基本情報技術者試験のまとめ: 2010

2010-09-13

７．メモリインタリーブ

CPUから主記憶装置へのアクセスを高速化する技術のひとつです。

CPUから主記憶にデータの転送命令を出した場合、CPUの処理速度に比べ主記憶のアクセス速度は遅いため、CPUに待ち時間が出来てしまいます。

それを解消するため、まず主記憶を複数の独立した区画（これをバンクという）に分割します。
この複数のバンクに対して、CPUは同時に（もしくは短い時間差で）データの転送を要求します。

要求を受けた各バンクそれぞれが同時進行でデータの準備を行うため、１つのメモリからデータを取得するより効率がよくなります。

2010-09-12

６．CPUからメモリへ－データの書込み命令－

プログラムを実行する際に、一時的に主記憶からキャッシュメモリにデータを格納し、CPUがデータにアクセスする時間を高速化させるという話を前述しました。

では逆に、「ファイル1に”ABC...”を書込みなさい。」といったかたちで、データの追加や更新などの命令がある場合はどうでしょうか？

まず、CPUはキャッシュ上のデータを更新します。
しかし、キャッシュ上のデータは複製でしかないので、いずれ主記憶に更新したデータを送る必要があります。この書込む方式には、ライトスルー方式とライトバック方式があります。

ライトスルー方式：CPUから書込み命令が出された際、キャッシュメモリと主記憶の両方へ更新したデータを送る方式。

ライトバック方式：CPUから書込み命令が出された際、まずはキャッシュメモリのデータを更新します。そして、主記憶に更新したデータを送るタイミングは、キャッシュ上のデータが追い出されるタイミングとなります。
つまり、キャッシュ上でプログラムAの更新データを格納していたが、CPUは次にプログラムBのデータを処理するため、キャッシュの領域を空けなくてはいけなくなります。
この時、プログラムAのキャッシュ上の更新データを主記憶へ戻すことになります。

５．CPUの命令実行方式

・主記憶にロード^※1されたプログラムは、CPUによって実行されます。その際の命令実行順は基本的に
「命令フェッチ^※2」→「命令の解読」→「命令実行」となります。
・この命令1つ1つの事をステージと言います。上記の場合、3ステージで命令を処理しています。

・さて、ここで主記憶上にロードされたプログラムを処理する際に以下の5ステージを処理しなければならないとします。

各ステージ	処理内容
IF（Instruction Fetch）	命令フェッチ
ID（Instruction Decode）	命令の解読
AC（Address calculation）	実効アドレスの計算（メモリ上にあるデータのアドレスを計算する）
OR（Operand Read）	オペランドの読み込み（データやデータのある場所を示すオペランド部の読み込み）
Ex（Execution）	命令の実行

【命令を処理する方式】
・逐次制御方式：命令を1つずつ処理する方式

・パイプライン制御：複数の命令をずらしながら処理をする方式

・スーパースカラ：複数のパイプラインを、同時に実行する実行する方式

^※1 補助記憶などに格納された、データやプログラムを主記憶装置に読み込む事。
^※2 CPUがメインメモリーから命令を読み出す動作の事。

４．CPUの記憶階層とキャッシュメモリ

・レジスタ：CPU内にある記憶装置。CPUがプログラム実行中、頻繁に使うデータはレジスタへ格納されます。

・キャッシュメモリ：CPUと主記憶の仲介役を務め、CPUがこれから必要としているデータをキャッシュに格納することで、アクセスの高速化を図ります。

1次キャッシュ…CPUに内蔵されています。別名、内部キャッシュや、L1と呼びます。

2次キャッシュ…CPUと主記憶の間に配置されています。別名、外部キャッシュや、L2と呼びます。

・主記憶装置：別名、メインメモリと呼びます。高速なアクセスが可能で、CPUが直接読み書きすることのできる記憶装置です。主記憶装置は、プログラムを実行する際に必要となるデータだけを格納します。プログラムが終了し、データが必要なくなるとそのデータを解放します。また、電源が供給されなくなると、データが消滅するという特徴（発揮性メモリと呼ぶ）があります。

・ディスクキャッシュ：主記憶装置と補助記憶装置の間に配置されています。補助記憶装置よりも高速にアクセスができ、主記憶と補助記憶のアクセス速度の差を埋めます。

・補助記憶装置：アクセス速度は低速ですが、安価で大容量というメリットがあります。
また、電源が供給されなくてもデータを保持（不発揮性と呼ぶ）します。

３．クロック周波数とクロック信号の単位

・1秒間に出力されるクロック信号の数をクロック周波数と言います。
・また、クロック信号が出力される時間間隔を1クロックサイクル時間と言います。

ここで、クロック周波数と1クロックサイクル時間の関係を押さえておきましょう。

クロック周波数	クロック信号数（1秒当り）	1クロックサイクル時間
1Hz	1=10⁰	1秒=1s
1kHz	1=10³	10^-3秒=1ms
1MHz	1=10⁶	10^-6秒=1μs
1GHz	1=10⁹	10^-9秒=1ns

クロック周波数が高いほど、CPUが命令を実行する速度が高くなります。
すなわち、性能が高いCPUと言えます。

２．CPUの性能計算式

・1クロックサイクル時間＝ 1（秒）÷ クロック周波数

・命令実行時間＝ 1クロックサイクル時間 × クロックサイクル数

・1秒間に実行できる命令数＝ 1（秒）÷ 平均命令実行時間
　単位：MIPS（10⁶）

・平均命令実行時間＝1（秒）÷ 1秒間に実行できる命令数

・実効アクセス時間＝ TC × p ＋ TM ×（1－p）
　TC：キャッシュメモリのアクセス時間
　TM：主記憶のアクセス時間
　p：ヒット率

１．コンピュータの構成要素

基本的なコンピュータの構成は、入力装置、記憶装置、制御装置、演算装置、出力装置の５機能になっています。
入力装置：データを入力するための装置。キーボードやマウス、マイクなど。
記憶装置：プログラムやデータを記憶する装置。
制御装置：プログラムを解読し、各装置を制御するための装置。
演算装置：データの加減乗除などの演算を行うための装置。
出力装置：コンピュータが処理したデータを出力するための装置。モニターやスピーカー、プリンタなど。

また記憶装置には、主記憶装置と補助記憶装置に分けられます。
そして、制御装置と演算装置はCPU(Central Processing Unit)にまとめられます。