初詣合格祈願基本情報技術者講座 コンピュータの仕組み２
コンピュータの動作原理
＜ＣＰＵの基本動作＞
ＣＰＵ（中央処理装置）の基本構成
- 制御装置
記憶装置から命令を取り出してこれを解読（デコード）し、実行するために各装置に指令を出す装置 - 演算装置
命令にしたがって加算や減算などの算術演算を行うほかＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴなどの論理演算も行うので算術論理演算装置とも呼ばれます。算術論理演算装置には、アキュムレータ（累算器）と呼ばれる演算専用のレジスタがあり演算結果はひとまずこのレジスタに入れられます。
- 命令取出し段階・・・命令の取り出しと解読
- 命令実行段階・・・命令を実行する
- 割り込み段階・・・割り込み処理をする
＜命令取り出し、解読、実行の手順＞
一般に命令の形式は命令の種類を示す命令部と命令の対象となるデータが格納されているアドレス部を示す番地部（アドレス部）からなります。これらの命令を主記憶装置から取り出し、解読し、実行の指示をする制御装置は次に示す装置から構成されます。
- 命令カウンタ
逐次制御カウンタまたはプログラムカウンタとも呼ばれ次に実行すべき命令のアドレス値を保持しているレジスタ - アドレスレジスタ
命令カウンタからアドレス値を受け取り、主記憶のアドレスを指定。 - 命令レジスタ
記憶レジスタとも呼ばれ、主記憶から取り出された命令はここへ記憶。 - 命令コードレジスタ
命令レジスタに記憶された命令のうち命令部がこのレジスタに移されます - 命令解読器（デコーダ）
命令コードレジスタの命令が何の命令なのかを解読する装置 - 制御信号発生器
解読された命令を実行するために、起動すべき装置に対して順に起動信号を加える装置
※カウンタとは計数器とも呼ばれデータを一つずつ累計する装置です。
命令実行までの手順は以下の通りです。
１． 命令カウンタが次ぎに実行すべき命令のアドレス値をアドレスレジスタに渡す
２． アドレスレジスタのアドレス値により、主記憶のアドレス指定を行う
３． 指定されたアドレスの命令が記憶レジスタに送られる
４． 記憶レジスタに移された命令が命令部と番地部にわけられる
５−１． 命令部は命令コードレジスタに送られ解読され命令の種類により制御信号発生器から各装置に指示が出されて実行される
５−２． 番地部はアドレスレジスタに送られる命令の対象となるデータが格納された主記憶の番地を指定してデータが読み出される
＜割り込み＞
割り込みとはＣＰＵの現在実行中の命令処理動作とは独立にハードウェアからＣＰＵに対して行われる処理中断命令です。
ＣＰＵは割り込みを受けると現在実行中のプログラムを中断し制御は特別なプログラムであるＯＳに移されます。
そしてＯＳは中断されたプログラムの状態を再開指示のため保存し割り込み処理が終了した後プログラムの実行を再開します。
割り込みの種類は次の二つに分類されます。
- 内部割込み
実行中のプログラム自身が原因で起こる割り込み- プログラム割り込み
プログラム中にオーバーフローやアンダーフロー、除算の分母が０または小さすぎる場合または番地付け違反などがあった場合に発生 - ＳＶＣ（スーパバイザコール）割り込み
スーパバイザとはＯＳの監視プログラムの事で、プログラム中でＯＳの機能を呼び出したいときに使用されます。
- プログラム割り込み
- 外部割込み
実行中のプログラム以外が原因で起こる割り込み- 入出力割込み
入出力処理の終了や入力装置の故障または出力用紙の不足など入出力の異常により発生 - 機械チェック割り込み
電源の異常、処理装置の誤動作、主記憶装置の障害などで発生 - タイマ割り込み
タイムシェアリングシステムにおいて各ユーザが均等利用できるようにタイマ機構で管理したときのタイムアップにより発生 - コンソール割り込み
汎用コンピュータシステムを管理するため管理者がコンソール（操作卓）から指令を出したときに発生
- 入出力割込み
＜処理時間＞
以下の用語はコンピュータに関する処理時間の代表的なものです。
- ターンアラウンド時間
あるジョブ（仕事）を電算室に依頼してから完全な結果が入手できるまでの時間 - 応答時間（レスポンスタイム）
ある仕事をコンピュータに要求し終わったときから結果が出始めるまでの時間 - アクセス時間
ＣＰＵが記憶装置へデータの読み出しまたは書き込みの要求をしてから動作が完了するまでの時間 - サイクル時間
記憶装置の同一アドレスに読み出しまたは書き込みの動作が開始されてから再び読み出し書き込みが行えるまでの再短時間 - ＭＩＰＳ
一秒間に何百万回命令を実行できるかを表す単位 - ＭＦＬＯＰＳ
一秒間に何百万回の浮動小数点演算を行えるかを表す単位
＜アドレスの指定方式＞
命令のアドレス部で命令の対象となるデータが格納されている主記憶装置のアドレスを指定します。この時の番地（アドレス）を有効アドレスといいます。アドレスの指定方法には以下の方法があります。
- 直接アドレス指定
プログラム上のアドレス部に記されたアドレスと 主記憶の有効アドレス一致しているもので、その番地に有効データが格納されています。 - 間接アドレス指定
プログラム上のアドレス部で有効アドレスが格納されている番地を指定する方式 - 相対アドレス指定
プログラム上のアドレス部に記されたアドレスとプログラムカウンタの値を加算した値を有効アドレスとする方式 - ベースアドレス指定
プログラム上のアドレス部に記されたアドレスとベースレジスタの値を加算した値を有効アドレスとする方式 - インデックス（指標）アドレス指定
プログラム上のアドレス部に記されたアドレスとインデックスレジスタの値を加算して有効アドレスとする方式 - 即値アドレス指定
プログラム上のアドレス部に記されたアドレスで有効アドレスを算出するのではなく直接、アドレス部に記されたアドレスをデータとするものです。
＜ハードウェアの高速化とテスト＞
コンピュータの処理能力を高めるためのハードウェア上での技法には次のようなものがあります。
- マルチプログラミング
ＣＰＵがひとつのプログラムを入出力するための空き時間を利用して別のプログラムを実行する事 - ファームウェア
基本的な制御動作をするマイクロプログラムをＲＯＭに入れマイクロプログラムの実行回路と制御回路を作り高速化する方法 - パイプライン制御
命令のステップを取り出し、解読、実行などいくつかのステップに分割し、多数の命令に対して別々のステップを同時に行う事によりプログラム全体の実行時間を短縮する方法 - マルチプロセッサ
複数のＣＰＵを使用したもの - 並列処理
マルチプロセッサにより行列演算などの数式を並列に処理する方法 - ＲＩＳＣ（リスク）
命令セットを単純な動作を行う命令の組み合わせで記述し。命令パイプラインを取り入れた方法 - ＣＩＳＣ
上のＲＩＳＣに対し複数の命令形式を持つような従来通りの設計のコンピュータ - ベンチマークテスト
標準的なプログラム（ソート、マッチング、行列演算など）の実行時間で評価するテスト - コマーシャルミックス
事務処理計算能力を評価する命令を集めたソフトウェア - ギブソンミックス
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