情報科学概論 映像 1 年前期 選択 担当 : 浦谷則好 http://uratani-n.com/info-science/ uratani@cs.t-kougei.ac.jp
前回の課題 コンピュータの歴史について学んだことをできるだけ記せ 将来の PC に備えて欲しい機能, あるいはアプリケーションについて記せ
クラウド上に自分の記憶の保存または他の人の記憶のインストール 人間が見た映像や聴いた音を記録し いつでも表示 再生できるウェアラブル端末 ホログラム投影が可能な端末 ユーザ自身の思考のバックアップ 人間の脳の 2 重化 ( 本来の脳と AI) 3D ペイント ;3D 化機能 AR デバイスにより現実の空間への表示 立体映像と触覚への刺激 自動修復 改善機能
第 12 回 演算装置 制御装置 記憶装置 入出力機器
コンピュータの構成 コンピュータはハードウェア ( 金物 ) とソフトウェア ( 活用のための技術 ) から構成される 現在のコンピュータはすべてプログラム内蔵方式 ( フォン ノイマンが提唱したのでノイマン型とも言われる ) ソフトウェアが実際の動作を決定 ハードウェアは裏方だが基本的な能力を決定!
ハードウェアの構成 コンピュータシステムのハードウェアは4つの装置から構成 中央処理装置 記憶装置 入力装置 出力装置
コンピュータの処理手順 (1) 1 入力装置にデータ 命令が入力され 記憶 装置に伝達 記憶される
コンピュータの処理手順 (2) 2 記憶装置内のデータ 命令は 適切な単位に分割され演算装置に渡される 3 演算装置はデータ 命令を理解し 処理を行い 結果を記憶装置に渡す 4 記憶装置内の処理結果は形式を整えられて出力装置に渡される 5 出力装置は渡された結果を出力する 上記の処理はすべて制御装置の管理 指示のもとに実行される
コンピュータの処理手順 (3) 上述の 1 の処理を細かく記述すると 1-1 入力装置から データ ( または命令 ) が入力された という情報が 制御装置に渡される 1-2 制御装置は入力装置に 入力データを受け止め 記憶装置に転送するように指示を出す 1-3 制御装置は記憶装置に 入力装置から入力データが送られてくるので 必要な箇所に蓄えるように指示を出す
中央処理装置 (CPU:Central Processing Unit) コンピュータの中心 ( 頭脳の部分 ) 演算部と制御部からなる 演算部 ( 演算装置 ) ALU(Arithmetic and Logic Unit) とも言う 算術演算や論理演算を行う 制御部 ( 制御装置 ) プログラムから命令を取り出して解読 各装置に指令を出して制御
演算装置 基本的な働き 四則演算 ( 加減算 乗算 除算 ) 演算結果はレジスタ ( 一時記憶 ) か主メモリに保存 移動 レジスタ間 主メモリ間 レジスタ - 主メモリの情報移動 比較演算 数値や文字列の大小 フラグレジスタに結果を保存 論理演算 論理和 論理積 否定 ( 第 4 回で説明済 )
CPU の動作原理 プログラムと命令 順次処理が基本 機械語 命令コード + オペランド 200~500 種類の命令語 オペランド : 通常はメモリ上のアドレス 命令長 : 命令コード + オペランド の長さ 実行処理 ( 次ページ ) CPUの内部構造 ( 次次ページ )
CPU の実行処理 ( 基本 ) 次のステップを繰り返す (1~ 数クロックで ) 命令フェッチ :CPUがメモリから命令を読み込む デコード : 読み込んだ命令の解読 データフェッチ : メモリからデータの取り込み 実行 : 演算処理の実行 ライトバック : メモリへの結果書き込み 命令によって データフェッチ, 実行, ライトバック のどれか ( あるいはすべて ) がないこともある
CPU の内部構造 ALU: 算術演算や論理演算を行う IR( 命令レジスタ ): 次にデコードする命令を保持 AR( アドレスレジスタ ): メモリから参照するデータ や命令のアドレスを保持 DR( データレジスタ ): 命令やデータを保管 アキュムレータともいう GR( 汎用レジスタ ) PC(Program Counter) CU(Control Unit):CPU 全体の制御 DECODER
パイプライン処理 普通 CPU は命令を 1 つずつ実行 高速化のために考案されたのがパイプライン処理
CPU の種類と特徴 CISC 方式 (Complex Instruction Set Computer) 数多くの命令 プログラムが小さくなる 回路が複雑 Core, Athlon ( 後述 ) RISC 方式 (Reduced Instruction Set Computer) 単純な命令に特化 ( 科学技術計算用 ) 回路が単純 高クロック化が可能 パイプライン処理が容易 超並列スパコンのMPU
PC の CPU の歴史 (1) 1971 年 Intel 社が4004を開発 4bitのCPUで2300 個のトランジスタを集積 1974 年 8080(8bitCPU) を出荷 1978 年 8086(16bitCPU) を出荷 セカンドソースとしてAMD 社が登場 1985 年 i386dx(32bitcpu) を発表 x86アーキテクチャと称され現在でも利用 1989 年 i486dxが登場 浮動小数点演算回路, キャッシュメモリ搭載
PC の CPU の歴史 (2) 高クロック化 1993 年 Pentiumを発表 逓倍機能で 200MHz まで出荷 1997 年 MMXPentium を発表 MMX( マルチメディア対応命令セット ) を搭載 AMD 社が AMD-K5/6 シリーズを開発 セカンドソースが打ち切られたため独自開発 1GHz を達成 (2000 年 3 月 ) AMD 社が Intel 社より 2 日先に発表
PC の CPU の歴史 (3) 64ビット化 2003 年 9 月 AMD 社がAthlon64を出荷 2005 年 2 月 Intel 社がPentium4を出荷 マルチコア化 ( 複数 CPU) 同時に複数の処理が可能に Pentium D 出荷 (2005 年 5 月 ) AMD 社も Athlon64X2 低電力化 Core i7/i5/i3(intel) Phenomシリーズ (AMD)
記憶装置 主記憶装置 RAM(Random Access Memory) DRAM(Dynamic RAM) 大容量化が可能, しかしSRAMより低速 SRAM(Static RAM) 高速だがDRAMより高価, 大容量化が困難 キャッシュメモリとしてよく使用 ROM(Read Only Memory) 読み出し専用, 不揮発性 補助記憶装置 ( 次ページ )
補助記憶装置 データやプログラムを長期的に保存 磁気ディスク装置 HDD, FDD SSD(Solid State Disk) 光ディスク装置 CD-R, CD-RW, DVD 光磁気ディスク装置 (MO) 磁気テープ装置 メモリカード
ハードディスク (HDD) ディスク シリンダ ( 盤 ) トラック ( 円 ) セクタ
RAID HDD システムの構築技術 RAID 0( ストライピング ) データを分割し, 複数ディスクに同時に書き込むことでアクセス時間を短縮 RAID 1( ミラーリング ) 同じデータを同時に 2 台の HDD に書き込む 対障害性が向上 RAID 5 (3 台以上の ) 複数の HDD にデータストライピングとパリティ情報を記録 速度と対障害性が向上
出力装置 ディスプレイ CRTディスプレイ 液晶ディスプレイ プリンタ ドットインパクトプリンタ インクリボンを用紙に打ち付ける方式 インクジェットプリンタ レーザプリンタ 印刷品質は高いが高価
入力装置 (1) 文字入力装置 キーボード 座標入力装置 マウス トラックボール ジョイスティック ディジタイザ ( タブレット ) タッチパネル ( タッチスクリーン )
入力装置 (2) 画像入力装置 OCR(Optical Character Reader) 光学式文字読み取り装置 イメージスキャナ バーコードリーダ POS(Point Of Sales: 販売時点情報管理 ) で広く利用 デジタルカメラ
入力装置 (3) 音入力装置 マイク 音声認識ソフトウェアの入力としての利用が多い マーク入力装置 OMR (Optical Mark Reader) 光学式マークシートリーダ
次回 ( 第 13 回 ) の予定 オペレーティングシステム