1 計 算 機 アーキテクチャ 基 礎 論 11. 出 アーキテクチャ 佐 藤 証 9-613 akashi.satoh@uec.ac.jp
直 接 制 御 方 式 CPUが 出 を 直 接 制 御 する 式 メモリマップトI/O - メインメモリのアドレス 空 間 に 出 装 置 のレジスタを 割 り 当 て, 通 常 の 転 送 命 令 で 制 御 する 式 で 広 く 利 されている - プログラムメモリと 出 装 置 の 空 間 をバンク 切 り 替 えするものもあった I/OマップトI/O - ポートマップトI/Oとも 呼 ばれる - 専 のレジスタを いてIN,OUT 命 令 などの 専 命 令 で 制 御 する - プログラムがメインメモリのすべてのアドレス 空 間 を 使 できるため,メ モリ 空 間 の 狭 かった8ビットや16ビットCPUで 利 された - 現 在 はX86 系 や 制 御 などわずかのCPUにのみ 存 在 メモリマップトI/O I/OマップトI/O 2
関 節 制 御 方 式 ~DMA 出 専 のハードウェアを 意 してCPUの 負 担 を 軽 減 する 式 DMA(Direct Memory Access) - 出 装 置 とメモリ(またはレジ スタ)の 間 のデータ 転 送 をDMAコ ントローラが 直 接 実 CPUが 直 接 実 するとデータ 待 ち の 間, 他 の 処 理 ができない DMAコントローラは 通 常 バスの 制 御 を うバスマスタの 役 割 も 持 つ - バーストモードDMA CPUから 制 御 を 奪 いデータを 気 に 転 送 - サイクルスチールモードDMA CPUがメモリにアクセスしていな い 時 にDMAを なう DMAの 概 念 CPUによるデータ 読 み 込 み DMAコントローラによるデータ 読 み 込 み 3
間 接 制 御 方 式 ~DMA データ 転 送 顔 料 時 にはDMAコントロー ラが 割 り 込 みを 発 ポーリング(poling) - 割 込 みを 発 した 装 置 の 情 報 がCPUに 送 られて こない 場 合 に, 複 数 の 装 置 の 完 了 状 態 を 順 次 確 認 する 法 デイジーチェイン(daisy-chain) - CPUは 割 込 み 受 理 信 号 を 全 ての 装 置 に 出 し, 最 初 に 受 け 取 った 装 置 が 選 択 される - デイジーチェインはIEEE 1394, Thunderbolt, イーサネットでAVやネットワーク 機 器 等 の 接 続 にも いられる 呼 称 daisy chain ポーリング デイジーチェーン 4
間 接 制 御 方 式 ~ 入 出 力 チャネル I/Oチャネルとも 呼 ばれ, 周 辺 機 器 とメモリの 間 のデータのやり とりを 制 御 する 単 純 な 専 CPU(チャネルコントローラ)を 使 い CPUの 負 担 を 軽 減 - チャネルコントローラの 制 御 プログラムをチャネルプログラムと 呼 ぶ セレクタチャネル - つのチャネルプログラムが 終 了 するまで 出 装 置 を 固 定 - ハードディスクなど 速 性 が 要 求 される 処 理 に 使 マルチプレクサチャネル - 複 数 のチャネルと 装 置 を 時 分 割 で 切 り 替 えながら 処 理 - で 椅 プレイなど 速 性 が 要 求 されない 装 置 に 使 5
演 習 問 題 1 1 2 3 4 5 メモリマップドI/Oとはどのような 制 御 式 か 説 明 しなさい.ま た 所 と 短 所 を 述 べなさい. メインメモリのアドレスに, 出 装 置 のレジスタを 割 り 当 てておき, 通 常 の 転 送 命 令 によって 出 を う 式, 所 : 特 別 な 出 の 命 令 を 意 する 必 要 がない. 短 所 :メインメモリの 特 定 領 域 をプログラム 領 域 として 使 できない. 出 制 御 において 直 接 制 御 式 の 特 徴 を 説 明 しなさい. 直 接 制 御 式 は,CPUの 負 担 は きいがハードウェアは 簡 単 になる. 出 制 御 において 間 接 制 御 式 の 所 を 説 明 しなさい. 出 制 御 を 他 のハードウェアが 担 当 するのでCPUの 負 担 が 軽 くなる. DMAにおいて 割 り 込 みを 使 する 理 由 を 説 明 しなさい. 割 込 みによってCPUにデータ 転 送 が 完 了 したことを 知 らせることで, CPUはそれまで 別 の 処 理 を うことができる. 間 接 制 御 式 においてデータ 転 送 が 完 了 した 複 数 の 出 装 置 の うち,いずれか1 台 のみを 特 定 できれば 良 い 時 に 使 する 法 の 名 称 を2つ 挙 げ,それらの 特 徴 を 説 明 しなさい. ポーリング:ハードウェアは 簡 単 だが 処 理 時 間 は 遅 い デイジーチェーン:ハードウェアは 較 的 簡 単 であり, 処 理 時 間 は 速 い. また,CPUに 近 い 装 置 が 選 択 される. 6
入 出 力 インタフェース RS-232C SATA IDE PCMCIA card IEEE 1394 SCSI IEEE 1284 PCI Express x1/x4/16 IrDA USB 名 称 主 途 転 送 速 度 RS-232C シリアル 通 信, 計 測 器 制 御 115 kbps IEEE 1284 プリンタ, セントロニクス 規 格 2 Mbps IDE パラレル 通 信, CD-ROM, HDD, ATA, ATAPI 133 Mbps SATA 3 シリアル 通 信, HDD 6 Gbps PCMCIA ノートPC, PCカード 1 Gbps PCI Express PC 0.5~8 Gbps IEEE 1394 マルチメディア 800 Mbps SCSI 3 PC, デイジーチェーン 接 続 1.28 Mbps USB 3.0 PC 4.8 Gbps IrDA DATA1.4 外 線 通 信 16 Mbps Bloothooth 3.0 無 線 24 Mbps 7
マトリクス 状 に 配 線 した キーの 向 に 電 流 を 流 し 電 流 の 有 無 を 検 出 して 押 さ れているキーを 検 出 キーボード http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/1303/ 8
マウス ディスプレイ 上 のポインタの 移 動 にボールを 内 蔵 した 機 械 式 からLEDを 使 した 光 学 式 へと 進 化 機 械 式 はボールの 動 きに 従 って 回 転 するロータリーエンコー ダでXY 向 の 移 動 距 離 と 向 を 検 出 LED 式 は 反 射 光 の 映 像 を 処 理 して 移 動 距 離 と 向 を 検 出 レーザーを いた 光 学 式 は 精 度 が 向 上 し, 光 沢 の 素 材 や 透 明 なガラ ス 上 でも 傷 やホコリを 読 み 取 り 操 作 が 可 能 に 機 械 式 マウス 光 学 式 マウス 9
各 種 ポインティングデバイス トラックボール IBMのトラックポイント サンワのリングマウス レーザーポインタマウス PS4 Dual Shock 4 念 マウス Neural Impulse Actuator 10
CRTディスプレイ CRT(Cathode-Ray Tube):ブラウン 管 - 1887 年 ドイツの 物 理 学 者 Braunがオシロスコープを 発 明 - 電 銃 から 発 射 された 電 ビームがCRTの 表 塗 られ た 蛍 光 体 に 当 たるとその 点 が 光 る - 偏 向 ヨークコイルで 磁 界 を 発 して 電 ビームの 進 向 を 速 に 制 御 して 画 像 を 表 - カラーCRTは やすき 間 が 空 いたマスクを 通 して3 本 の 電 ビームそれぞれ, 緑, の3 原 の 蛍 光 体 に 照 射 Karl Ferdinand Braun (1850-1918) SONYのトリニトロン 式 11
液 晶 ディスプレイ 液 晶 (Liquid Crystal) - 1888 年 にオーストリアの 植 物 学 者 Reintzerが 発 した 固 体 と 液 体 の 中 間 に ある 物 質 の 状 態 - 1963 年 に RCA 社 のWilliamsは 液 晶 に 電 気 的 な 刺 激 を 与 えると 光 の 通 り が 変 わることを 発 - 1968 年 に 同 社 のHelmeierらが 液 晶 表 装 置 を 作 成 - 1973 年 にシャープが 電 卓 で 初 め て 商 化 に 成 功 - 1976 年 に 英 Hull 学 のGrayは 現 在 のLCD 材 料 となるビフェニー ル 系 の 安 定 な 液 晶 材 料 を 発 Friedrich Richard Reinitzer (1857-1927) Richard Williams (1927-) George Harry Heilmeier (1923-) 液 晶 の 顕 微 鏡 写 真 George William Gray (1926-2013) 12
液 晶 ディスプレイ 液 晶 ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display) - 液 晶 に 電 圧 を 加 えて 通 過 する 光 の 偏 波 向 が 変 化 することを 利 - 蛍 光 灯 やLEDなどのバックライトが 必 要 - カラーを 実 現 するためにカラーフィルタを いる - スイッチに 薄 膜 トランジスタを 利 して 制 御 を うTFT(Thin Film Transistor) 式 が 主 流 13
液 晶 ディスプレイ 平 常 時 - 液 晶 層 は 向 が 異 なる2つの 配 光 膜 に 挟 まれ 分 が90 度 ね じれた 状 態 - 偏 光 板 で 光 の 平 振 動 成 分 だけが 液 晶 層 に り, 液 晶 分 のねじれに 合 わせて90 度 回 転 して 垂 直 振 動 とな り 出 の 偏 光 板 を 透 過 加 電 圧 時 - 液 晶 分 が 垂 直 に ち 上 がり, 光 の 振 動 向 は 変 化 せず 出 側 の 偏 光 板 でさえぎられる 電 圧 をかけない 平 常 時 ( 表 ) 電 圧 をかけたとき( 表 ) 14
単 純 マトリクス 駆 動 式 - 格 状 配 線 の 縦 横 にタイ ミングを 合 わせ 電 流 を 流 して 交 差 点 の 画 素 を 点 灯 - 画 素 が 多 くなると1 画 素 に 電 圧 が 印 加 される 時 間 は 短 くなる - XとYの でも 選 択 さ れると 周 辺 画 素 に 弱 い 電 圧 加 わりノイズが 出 る - 各 画 素 に アクティブ 素 の 薄 膜 トランジスタ を 付 け 確 実 に 点 灯 させる - 現 在 のLCDの 主 流 液 晶 ディスプレイ アクティブマトリクス 駆 動 式 http://www.sharp.co.jp/products/lcd/tech/index.html 15
有 機 ELディスプレイ 有 機 ELディスプレイ(Organic Electro-Luminescence Display) - 物 質 が 電 気 的 な 刺 激 を 受 けて 発 光 するEL 現 象 を 起 こす 有 機 素 材 を 薄 い 層 状 に して 透 明 な 基 板 ではさみ 電 圧 で 制 御 所 - 有 機 EL が 発 光 しバックライトが 不 要 なため 低 消 費 電 で 薄 い - プラスチックなどの 材 料 を 基 板 にして 折 ることも 可 能 - コントラスト が100 万 :1 以 上 と い( 液 晶 は500:1 程 度 ) - 視 野 はほぼ180 度 でどの 度 から ても 画 質 が 変 化 しない - 応 答 速 度 が 液 晶 よりも 速 い 短 所 - 寿 命 が 約 1 万 5 千 ~3 万 時 間 と 短 い( 液 晶 は 約 6 万 時 間 ) - 同 じパターンを 表 し 続 けると 焼 き 付 き が じる - 現 在 は20インチ 以 上 の 型 化 が 困 難 - 酸 や 湿 気 に 弱 い https://www.sony.jp/oel/technology/index.html 16
タッチパネル 17
タッチパネル ~ 抵 抗 膜 方 式 抵 抗 膜 式 - 最 も 広 く 採 され[ 感 圧 式 ]や[アナログ 抵 抗 膜 式 ]とも 呼 ばれる - スマートフォン, カーナビ,ニンテンドーDSなど 型 から 中 型 - 表 を 押 すとフィルム 側 とガラス 側 の 電 極 同 が 接 触 して 電 流 が 流 れ, その 電 圧 変 動 を 検 出 - 構 造 が 単 純 で 低 コスト, 消 費 電 が 低 くホコリや 滴 に 強 い - 袋 をした 状 態 でも が 可 能 - フィルムと2 枚 の 導 電 層 により 画 質 が 低 下 - 耐 久 性 や 耐 衝 撃 性 が 較 的 低 く, きい 画 サイズほど 検 出 精 度 が 低 い http://www.itmedia.co.jp/pcuser/articles/1009/27/news004.html 18
タッチパネル ~ 表 面 静 電 容 量 方 式 静 電 容 量 式 - 抵 抗 膜 式 の 次 に 採 が 多 く[アナログ 容 量 結 合 式 ]とも 呼 ばれる - 指 で 触 れたときの 微 弱 電 流 ( 静 電 容 量 の 変 化 )を 検 知 - 表 型 と 投 影 型 の2 種 類 がり, 抵 抗 膜 式 に べて 透 過 率 が いが 専 ペンが 必 要 で 袋 をして 操 作 ができない 表 型 静 電 容 量 式 - 表 型 はガラ ス 基 板 の4 隅 の 電 極 でパネル 全 体 に 均 な 電 界 を 発 させ 指 が 触 れた 際 の 静 電 容 量 の 変 化 をパネル4 隅 で 測 定 - 較 的 型 のパネルで 使 われる - 構 造 がシンプルで 低 コストだが,2 点 以 上 の 接 触 の 検 知 が 構 造 上 困 難 19
タッチパネル ~ 投 影 型 静 電 容 量 方 式 投 影 型 静 電 容 量 式 - 表 型 より さな,ニンテンドー3DSやiPhone/iPod touch/ipad 等 で 採 - 指 を 近 づけると 複 数 の 電 極 間 の 静 電 容 量 が 同 時 に 変 化 し, 電 流 量 の 率 を 測 定 することで 速 応 答 で 精 度 なマルチタッチ 操 作 を 実 現 - スマートフォンなどに 使 われる ITO(Indium Tin Oxide)エッチング 式 は 型 化 で 抵 抗 値 が くなりノイズが 増 えるため 画 には 不 向 き - 型 タッチパネルでは 極 細 の 電 線 を 格 状 に 並 べる センサーワイヤー 式 は 抵 抗 値 が さく 感 度 だがITOエッチング 式 より 量 産 性 が 低 い 20
タッチパネル ~ 超 音 波 表 面 弾 性 波 方 式 超 波 表 弾 性 波 (Surface Acoustic Wave) 式 - ガラス 基 板 の 隅 に 配 置 した 複 数 の 発 信 からパネル 表 に 超 波 表 弾 性 波 を 出 して 向 かい 側 の 受 信 で 指 に 吸 収 されて 弱 まる 波 を 検 出 する - POS, ATM, KIOSK 端 末 などの 公 共 スペースでも 広 く 使 われる - フィルムや 透 明 電 極 を 張 り 付 けないため 透 過 率 が く, 表 ガラスに よって い 耐 久 性 が 確 保 でき, 傷 があっても 操 作 の 検 出 が 可 能 - 経 時 変 化 や 位 置 ズレが 発 せず い 安 定 性 と 寿 命 が 得 られる - 超 波 表 弾 性 波 を 吸 収 できる 指 や 柔 らかいものでなければ 動 作 しない - パネル 上 に 付 いた 滴 や さな などの 異 物 にも 反 応 してしまう 21
タッチパネル ~ 光 学 方 式 光 学 式 ( 外 線 光 学 イメージング 式 ) - パネル 上 辺 の 左 右 端 に 外 線 LEDとイメージセンサを 配 置 し, 左 / 右 / 下 辺 に 光 を 射 向 に 反 射 させる 再 帰 反 射 テープを 張 り 付 け, 指 などで 遮 光 された 影 をイメージセンサーがとらえて 三 測 量 で 座 標 を 求 める - 超 波 表 弾 性 波 式 と 同 様 に 透 過 率 が く 遮 光 物 の 種 類 によらずマル チタッチ 操 作 もサポート 可 能 - 型 化 が 容 易 で 耐 久 性 が い - イメージセンサーを 表 領 域 の 外 側 に 設 けることからフレーム 部 が 厚 く なり,また 検 出 精 度 が 外 光 の 影 響 を 受 けやすい 22
タッチパネル ~ 電 磁 誘 導 方 式 戦 時 誘 導 式 - 磁 界 を 発 する 専 ペンで 画 をタッチし,パネル 側 のセンサーが 電 磁 エネルギーを 受 け 取 って 位 置 を 検 出 - 本 来 ディスプレイを 搭 載 しないペンタブレットの 式 だが,センサ 部 を 液 晶 パネルに 統 合 して 精 度 のタッチパネルを 実 現 - ペンの 筆 圧 ( 静 電 容 量 )を 細 かく 検 知 して 線 の 太 さを 滑 らかに 変 えるなど 検 出 精 度 が く, 画 の 透 過 率 や 耐 久 性 も い - には 専 ペンが 必 要 で 指 では 操 作 できない - ペンを 使 うタブレットPCやプリクラ 等 で 利 http://komugi.net/archives/2012/03/28222519 GALAXY Note SC-05D 23
タッチパネル 検 出 式 抵 抗 膜 静 電 容 量 超 波 外 線 電 磁 誘 導 光 透 過 率 指 でのタッチ 袋 でのタッチ ペンでのタッチ ( 専 用 ペン) ( 素 材 による) ( 素 材 による) ( 専 用 ペン) 耐 久 性 耐 滴 コスト 24
インクジェットプリンタ ピエゾ 素 によって じた 圧 でイ ンク 粒 をインク 室 から 噴 射 帯 電 電 極 を 通 過 したインク 粒 は 偏 向 電 極 で 紙 上 の 任 意 の 位 置 に 到 達 ピエゾ 素 の 代 わりにヒータの 加 熱 で 発 する 気 泡 の 圧 を いる 電 気 熱 変 換 式 もある 染 料 プリンターはインクを 紙 の 表 に 染 み 込 ませ, 顔 料 プリンターは インクを 紙 の 表 に 付 着 させる 染 料 顔 料 25
レーザープリンタ コピー 機 と 同 じ 原 理 で 次 のように 印 刷 を う 1 帯 電 ローラで 感 光 ドラムに 負 の 静 電 気 を 与 える 2 感 光 ドラムに 印 刷 パターンのレーザー 光 を 照 射 して 照 射 部 の 静 電 気 を 除 去 3 粉 末 インクのトナーを 負 に 帯 電 させて 感 光 ドラムに 近 づけ, 負 に 帯 電 した 部 分 にだけ 付 着 させる 4 紙 を 感 光 ドラムに 密 着 させて 転 写 ローラ 側 から 正 の 電 荷 をかけて,ト ナーを 紙 に 移 す 5 定 着 ローラで 紙 を 熱 しながら 加 圧 してトナーを 固 定 6 クリーニングブレードで 感 光 ドラムに 残 るトナーを 除 去 26
レーザープリンタ カラー 印 刷 はCMYK 各 に 対 してモノクロと 同 様 の 作 業 を う ローター 式 中 間 転 写 式 タンデム 式 http://www.safety-plan.co.jp/mechanism.html 27
3Dプリンタ ~メーカー 3D systems 社 - HillはUVライトが 机 のコーティング 剤 を 固 化 することに 着 して,3Dプリンタの 基 本 技 術 Stereolithography の 特 許 を1986 年 に 取 得 し,3D Systems 社 を 設 Stratasys 社 - 1988 年 に 特 許 を 取 得 した 熱 溶 解 積 層 法 技 術 を 元 に 様 々 な3 次 元 造 形 機 3Dプリンタを 販 売 - 2012 年 にイスラエルの 3DプリンタメーカーObjet 社 (インクジェット 紫 外 線 硬 化 式 )と 合 併 - 2013 年 に 個 向 けの 低 価 格 3Dプリンタメーカー MakerBot 社 を 買 収 - 熱 溶 解 積 層 式 は 装 置 が 較 的 安 価 で 操 作 が 簡 便 だが 原 理 的 に1mm 以 下 の 細 線 描 画 が 困 難 Charles W Hill (1939-) 2012 年 28
3Dプリンタ ~ 熱 溶 解 積 層 方 式 http://ggsoku.com/2013/02/3dprinter-dream/ 29
3Dプリンタ ~ 光 造 形 方 式 30
3Dプリンタ ~ 特 徴 1 形 状 の 複 雑 度 によらず 製 作 時 間 が 定 2 機 械 設 備 を 変 えずに 様 々なオブジェクトを 製 造 3 労 働 者 の 組 程 不 要 で 複 雑 な 部 品 が 製 作 可 能 4 リードタイムがゼロもしくは 限 りなく さい 5 形 状 に 制 約 がなく 任 意 のデザインが 可 能 6 製 造 のスキルが 不 要 7 コンパクトで 移 動 が 可 能 8 製 造 時 の 廃 材 が 少 なく 従 来 の 製 造 より 省 エネ 9 素 材 の 合 いは 無 限 10 オリジナルの 正 確 な 複 製 が 可 能 ボンドカーAston Martine マイクロF1カー 試 作 フィギュア Iris Van Hopen 膚 マシンガンAR-25 芸 術 31
3Dプリンタ ~ 代 表 的 な 機 種 32
3Dプリンタ ~ 市 場 2012 年 2012 年 33
様 々な 入 力 センサデバイス GPS ステレオ 画 像 (KINEXT) 声 (ヘッドセット) カメラ 照 度 センサ 外 線 加 速 度 (Wii リモコン) 湾 曲 (データグローブ) モーションキャプチャ 圧 (Wii Fit) 34
VR/AR/MR VR(Virtual Reality: 仮 想 現 実 ) - CGなどの 仮 想 現 実 世 界 を 体 験 - 航 空 機 の 操 縦, 術, 介 護 住 宅 シミュレータ, etc AR(Augmented Reality: 拡 張 現 実 ) - ユーザが ている 実 世 界 をデバイスを 通 じて ると 仮 想 現 実 の 情 報 が 重 なって( 拡 張 されて) 表 される MR(Mixed Reality: 複 合 現 実 ) - 仮 想 空 間 を 現 実 空 間 に 反 映 し(AR)し 違 和 感 なく 体 験 (VR)するこ とを 指 す 技 術 (VR+AR) - ヘッドマウントディスプレイやGoogle Glass 等 を 利 術 シミュレーション セカイカメラ Google Glass 35
http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html 36