにおいて複数のサブネットの間でデータを中継する ( データをサブネットに分配すると同時に転送の可否等も判断する ) 通信機器の総称である 管理の対象や能力によってブロードバンドルータとかモバイルWiFiルータなどに分類することもある プリンタには 1 文字ずつ横方向に印刷するシリアルプリンタ (serial printer) と 1 行分をまとめて印刷するラインプリンタ (line printer) と 1 頁分のドット情報をメモリ内に展開して印刷するページプリンタ (page printer) があるが シリアプリンタやラインプリンタは現在ではほとんど用いられていない また 印刷方式によって 感熱式プリンタ インクジェットプリンタ レーザープリンタなどがあるが 感熱式プリンタは現在ではほとんど用いられていない 2. よく使われる単位 ビット bit (binary digit) 0/1(yes/no, 有 / 無など ) の2 値を表す単位 2 進数 1 桁 バイト byte (Bと略記する) 1 文字を表す単位に相当する ( 正しくは1 語をいくつかに分割したもの ) 1byte=8bitsであることが多い KB Kilobyte (1000B) MB Megabyte (100 万 B) GB Gigabyte (10 億 B) TB Terabyte (1 京 B) ワード ( 語 ) word (Wと略記する) コンピュータ内部で演算対象となる単位 ( そのビット幅の演算回路やバス ( データ伝送路 ) がある ) 1W=8bits,16bits,32bits,64bits 等 現在は 1W =32bitsまたは64bitsが主流である MIPS (million instructions per second) 1 秒間に何百万回の基本命令を実行するか を表す単位 FLOPS (floating point instructions per second) 1 秒間に何回の浮動小数点命令 ( 実数に関する命令 ) を実行するか を表す単位 普通 浮動小数点数命令の方が他の数値演算命令 ( 固定小数点数命令 = 整数に関する命令 ) より実行時間がかかる MFLOP=10 6 FLOPS. 3

4 最近は 演算速度を表す単位として固定小数点演算にSPECint92 浮動小数点演算にSPECfp92 を使うこともある MFLOPS Mega Flops (100 万 FLOPS) GFLOPS Giga Flops (10 億 FLOPS) bps bit per second(1 秒間に送信できるビット数 ).B/s とか b/s とも書く 2 進数 (binary number) 下位から i ビット目は 2 i を表す ( ただし 最下位を 0 ビット目とする ). 8 進数 (octal number) 下位から i 桁目は 8 i を表す ( ただし 最下位を 0 桁目とする ). [0] 10 = [0] 8 = [000] 2, [1] 10 = [1] 8 = [001] 2,, [6] 10 = [6] 8 = [110] 2, [7] 10 = [7] 8 = [111] 進数 (hexadecimal number) 下位から i 桁目は 16 i を表す ( ただし 最下位を 0 桁目とする ).10~15 を表すのに文字 a~f( または A~F) を用いる. [0] 10 = [0] 16 = [0000] 2, [1] 10 = [1] 16 = [0001] 2,, [14] 10 = [e] 16 = [1110] 2. [15] 16 = [f] 16 = [1111] 2. 単位の接頭語 ( 修飾語 補助単位 ) y z a f p n μ m c d ヨクトゼプトアット フェムト ヒ コ ナノ マイクロ ミリ センチ テ シ atto femto pico nano micro mili centi deci ( 古北欧 ) ( 北欧 ) ( ラテン ) ( ラ ) ( ラ ) ( ラ ) ( ラ ) ( ラ ) 尖った先小人小さい がい 十 百 千 百万 十億 兆千兆 百京 十垓 da h K M G T P E Z Y テ カ ヘクト キロ メカ キ カ テラ ヘ タ エクサ ゼタ ヨタ deca hecto kilo mega giga tera peta exa zetta yotta ( キ ) ( キ ) ( キ ) ( キ ) ( キ ) ( キ ) ( キ ) ( キ リシャ語 ) 大きい巨人怪物 5 6 例えば 1nsec(1 ナノ秒 )=10-9 秒 1MB(1 メガバイト )=10 6 B である し秭 4

5 数年前までは 単位の接頭語の K, M, G, は K=10 3, M=10 6, G=10 9, といった 10 の冪乗ではなく 2 の冪乗を使うことが結構行われた 例えば K として 1000 に最も近い 2 の冪乗である 1024(=2 10 ) が使われた ( 同様に M=10 6 や G=10 9 の代わりに 2 20 = や 2 30 = が使われた ) しかし これは混乱の元であったので 現在では 後者は別 の名称で呼ぶことになっている (1998 年に IEC( 国際電気標準会議 ) が国際規格として定め IEEE でも同様の規格 IEEE を 2002 年に定めた ) その新呼称は次の通り: 呼称 単位記号 2 10 =1024 キビ kibi Ki 2 20 = メビ mebi Mi 2 30 = ギビ gibi Gi 2 40 テビ tebi Ti 以下略 ( ペビ pebi (Pi) エクスビ exbi (Ei) ゼビ zebi (Zi) ヨビ yobi (Yi)) 3.CPU の基本原理 2 つの整数の和を出力するプログラムを考えよう main() { int a, b, c; /* 変数 a,b,c が整数値をとる変数であることを宣言する */ a = 1; /* a に 1 を代入する */ b = 2; /* b に 2 を代入する */ c = a+b; /* a と b の和を c に代入する */ cout << c; /* c の値を出力する */ } コンピュータは このプログラムをそのまますぐに実行できるわけではない このプログラムは人間にとって理解し易い汎用高級言語 ( この例ではC++ 言語 ) で書かれたものであり コンピュータが直接認識して実行することはできない そのため コンパイラ (compiler) と呼ばれるプログラムによって コンピュータが直接理解して実行できる形の命令 ( 機械語命令 (machine instruction) と呼ばれ 対応するハードウェア的機構ないしはそれに近いものが存在するもの ) の列に翻訳する 1つの機械語命令は 命令の種類とその作業対象となるデータ 5

6 の入っている場所 ( アドレス ) などを 0,1 で表現したものであり このような機械語命令の列 を機械語プログラムという 機械語 (machine language) は単に 0,1 の列であるが より人間に 分かりやすいように記号化したものをアセンブリ言語 (assembly language) という ( アセンブ ラという人もいるが アセンブラはアセンブリ言語を機械語に翻訳するプログラムのことであ る ) X と Y の和を Z に代入するプログラム 機械語 (8080A) アセンブリ言語 (8080A) 汎用高級言語 LDA X Z=X+Y (FORTRAN) LXI H,X COMPUTE Z=X+Y. (COBOL) ADD M z:=x+y; (PASCAL) STA Z Z X+Y (APL) (SETQ Z (+ X Y)) (LISP) Z=X+Y; (PL/I) ADD M _z is _x+y (Prolog) STA Z z=x+y; (C) 高級言語と違い 機械語の仕様は CPU( すなわち 機種 ) ごとに異なっている 上の例に用いたのは インテル社製の 8080A と呼ばれる MPU の機械語である (8080A はマイコンが出現した当初の 8 ビットマシン MPU=micro processor unit=マイコンの CPU) 通常 機械語命令の種類 ( 命令セット ) は 100 個から 200 個くらいあり ( 命令の種類が複雑で多種な CISC 型コンピュータ (complex instruction set computer) と 命令を単純にして実行効率を向上させた方式の RISC 型コンピュータ (restricted instruction set computer) とでは命令の数がかなり異なる ) 1つの命令は次のような構造をしている ( 命令によって 長さや形式がかなり異なる ): 命令コード補助情報命令の対象となるアドレスあるいはデータ 1 の 命令コード はその命令の名前を 2 進数で表したものであり 3 の アドレス部 に はその命令の操作対象となるデータが入っているメモリ ( 主記憶装置 ) のアドレス あるいは 6

7 使われるデータ自身が入れられる 2( 修飾部 ) には レジスタ番号その他の補助情報が入れられる ( レジスタ (register) とは 演算に使われる少数個の高速メモリのこと ) さて 機械語に翻訳されたプログラムが行うことは次のようになる : 1 int a,b,c; によって主記憶装置上に int ( 整数 ) 型変数 a, b, c それぞれのための領域が確保される 2 a = 1; によって確保された変数 a に int 型の値 1が格納される ( 値 1は 機械語命令自身内に作られ その命令が実行されるか あるいは 主記憶装置内のデータ用領域に作られ それが演算装置を経由して変数に格納される ) 3 b = 2; についても2と同様 4 c = a+b; によって変数 a と b の値は " ロード命令 "( 機械語の命令の一つ ) によって演算装置に渡され " 加算命令 " を使って和がとられ その演算結果が再び " ストア命令 " によって変数 c に格納される 5 cout << c; によって変数 c の値は出力装置 ( 例えば ディスプレイ ) に出力される 例えば 4 を行うためには次の 5 つの機械語命令が実行される : アセンブリ言語による記述 mov dword ptr [a (00428bf4)],1 mov dword ptr [b (00428bf8)],2 mov eax,[a (00428bf4)] add eax,dword ptr [b (00428bf8)] mov [c (00428bfc)],eax 定数 1 を a ( アドレス 00428bf4) に格納せよ定数 2 を b ( アドレス 00428bf8) に格納せよ a の値を演算装置にロードせよ同上演算装置に b の値を加算せよ同上演算装置の値を c( アト レス 00428bc) に格納せよ 対応する機械語命令の列 この機械語 1つ1つが何であるかを解読して 対応する処理を実行するために CPU は 各機械語命令を 命令の読み込み 命令の解読 命令の実行 結果の出力 というステップに分解して実行するというステップを繰り返す ( 下図参照 ) もう少し 細かく言うと 7

8 1 命令の読込み ( フェッチ ): プログラムカウンタ ( プログラム内のいくつめの命令を解読実行中であるかを記憶しておくためのメモリ ) が示すアドレスに従い主記憶装置から命令を読み出し 命令レジスタ (1つの命令を格納しておくためのレジスタ レジスタ(register) とは読み書きが高速にできるメモリのこと ) に格納する 次に実行すべき命令を示すようにプログラムカウンタの値を更新する ( 普通は現在実行中の命令の直後の命令を実行するので 1 を足す ジャンプ命令の場合は 飛び先の命令の番号を入れる ) 2 命令の解読 ( デコード ): 命令レジスタの命令 ( 命令部とアドレス部と修飾部に分けられる ) のうち 命令部をデコーダー (decoder) に渡す デコーダーは渡されたものがどのような命令であるかを解読し 命令を実行するための制御信号を生成し 命令が主記憶装置上のデータを必要とするならば そのアドレスをアドレスレジスタに転送する 3 以下 命令の実行 : アドレスレジスタは インデックスレジスタやベースレジスタ ( これらのレジスタは アドレスを表すためのもので 実際のアドレスは ベースアドレスにインデックスレジスタの値を足したものになる ( アドレスの決め方は方式によって異なり もっと複雑な方式によっている場合もある ) の修飾を受けて 有効アドレスを割り出す 4 有効アドレスの該当アドレスに記憶されているデータをデータバス上に読み出す 5 メモリレジスタ ( メモリからのデータを記憶しておくためのレジスタ ) は データバス上のデータを受け取って記憶する 6 演算が必要なときは演算装置のアキュムレータ ( 演算器 accumulator) に渡す 7 アキュムレータは演算回路を使って演算を行う 8 以下 結果の格納 : アキュムレータは演算回路から演算結果を受け取る 主記憶装置に格納する場合はいったんメモリレジスタに戻す 9 指定されたアドレスに演算結果を格納する 1 に戻る 8

9 3. コンピュータの動作速度 コンピュータ内部のあらゆる処理はいろんな論理回路が一定の時間幅で同期をとって行う この同期の幅 ( で時間を割ったもの=クロック ) が動作周波数 ( クロック周波数 ) である 例えば 1クロックが1 秒間に 1000 個であれば 1KHz( キロヘルツ ) 100 万個あれば 1MHz( メガヘルツ ) 10 億個あれば 1GHz( ギガヘルツ ) である このため 動作周波数が大きいほど処理速度が速いと言える ( 実際は クロック周波数だけでなく 後述する 1クロックあたり実行できる基本命令の数 にも依存する ) パソコンの場合 動作周波数はマザーボード上にある水晶発振器等 ( 安価なセラミック発振器を使うこともある ) で作り出されるクロック信号をもとに 回路ごとに調整して用いられる CPU 内部での処理は動作周波数に合わせて 1クロックで1つの処理を行う すなわち 1 クロック目に命令を読み込み 2クロック目にそれを解読し 3クロック目に実行を行い 4 クロック目に結果の書き込みを行う しかし これらの処理はそれぞれ CPU 内の別々の部分で行われるので 2クロック目に1つ前の命令を解読すると同時に次の命令を読み込むことができ 2クロック目には2つ前の命令を実行すると同時に1つ前の命令を解読し次の命令も読み込むことができ というように同時に4つの処理を並行して行うこともできる このような処理方法をパイプライン (pipelining) という ( 下図参照 ) 最近では CPU の内部処理を4 ステップではなく8ステップあるいはそれ以上にしたり ( スーパーパイプライン : superpipelining) フェッチやデコードを複数同時に行い 演算器の数も増やして一度に複数の命令を処理できるようにしたり ( スーパースカラー : susperscalor) して 処理速度を上げることが行われている さらに最近では パソコンは複数のコア (MPU core: マイクロプロセッサの中核部分で 演算を行うための論理回路や一次キャッシュなどが実装された装置 ) を備え それらを並列に稼働させて動作速度の向上が図られるようになっている コアの個数によって デューアルコア ( コアが2 個 dual core) クアッドコア(4 個 quadcore) オクタルコア(8 個 octalcore) などと呼ばれている 9

10 動作周波数 1Hz 1 クロック =1 秒 1 クロック =100 万分の 1 秒 1MHz 命令処理の基本 1 クロック 命令 1 フデ実書 命令 2 フ デ 実 書 命令 3 フ デ 実 命令 4 パイプライン処理 1 クロック 命令 1 命令 2 命令 3 命令 4 フェッチ デコード 実行 書込み フェッチ デコード 実行 書込み フェッチ デコード 実行 フェッチ デコード 10

11 スーパースカラー処理 (2 命令並列の場合 ) 1 クロック 命令 1 命令 2 命令 3 命令 4 フェッチ デコード 実行 書込み フェッチ デコード実行 書込み フェッチ デコード 実行 書込み フェッチ デコード 実行 書込み CPU メモリ ( 主記憶装置 ) 命令 i データ i 1 命令 やテ ータの 読み込み 命令 1 命令 2 命令 3 フ ロク ラム 計算 2 計算 結果 データ 1 テ ータ領域 3 計算結果 の書き込み データ 2 11

12 4. メモリ ( 記憶装置 ) (A) 主記憶装置コンピュータの記憶装置は 主記憶装置と外部記憶装置 (2 次記憶装置 ) に大別される 主記憶装置 ( メインメモリ (main memory): パソコンではRAM (random access memory) とも呼ばれる ) は すでに見たように 処理手続きを機械語で記述した一連の命令の列 ( プログラム ) や そのプログラムが使うデータや変数等を記憶しておくための装置である 主記憶装置は 読み書き自由な RAM と 読み取り専用の ROM (read-only memory) に大別されるが 単に メモリ という場合には主記憶装置の中の RAM を指す コンピュータ誕生したばかりの頃に用いられた 水銀遅延線 ブラウン管 (1950 年代 ) 磁気ドラム 磁気コア(1980 年代 ) に代わり 現在では半導体メモリが用いられている 主記憶装置はビットの集まりである いくつかのビットを単位としてアドレス ( 番地 address) が付けられている 8 ビット=1バイトをアドレスの単位とする場合が多い ( このようなコンピュータをバイトマシン (byte machine) という ) が 1 語 (16, 32, 64 ビットなど ) を単位とするコンピュータもかつてはあった ( このようなコンピュータをワードマシン (word machine) という ) 下図は 1ワード=32 ビット=4バイトのバイトマシンの例である パソコンではメインメモリ空間とは別に キーボードなどの入出力機器の制御のために使われる I/O アドレス空間 (64KB 程度 ) がある アドレス ( バイト単位 :16 進表現 ) B = 4GB FFFFFFF8 FFFFFFFC 1W = 4B = 32bits 主記憶装置の容量はさまざまである 2002 年時点で 大型コンピュータで数十 GB パソコンでは 64~256MB 程度であった ( 最大で 32 ビットで表せる程度 ) が 年々大容量化している ( 主記憶装置のアドレスを表すのに何バイト使えるかで主記憶装置の容量が決まるが 現在で 12

13 は様々なメモリ空間管理法を使うことによって大容量のメモリが使えるようになっている 2015 年時点では パソコンでも主記憶装置の容量は 4~8GB 程度 補助記憶装置であるハードディスクの容量はずっと大きく 256~512GB が普通である ) バイトマシンではバイト長を単位としてメモリ空間にアドレスをふっているので 例えば 16ビットマシンなら64KB (=2 16 B) 32ビットマシンなら4GB (=2 32 B) の大きさのアドレス空間を表現できる しかし コンピュータのアーキテクチャのビット数を増やさずにアドレス空間を広げる ( 表すことのできるアドレスの範囲を広げる ) ためにいろんな方法が考えられている 参考 : 1B = [ff] 16 = [256] 10. 1W = 32ビット = 4B = [ffffffff] 16 = [ ] ビット = 8B = [ffffffffffffffff] 16 = [ ] 10. (B) メモリ管理 ( 主記憶装置の効率的利用 ) CPU の利用効率を高めるために大型計算機では 主記憶装置に2つ以上のプログラムを同時に記憶しておいて 一方のプログラムがデータの入力待ちをしている間にもう一方のプログラムを実行する このような方式を多重プログラミング (multi-programming) あるいはマルチタスク (multi-task) という 多重プログラミング実行中は 主記憶装置内にすべてのプログラムとデータを常駐させておくことができないので 主記憶装置と2 次記憶装置の間でプログラムやデータを入れ替える操作 ( スワッピング ) を頻繁に行う必要がある そのために 効率的にスワッピングを行うために主記憶装置内へプログラムやデータをどのように配置 ( メモリ割付 memory allocation) するかが重要である 一方 コンピュータのアーキテクチャのビット数を増やさずにアドレス空間を広げる ( 例えば 16ビットマシンで2 32 バイト=4GBの主記憶装置を使えるようにする ) ためにも 主記憶装置のアドレスをどう表現するかが重要である そのための代表的な方式には ロケーションレジスタ方式 ベースレジスタ方式 セグメント方式 仮想記憶方式などがある 1 ロケーションレジスタ (location register) 方式では ロケーションレジスタと呼ぶ特別のレジスタ ( 高速のメモリのこと ) にプログラムの先頭アドレスを入れておき 機械語の各命令の格納されているアドレスにその先頭アドレスを加えて実効番地を計算する 2 ベースレジスタ (base register) 方式は 1つの機械語命令の長さが小さくて そのアドレス部だけで主記憶装置のすべてのアドレスを表現できないとき ベースレジスタと呼ばれ 13

14 るレジスタの値を加えたものを実効アドレスとする方式である 3 セグメント (segment) 方式では CPUが直接アクセスできるメモリ空間を1つのセグメントとして セグメントを複数個用意しておき ( セグメントレジスタと呼ばれるレジスタを使う セグメントレジスタが16ビットなら2 16 個のセグメントを扱える ) アクセスするセグメントを切り替える 12の方式では扱えるメモリ空間がロケーション / ベースレジスタの大きさ分しか増えないのに対し 3の方式では扱えるメモリ空間はセグメントレジスタの大きさ培に増える ( 下図参照 ) 4 仮想記憶 (virtual memory) 方式では 物理的な記憶装置 ( 実メモリ空間 ) とは別にプログラムごとに仮想的なメモリ空間を考え その上でプログラムを組み 実行時に仮想的なアドレスを物理的記憶装置上の物理アドレス ( 実アドレス ) に変換するためにアドレス変換表をもつ 仮想記憶方式にはセグメント方式とページ方式があり ページ方式では主記憶装置も2 次記憶装置もページと呼ばれる固定長のサイズの領域に分割し ページ単位でスワッピングを行う ) n ビット アドレス セグメント m ビット セグメントレジスタ セグメント 拡張されたアドレス セグメント n+m ビット 14

15 (C) メモリの階層構造 ( アクセスの高速化 ) CPU の処理速度に比べると記憶装置へのアクセスにかかる時間は大きいため CPU に待ち時間が生じる ところで プログラムの実行においては ある命令が実行されると その直後あるいはその近辺にある命令がその次に実行される割合が高く また あるデータが参照されるとその次に参照されるデータはその近辺にあることが多い そこで この参照の局所性に着目し 処理速度差の大きい2つのメモリの中間にキャッシュメモリ ( キャッシュ chache memory) と呼ばれる処理速度が中程度のメモリを置き CPU は主記憶装置から ( へ ) 直接データを読み込む ( に書き出す ) のではなく 次に呼び出される確率の高いデータ ( あるいは すでに得られている計算結果 ) をキャッシュに前もって読み込んで ( 書き込んで ) おき CPU はキャッシュとの間でデータの遣り取りをする キャッシュが主記憶装置とデータの遣り取りをする必要が生じるのは キャッシュに読み込まれれているデータの範囲外のデータが必要になったときだけであるので CPU の処理効率が上がる このようなキャッシュメモリは CPU と主記憶装置の間に複数置かれることもある (1 次キャッシュと2 次キャッシュ ) また 主記憶装置と補助記憶装置(2 次記憶装置 外部記憶装置 ) の間や 主記憶装置と入出力装置の間にもキャッシュと類似の役割を果たすバッファ (buffer データを一時的に蓄えておくためのメモリ 緩衝メモリ) と呼ばれる中間記憶装置が置かれる CPU と主記憶装置の間のこのようなメモリの階層をメモリの階層構造という ( 下図参照 メモリ容量や動作速度は2012 年頃のものであり 年々進歩している ) CPU の演算回路に近いほど高速の記憶素子 ( 値段は高い 容量は小 ) が用いられる 高速 主記憶装置内 1ns レジスタ 数 10B 廉価 大容量 数 ns 1 次キャッシュ 8KB~ 数 ns 2 次キャッシュ 64KB~ 数 10ns 主記憶装置 128MB~4GB 数 10ms 補助 (2 次 外部 ) 記憶装置 数 10GB~ 数 100TB 15

16 現在のほとんどのコンピュータで採用されているプログラム内臓方式では プログラム ( 機械語命令の列 ) とそれが使うデータや変数は主記憶装置上に格納されており CPU はそれらを直接読み書きすることができる しかし すでに述べたように 大量のデータを扱う場合にはすべてのデータを主記憶装置上に置いておくことができないので 大容量データは補助記憶装置 (2 次記憶装置 外部記憶装置 ) に記録しておき 必要に応じて主記憶装置上に読み込んで使うという方式がとられる (CPU は補助記憶装置内のデータを直接読み書きすることはできない ) 補助記憶装置としてHDD (hard disk drive) を使うパソコンを例として説明しよう まず CPU がメモリ空間を介して HDD にデータの読み出し命令を出すと HDD 内にあるコントローラーにその読み出し命令が書き込まれ コントローラーはそれに従ってディスク内にある目的のデータを読み出し バッファメモリに蓄える HDD 内のDMAコントローラー (DMA: direct memory access) がそれを主記憶装置に転送してはじめて CPU が目的のデータを読むことができる このような方式を採用することにより CPU に比べて処理速度が圧倒的に遅い補助記憶装置との間のデータの読み書きがプログラム全体の処理を遅らせるのを防ぎ CPU の負荷を軽減する 大型機では DMA コントローラーに入出力制御のための専用プロセッサを付け加えたものをチャネル (channel) と呼ぶ メモリ空間 HDD C コントローラー P U 1 読み出し命令 読み出し命令 2 主 記 5 憶装 目的データ 置 目的データ バッファーメモリ 3 4 目的データ 16