コンピュータ・アーキテクチュア第５回

　後半には、CPU動作を理解するために必要な　２進数、１６進数の基礎や、命令の実行フロー、簡単な命令が、どのような論理回路で構成されているか、などを掲げてありますので、適宜参照します。



第４世代ｃｏｒｅアーキテクチュア（2013年）　ｉ７
http://www.nikkei.com/article/DGXNASFK0402N_U3A600C1000000/




ｃｏｒｅ　ｉ７　の構造
http://www.pasonisan.com/column/pc_cpu/09_1018_04cpu_corei7_800.html

Core i7、Core i5を理解する：まずは基礎知識

ＨＴテクノロジーとは、

CPUのまとめ

Core 2 Duoの特徴
Core 2 Quadの特徴
Core i7-900シリーズの特徴
Core i7-800シリーズの特徴
Core i5-700シリーズの特徴
今後（2010年）登場予定とされるCore i3とCore i9 　（実際には、i9は出されていない）

CPUの構造などについての教材を書いてある人のページリンク
http://www.way-on.com.tw/PCbasal/kiso/cpu6.htm

http://www.takenet.or.jp/~ichirou/shittakaburi/c/language/program.html

http://www.calvadoshof.com/Advocate/2007No03.html

４コアCPU（2006年）
http://pcnomori.blog.fc2.com/blog-entry-139.html

私のページと似ている（鹿児島大学）
http://www.ibe.kagoshima-u.ac.jp/edu/expI/theme13/

AMD２０１３年のロードマップ（読みこなしの練習に使える）
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/kaigai/20121121_574241.html

AMD　CPUの構造
http://pc.nikkeibp.co.jp/article/news/20121002/1065306/?SS=imgview_sp&FD=-652795730

i5　内部構造の記事（２０１０）
http://news.mynavi.jp/special/2010/clarkdale/index.html

CPU　と　GPU　　
http://ja.wikipedia.org/wiki/Graphics_Processing_Unit

PC用語いろいろ解説　DDR3など
http://kakaku.com/magazine/062/p01.html

X86-64アーキテクチュア（分岐予測）（2002年）
http://news.mynavi.jp/news/2002/06/27/10.html

　以下の問に答えて、メールを提出してください。

タイトル　　arch500　　　　　　　宛先　fujiki.kougei@gmail.com
(先週勘違いして、　arch5 で出してもらったため、上記のような番号とします。)
（１）　CPUの型番、　Core　i7　にも、　i7 - xxxx
　のように、、型番に　xxxx　のような数字がついている。この数字は何を意味するものか。
（２）　キャッシュメモリには、L1,L2,L3等があるが、どのような役割をするものか説明しなさい。
（２）　GPUとは何か
（３）　３２ｎｍプロセス、などの、ナノメートルは、何の大きさを示すものか

コンピュータを使うときには、２進数、１６進数を使用します。もうおなじみだと思いますが、念のため掲げておきます。

１０進数　−　２進数　−　１６進数　対応表

　CPUは、メモリ上に格納されたプログラムを読み込み、解釈して、計算を行います。
　計算は、２進数で行われます。
　一度に行う計算のビット数により、
　8bit
?16bit
?32bit
?64bit

などの種類があり、現在は、ほぼ64bit のものが使われていますが、最初の実用化されたCPUは、８ｂｉｔはおろか、４ｂｉｔのものでした。それからどんどんと発達し、今のようなものとなっていますが、用途によっては８ｂｉｔCPUが使われているものもあります。（マイコン内蔵の洗濯機、といったものは、処理することが簡単なので、使われています。）

　６４BitCPUの動作の仕組みも、基本的には８ｂｉｔCPUから発展してきたものであり、いきなり６４bitの解説をするのは、複雑ですので、しばらくのあいだは８ｂｉｔまたは、16bitCPUの動作を基本に説明していきます。

　「メモリ上に置かれた　２つの数値を　CPUが加算する」
という動作を、CPU内の回路の仕組みを見ながら説明します。

　１bitの数を２つ加える計算を考える。

　０＋０＝０
　０＋１＝１
　１＋０＝１
　１＋１＝１０


　桁上がりを考えた、１ｂｉｔの加算は、３つの数の足し算になります。（以下の結果は自分で考えてください。）

　０＋０＋０＝
　０＋０＋１＝
　０＋１＋０＝
　０＋１＋１＝
　１＋０＋０＝
　１＋０＋１＝
　１＋１＋０＝
　１＋１＋１＝　

WikiPedia 加算器
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A0%E7%AE%97%E5%99%A8




半加算器　（図面は　WikiPedia　より。以下の図面も同様）


半加算器（XOR回路を使用）




全加算器



加算器



減算器

２進数での負の数の表現は、「２の補数表現」という方法で表します。

　たとえば、8bitで負の数を表現する方法としては、下のような方法が考えられます。

A)　８ｂｉｔの数に、もう１bit加えて、それで正負を表す。

　　例）
　１０進数の　＋２　　　　　　　　　　　０　００００００１０
　１０進数の　−２　　　　　　　　　　　１　００００００１０


B)　８ｂｉｔの数の、最上位ビットを、正負を表すビットとする。

　こうしたいところですが、
　　例）
　１０進数の　＋２　　　　　　　　　　　００００００１０
　１０進数の　−２　　　　　　　　　　　１０００００１０

C)　　こうします。
　　例）
　１０進数の　＋２　　　　　　　　　　　００００００１０
　１０進数の　−２　　　　　　　　　　　１１１１１１１０　　　（２の補数表現）



　A)　の方法が、一見分かりやすそうですが、普通に使われている８bitメモリに、もう１bit継ぎ足したハードウエアを作成しなければなりませんので、実現は面倒です。
　B)　の上の方法が一番わかりやすそうですが、実は、正負の数を扱う演算（計算）を行うための回路構成が複雑なものとなります。


　そこで、　C)　の方法を用いて負の数を表します。
　このような表現を「２の補数表現」（この場合は、正確には２の８乗の補数というが、多くの場合ビット数が、乗数になることが自明なので省略する。）といいます。この表現の良いところは、
　「数値が正か負か最上位ビットを見ただけで（検査すれば）分かる」
　「数値が正か負かを考慮せずに同一の加算器で加算できる」
ということがあります。
　不便な点としては、人間が見たときにわかりにくいということがありますが、どちらにしても、人間が直接数値計算をする必要はないので、計算機が計算しやすいものであれば構わない、ということになります。

　２の補数表現で数値を表す

　補数の計算法



　　＋２　→　−２　を求める例

＋２　を２進数で表記　　　　００００００１０

全ビットを逆転　　　　　　　　１１１１１１０１

１を足す　　　　　　　　　　　　１１１１１１１０　→　−２

　以下の（１）、（２）、（３）、（４）　は、紙に書いて提出してください。

（１）　２進　−　１０進　−　１６進　対応表を書く　（０〜１５）

（２）　２進　−　１０進　−　１６進　対応表を書く　（０〜６５５３５）

（３）　論理演算　AND　OR　XOR　の表を書く

（４）　　　CPUの構造（一部）を書き、授業で説明した図を参考に

　２０１０番地にあるデータ　”３F”　と
　２０１２番地にあるデータ　”２D"　との加算結果を
　２０２０番地に保存する様子を描きなさい。




　以下の　（５）、（６）は、メールで提出してください。

タイトル　　arch600　　　　　　　　　宛先　fujiki.kougei@gmail.com


（５）　同じ性能のCPU　を４台並べて使うより、４つぶんのCPUを１パッケージに納めて共有メモリを使う形式の方が性能がよくなる。その理由を考察し、５〜１０行程度で書きなさい。


（６）負の数の表現

　　　１０進数の　１００、−１００　を、８bit補数表現の２進数で表せ