Transcript 3．4 コンピュータ - 計算問題で制す！電気通信技術の基礎

第３章 情報工学の基礎
３．１
３．２
３．３
３．４
情報量
単位と数の表現方法
論理回路
コンピュータ
３．４ コンピュータ
３．４．１
３．４．２
コンピュータとは
コンピュータの利用
３．４．１ コンピュータとは
（１）コンピュータの５大機能
中央処理装置（ＣＰＵ）
入力機能
演算機能
制御機能
記憶機能
出力機能
（２）各機能の役割
①演算機能 ： 算術計算や論理演算を行う。
②制御機能 ： 機械語命令の解読，実行制御を行う。
③記憶機能 ： プログラムや実行時のデータを記憶する。
④入力機能 ：プログラムやデータを読み込み，主記憶装置に転送する。
⑤出力機能 ： 処理結果を出力する。
通信機能は，
入力機能と出力機能を併せ持つ入出力機能のひとつ
としてみなすことができる。
（３）各機能を果たす装置
①演算機能を果たす装置 ：演算装置（ALU：Arithmetic Logical Unit）
②制御機能を果たす装置 ：制御装置（CU：Control Unit）
これらを併せて
中央処理装置（CPU：Central Processor Unit）
③記憶機能を果たす装置
：主記憶装置（Main Memory Unit）
④入力機能を果たす装置
⑤出力機能を果たす装置
：入力機器（Input Device）
：出力機器（Output Device）
これらを併せて
入出力機器（I/O Device： Input/Output Device）
（４）補助記憶装置と仮想メモリ
入出力機器のうち，
①大量のデータ保存が可能
②他の入出力機器より比較的高速アクセスが可能
例えばハードディスク
主記憶装置のメモリが不足した場合，
主記憶装置の替わりに使用されることがある。
装置
補助記憶装置
（Auxiliary Memory Device）
補助記憶装置内に格納された領域
仮想メモリ
（Virtual Memory）
（５）ハードウェアの基本構成
（通信機能用の装置を含める）
データ
端末装置
通信回線
中央処理装置
演算部 制御部
通信制御
処理装置
転送装置
（チャネル）
入力装置
出力装置
記憶装置
主記憶装置
補
助
記憶装置
（６）信頼性からみたハードウェアの構成方法
シンプレックスシステム
（単一の構成）
通
信
制
御
装
置
分配装置
デュプレックスシステム
故障がおきた時点で切り替える。
主記憶
装 置
主記憶装置
中央処理装置
通信制御
装
置
補助記憶装置
通信制御
装
置
補助記憶装置
系１
中央処理装置
主記憶装置
チェック機構
中央処理装置
補助記憶装置
主記憶装置
系２
切
替
装
置
中央処理
装
置
中央処理
装
置
主記憶
装 置
切
替
装
置
補
助
記憶装置
（予備系）
デュアルシステム
両系で同一処理を行い，
処理結果を照合しあい，
照合結果が不一致の場合，
障害発生系を切り離す。
（７）マルチプロセッサ方式
共有メモリを持つ方式
共有メモリを持たない方式
Ｉ／Ｏバス
ＣＰＵ
１
ＣＰＵ
２
ＣＰＵ
２
入出力
チャネル
入出力
チャネル
入出力
チャネル
デッドロック
制御
ＣＰＵ
１
ＣＰＵ
２
ＣＰＵ
２
共有メモリ
メモリ
１
メモリ
２
メモリ
２
①電子回路的に密に結合される。
②共有メモリアクセスで
デッドロック制御が必要。
③同一のOSで実行する必要がある。
①CPU間はチャネルやI/Oバスを
介して結合。
②プロセッサのOSが異なってもよい。
②プロセッサ間で通信を行う必要がある。
３．４．２ コンピュータの利用
（１）オペレーティングシステムとは
コンピュータハードウェアを効果的に利用するために，
ハードウェアと各種アプリケーションに介在して，
タスク管理やメモリ管理など基本的な処理を行うソフトウェア
各種アプリケーション／ユーティリティプログラム
オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System）
プログラム
の読込み
タスクの
実行管理
使用メモリ
領域の管理
入出力機器
の割当て
（２）オペレーティングシステムの目的
①スループットの向上
②ターンアラウンドタイムの短縮
③信頼性の向上
④使いやすさの向上
［用語の意味］
スループット
： 単位時間内に処理できる仕事量
（throughput）
ターンアラウンドタイム ： コンピュータに処理依頼を出してから
（turnaround time）
処理結果が利用者の手に渡るまでの時間
（３）スループットの向上
ＣＰＵが動作していない遊休時間（idle time）を短縮することが重要
（a）ジョブの連続処理
Job 1
Job 2
Job 3
Job 4
人手による操作実行
ＯＳによる自動実行
Job 1
準備時間
Job 2
Job 3
Job 4
短縮時間
実行時間
後処理時間
（b）多重プログラミング（入出力処理速度はＣＰＵの速度に比べて遅いことを利用）
Job 1
Job 2
入出力装置
単純実行
Job1 CPU処理
CPU
入出力装置 1
入出力装置 2
短縮時間
Job2 CPU処理
（４）ターンアラウンドタイムの短縮
（汎用大型コンピュータの場合）
多重度の上げ過ぎ
スループットは良くなるが，入出力の待ち時間で，
ターンアラウンドが長くなる。
このようなときは
ジョブに優先度を付け，
緊急度の高いジョブのターンアラウンドを短縮する
（５）多重プログラミングにおけるタスク管理
コンピュータ処理の最小単位をタスクと呼ぶ
タスク生成
実行可能
状態
ジョブ開始
入出力割込み
待ち状態
タスク
タスク待ち行列
タイマ
割込み
ディスパッチ
SVC割込み
タスク消滅
ジョブ終了
実行状態
（６）タスクスケジューリング方式
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
①
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
オーバヘッドが少ないがCPUを占有する割合が高く入出力が少ない
タスクを優先してしまう。
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
②
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
タスクに優先度を付けてCPUを割り当てる。優先度の低いタスクに
いつまでも実行権が渡されないスタベーション（starvation：無期延
期）が生じることがある。
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
③
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
連続してCPUを使用する時間が短いジョブを優先する。ただし，
CPUを使用する時間を予想することが困難である。
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
④
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
各タスクに一定のタイムスライスを与え，タイムスライスを使い
切ったタスクを実行可能待ち行列の末尾に置く方式。比較的単純な
スケジューリングであり，公平に実行権を与えることができる。
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
⑤
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
ラウンドロビン方式に優先度を付ける方法。
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
⑥
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
多重待ち行列方式を拡張して，擬似的に最短ジョブ優先を実現する
方式。起動直後のタスクに最も高い優先度と短いタイムスライスを
与え，タイムスライス内に終了しなかった場合，一段低い優先度と
一段長いタイムスライスを設定して待ち行列に入れる。以後，これ
を繰り返すことで，短いタスクほど起動直後の高い優先度を与えら
れた状態で終了する可能性が高くSJFに近い結果が期待できる。
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
⑦
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
入出力チャネルや周辺機器からのイベント発生にしたがって，スケ
ジューリングを行う。対話型処理が多い場合に適しており，ラウン
ドロビン方式等と組み合わせることが多い。
⑧マルチスレッド
⑧
実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式
①到着順方式（FCFS：First Come First Serve）
②優先度順方式
③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First）
④ラウンドロビン方式
⑤多重待ち行列方式
⑥フィードバック待ち行列方式
⑦イベントドリブンスケジューリング方式
⑧マルチスレッド
タスクをさらに小さな単位に分割し，それを細かい時間単位で切り替
える。小さな単位をスレッド，軽量プロセスと呼ぶ。スレッドはタ
スクに割り当てられたメモリを使用するため，OSのオーバヘッドが
少ない。データベースやマルチプロセッサ方式のコンピュータに有
利である。
（７）仮想マルチプロセッサシステム
１つのCPU内に論理的な複数のプロセッサを持つことで，
単一ＣＰＵを論理的な２つ以上のCPUとみせて，
結果的に処理能力を高める手法もある。
この手法では命令を先読みし，
投機実行しておく方法が採用される。
［例］インテルのハイパースレディングテクノロジー
投機実行：無駄になるかもしれないが，前もって後の命令を実行しておくこと。