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1 コンピュータアーキテクチャ 第 11 週 制御アーキテクチャ メモリの仕組 2013 年 12 月 4 日 金岡晃

2 授業計画 第 1 週 (9/25) 第 2 週 (10/2) 第 3 週 (10/9) 第 4 週 (10/16) 第 5 週 (10/23) 第 6 週 (10/30) 第 7 週 (11/6) 授業概要 2 進数表現 論理回路の復習 2 進演算 ( 数の表現 ) 演算アーキテクチャ ( 演算アルゴリズムと回路 ) 休講 休講 ノイマン型コンピュータ 命令とは 命令の使い方 命令セットアーキテクチャ ( 命令の表現 命令の実行の仕組 ) 第 8 週 (11/13) 第 9 週 (11/20) 第 10 週 (11/27) 第 11 週 (12/4) 第 12 週 (12/11) 第 13 週 (12/18) 第 14 週 (1/8) 第 15 週 (1/17) 中間試験 休講 ハーバードアーキテクチャ RISC と CISC 制御アーキテクチャ メモリの仕組 キャッシュメモリと仮想メモリ 割込みアーキテクチャ パイプライン 1/22-2/8 期末試験 入出力アーキテクチャ まとめ 1

3 コンピュータアーキテクチャ 復習 第 10 週ハーバードアーキテクチャ RISC と CISC 制御アーキテクチャ 2

4 本日の到達目標と概要 到達目標 命令セットやメモリ構造の違いによるコンピュータの種類について理解する 概要 ハーバードアーキテクチャ RISC と CISC 3

5 ハーバードアーキテクチャ ハーバードアーキテクチャの特徴 命令とデータを格納するメモリを個別に用意 非ノイマン型コンピュータ 広義のノイマン型コンピュータとも プログラム可変内蔵方式 逐次処理 ノイマン型アーキテクチャ CPU メインメモリ ハーバードアーキテクチャ CPU 命令メモリ データメモリ 現在のコンピュータ CPU 命令用キャッシュメモリ データ用キャッシュメモリ メインメモリ 4

6 ハーバードアーキテクチャの例 マイクロチップテクノロジー社の制御用マイコン PIC(Peripheral Interface Controller) PIC16F84A 教科書 P.36 の表 4.1 PIC16F84A のピン 参照 5

7 PIC16F84A のアーキテクチャ プログラムメモリ ( フラッシュ ROM) 命令レジスタ プログラムカウンタ スタック ファイルレジスタ (RAM) アドレス選択 データメモリ (EEPROM) FSR デコード 制御 タイミング発生 OSC1, OSC2 6 MCLR パワーアップタイマ クロックスタートアップタイマ パワーオンリセット ウオッチドッグタイマ Vpp, Vss W 選択 STATUS ALU I/O ポート タイマ RA4/T0CKI RA0-3 RB0-7

8 RISC と CISC RISC (Reduced Instruction Set Computer) 縮小命令セットコンピュータ 簡単な命令セットだけを用意することでコンピュータの構成を簡単化し 高速化は開発期間の短縮を実現 複雑な処理では多くの命令を組み合わせる必要が生じる CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC が提案された後 これまでの命令セットコンピュータを複雑命令セットコンピュータ (CISC) と呼ぶようになった 7

9 CISC の実例 :H8 マイコン H8/3052F の外観 H8/300HCPU の命令セットは教科書 P.38 の表 4.3 を参照 77 個の命令数 350 を超える命令の記述法 OP のみ OP H8/300HCPU の命令形式 OP とレジスタ OP とレジスタ EA 拡張 OP と CC EA 拡張 OP Rn Rm OP Rn Rm EA OP CC EA 8

10 RISC の実例 :PIC16F84A PIC16F84A の外観 PIC16F84A の命令セットは教科書 P.39 の表 4.4 を参照 35 個の命令数 命令長は 14 ビットで固定 OP のみ OP PIC16F84A の命令形式 OP と d, f OP と b, f OP d f OP b f OP と k OP k 9

11 コンピュータアーキテクチャ 第 11 週制御アーキテクチャ メモリの仕組み 10

12 コンピュータの制御 制御の流れ メインメモリ ( 主記憶装置 ) に格納されている命令を CPU 内の命令レジスタに取り出した後 デコーダで解読する デコーダから出力されるデコード情報は ALU( 算術論理演算装置 ) や PC( プログラムカウンタ ) 汎用レジスタなどに与えられる デコード情報をどのようにして処理して制御を実現するか 制御アーキテクチャ ワイヤードロジック制御 (Wired Logic Control) 布線論理制御方式 または配線論理制御方式とも マイクロプログラム制御 (Micro-programmed Control) 11

13 ワイヤードロジック制御 デコード情報を配線によって直接的に ALU や PC 汎用レジスタなどに与える方法 モデル 図 6.3 貼る セレクタの動作 表 6.1 作る レジスタの動作 表 6.2 作る 各機能の動作 表 6.3 作る 命令セットの構成例 表 6.4 貼る 12

14 ワイヤードロジック制御 デコード情報を配線によって直接的に ALU や PC 汎用レジスタなどに与える方法 セレクタの動作 入力 出力 S1 S0 Y 0 0 レジスタA 0 1 オールゼロ 1 0 入力ポート 1 1 オールゼロ レジスタの動作 モデル 制御信号 動作 0 ロード ( データを読み取る ) 1 PC は +1 ( カウントアップ ) A 出力は ラッチ ( データの保持 ) 13

15 ワイヤードロジック制御 各機能の動作 機能 PC レジスタ A 出力レジスタ F 命令レジスタ メインメモリ デコーダ FA セレクタ 動作 クロック信号に同期して動作する順序回路 入力の変化に応じて出力も変化する組合せ 入力ポートスイッチ ( ラッチ機能あり ) 出力ポート LED( ラッチ機能なし ) 14

16 ワイヤードロジック制御 命令セットの構成例 15

17 命令実行時の動作 :LD 命令 LD 命令時のデコーダ入出力 LD 命令実行時の動作 16

18 命令実行時の動作 :JPF 命令 JPF 命令時のデコーダ入出力 JPF 命令実行時の動作 17

19 マイクロプログラム制御方式 メインメモリに格納されている命令 ( マクロ命令 ) の実行は 制御メモリ (CS:Control Storage または CM: Control Memory) と呼ばれるメモリに格納されているマイクロプログラム ( マイクロ命令の集合 ) によって処理される 18

20 マイクロプログラム制御方式 マイクロ命令の方式 水平型 各ビットがそのまま制御信号 デコーダ必要としない っ垂直型 1 語あたりのビット幅は短く手良い マイクロプログラムのステップ数は長くなる 19

21 メモリ装置の機能と分類 メモリ装置の機能 データをメモリ媒体に格納して保持する ( 書き込む Write) 機能 メモリ媒体に格納されているデータを取り出す ( 読み取る :Read) 機能 メモリ装置にアクセス (Access) する : メモリ装置を用いてデータの書き込みや読み取り操作を行うこと メモリ装置の分類 主記憶装置 / 補助記憶装置 メモリ媒体の種類 半導体 磁性材料 揮発性 / 不揮発性 可搬性 RAM(Random Access Memory)/ROM (Read Only Memory) アクセス方式 シーケンシャル ( 順次 ) アクセス (Sequential Access) ランダム ( 直接 ) アクセス (Random Access) 20

22 メモリ装置の階層 21

23 IC メモリ IC メモリの分類 22

24 RAM スタティック RAM(SRAM:Static RAM) 電源を投入していれば記憶内容を保持可能 種類 バイポーラ (Bipolar) 型 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 型 ダイナミック RAM(DRAM:Dynamic RAM) 電源を納入していても一定時間を過ぎると記憶内容が消失してしまう 再書き込み操作 ( リフレッシュ Refresh) が必要 種類 SDRAM(Synchronous DRAM) DDR SDRAM(Dual Data Rate SDRAM) 23

25 MOS 型 SRAM MOS 型 SRAM の 1 セル (1 ビット分 ) の基本構造 FET(Field Effect Transistor) ゲート電位が 0 のときは非導通 1 のときは導通 24

26 MOS 型 DRAM MOS 型 DRAM の 1 セル (1 ビット分 ) の基本構造 25

27 ROM EEPROM(Erasable Programmable ROM) EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) フラッシュメモリ フラッシュメモリの原理 26

28 補助記憶装置 : ハードディスク装置 磁性体を塗布した硬質 (Hard) の円盤 (Disk) を高速で回転させてデータの読み書きを行う データを読み書きする原理 27

29 ハードディスク装置の機械的な動作時間 平均位置決め時間 (Seek Time) ヘッドが目的のトラック上へ移動するのに要する平均時間 平均回転待ち時間 (Search Time) アクセス対象の領域がヘッド下部に到達するまでの平均回転待ち時間 60 平均回転待ち時間 s = 回転数 min

30 補助記憶装置 : 光ディスク装置 レーザ光を用いてデータにアクセスする補助記憶装置の総称 CD(Compact Disc) 装置 CD-ROM CD-R(CD-Recordable) CD-RW(CD-rewritable) DVD(Digital Versatile Disc) 装置 DVD-ROM DVD-R DVD-RW DVD+R DVD+RW などの規格 BD(Blu-ray Disc) 装置 29

31 補助記憶装置 : 光ディスク装置 光ディスク装置の比較 30

32 本日の到達目標と概要 到達目標 概要 コンピュータの内部構造の 1 つである制御アーキテクチャを理解する メモリの種類や構造を理解する 制御アーキテクチャ メモリの機能と種類 IC メモリ 補助記憶装置 31