コンピュータ・アーキテクチュア（第３講）

　※以下で説明するのは、2008年ころまでのコンピュータの基本構造です。

　それ以降、コンピュータは「高速化」から「並列化」への方向に向いてきますが、まずは、初期のコンピュータの構造から勉強します。

下の写真は、最新鋭CPU　Xeon phi Knights landing  です。

　ＣＰＵは、半導体の板の上に、様々な回路を構成して、コンピュータの中心となる、演算、制御を行うために作られた部品です。
　この装置は、極めて細い回線と、複雑な回路で成り立つ装置で、「ダイ」と呼ばれ、大きさは、大体、１ｃｍ角程度なのですが、そのままですと、マザーボードなどに接続することが出来ませんので、何回りか大きい、パッケージに収められ、接続のピンが多数接続されています。

　この「ダイ」の上には、様々な役割を行う回路が組まれています。（製造方法の説明は、別の機会に譲ります。）
　次に、その、様々な役割をする部分を大きく分類した図を示します。これは、実際の回路を、電子顕微鏡で撮影し、わかりやすいように、色づけ工夫したもので、当然、肉眼で見ても分かりませんし、このような色をしている分けではありません。




　上記の図面の各部分は、それぞれに、各種の働きを持っています。
　なお、以下に論理的なつながりを示した図を書きましたが、必ずしも、この配置どおりに並んでいるわけではありません。

以下の説明は、上の図面の順序と異なりますが、信号の流れをたどって説明していきます。

■バスインタフェースユニット
　ＣＰＵが、外部から命令やデータを読み込んだり、結果を外部に出力したりするためには、その間をつなぐ装置が必要です。そのような装置を、インタフェース回路と呼びます。
　また、多数の信号線で装置の間をつなぐ信号線を「乗り合いバス」にたとえて「バス」と呼びます。

■キャッシュメモリ
　プログラムやデータなどを、ある程度まとまってＣＰＵ外のメモリから読み込み、ＣＰＵ内にためておくことで、高速なメモリアクセスを可能とするための装置。

■フェッチユニット
　読み込んだ命令を少しの間、ためておく場所。最近のＣＰＵは、効率的な命令の実行のために、あらかじめ少し先まで命令を読み込んでおくように作られている。その命令をためておくのが、この部分。

■デコーダ
　読み込んだ命令が、どういう意味なのかを、解釈する部分。ここから、データを、制御ユニットに送ったり、演算ユニットに送ったりする。

■制御ユニット
　読み込んだ命令に従って、どこの回路を、どのように動かすかを制御する部分。

■整数演算ユニット、浮動小数点演算ユニット（ＡＬＵ）
　数値計算をする部分。コンピュータでは、整数だけを扱う場合と小数も含めて扱い場合（浮動小数点演算という）とでは、計算の仕方が、全然ちがうので、２つの演算は、別の回路が組んである。




　現在主流のCPU　CORE　ｉ７　の写真
（http://ascii.jp/elem/000/000/191/191603/　より）








http://pc.watch.impress.co.jp/docs/topic/feature/20130903_613772.html






　次に、ＣＰＵの内部構造を、動作のブロックのつながりが分かるように、解説します。

　ここで、いくつかの専門用語が現れます。ＣＰＵ内部で一時的にデータを蓄える装置のことを「レジスタ」と言います。

　また、ＣＰＵと、周辺の装置をつなぐデータの信号線の事を「バス」といいます。「バス」には、どこからデータを持ってくるかを指定する「アドレスバス」と、計算するデータを持ってくる「データバス」があります。（ＣＰＵによっては、これが、同一の信号線になっているものもあります。）





■アドレスレジスタ
　ＣＰＵが命令やデータをメモリから持ってくるためには、メモリのどの場所から持ってくるかを指定しなければなりません。この場所を「アドレス」と呼びます。次に、実行する命令がどこにあるのか、次に計算するデータがどこにあるのかをしめすのが、「アドレスレジスタ」です。

■データレジスタ
　ＣＰＵが持ってきたデータを、内部に一時的に記憶する場所です。ここにあるデータを演算して結果を出します。

■ＡＬＵ（数値・論理演算機）
　データの加減乗除など、ＣＰＵの中心となる計算を行う部分です。上記の図では、妙な形に見えますが、上から２つのデータを入れて、下から一つのデータを出す、（　１＋２＝３　のような演算です。）という意味を形で分かりやすくしたものです。（実際にこのような形をしている分けではありません。
　数値として、整数だけを扱うものと、浮動小数点を行うものがあります。（浮動小数点の意味は、自分で調べること。）

■内部通信レジスタ
　ＣＰＵ内部で演算するためのデータやアドレスなど、外部と内部を通信するときに、一時的にデータを蓄える役割をする記憶装置です。

■命令キュー
　読み込んだ命令を、先読みして一時的に保存しておく場所です。

■制御ユニット
　命令に従って、ＣＰＵの各部分に、どのような動作をするかを指示する場所です。

■第３回目（１０月１７日）の課題

　本日は、以下の課題について、インターネットで調べ、メールで報告して下さい。これが、出席点となります。

　宛先 fujiki.kougei@gmail.com
　タイトル　arch3

　なお、メールの先頭に学生番号と氏名を記入すること。

　課題１：
　ＣＰＵ内部で、数値演算を行う部分をなんと呼ぶか。

　課題２：
　浮動小数点、とは、どのような、数値の表現法か、２〜３行で説明しなさい。

　課題３：
　ＣＰＵの動作速度は、ＭＨｚまたは、ＧＨｚで表されることが多い。１クロックで、１命令を実行できるとすると、２ＧＨｚで動作するＣＰＵでは、１秒に、何命令を実行できるか。

　課題４：
　デコードとは、どのような働きのことか、２〜３行で説明しなさい。

　課題５：
　メモリにも、いろいろな種類の、ものがある。ＤＤＲ３メモリとは、どのようなメモリか、説明しなさい。