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論理回路基礎 11. 論理回路からコンピュータへ 五島 正裕 論理回路基礎 今日の内容 論理回路 と コンピュータ プロセッサの例 試験問題 論理回路基礎 論理回路 と コンピュータ 論理回路基礎 論理回路からコンピュータへ コンピュータ = 巨大な順序回路 原理的には，学習した「順序回路の構成法」に従って設計できる 実際には，不可能 コンピュータの状態数： 主記憶 1GB = 8Gb : 28,000,000,000 ≈ 210 HD 80GB = 640Gb : … 状態遷移図？，状態遷移表？ 10 ≈ 1030 論理回路基礎 構造化 構造化 演算器 メモリ 制御 命令 (instruction) 演算器に対する指示 どのデータに対して，どんな演算を施すか プログラム ： 命令列 論理回路基礎 構造化 構造化 演算器 メモリ 制御 機能ブロックに分けられる 機能ブロック間のインタフェースの決定 個々の機能ブロックの設計 学習した「順序回路の構成法」 論理回路基礎 von Neumann 型コンピュータ ノイマン型 (von Neumann-type) コンピュータ プログラム格納（内蔵）方式 (stored-program) 逐次実行方式（プログラム・カウンタ） 主記憶に格納されたプログラムの命令を， 遂次 取り出して実行． 「プログラム 内蔵 方式」 普通こっちだが，よい訳ではないので… フォン・ノイマン・ボトルネック（死語） 「データに加えて，命令も主記憶から取り出すので…」 論理回路基礎 プログラム格納 (stored-program) 方式 プログラムを主記憶に格納 プログラム自体が，操作（演算）の対象に プログラムを自ら書き換え可能 実行時書き換え：重要ではない 実行前書き換え：重要！ ⇒ 真にプログラマブルなコンピュータ もし，プログラム内蔵方式でなかったら： プログラムを自ら操作することはできない ロード等のために別の何か（オペレータ？）が必要に… OS はあり得ない 論理回路基礎 簡単なプロセッサの例 論理回路基礎 プロセッサ 命令セット・アーキテクチャ (Instruction-Set Architecture : ISA) プログラムに対するインタフェース どんな命令があり，どういう動作をするか を定めた仕様 プロセッサは機能ブロックにわけられる 機能ブロック間のインタフェースの決定 個々の機能ブロックの設計 論理回路基礎 命令の種類 数え方にもよるが，数十種くらい． ロード/ストア 演算命令 算術論理演算 (ALU : Arithmetic Logic Unit) シフト 浮動小数点演算 制御命令 分岐 (branch) 命令 ：PC 相対 ジャンプ命令 ：絶対 その他 システム・コール コプロセッサ制御 論理回路基礎 命令フォーマット op 31 Rs 25 op 31 20 Rs 25 op 31 Rt Rd 15 Rt 20 func 10 0 immediate 15 0 jump_target 25 op : op code 0 Rs : source reg # Rt : target reg # Rd : destination reg # 論理回路基礎 演算命令 算術論理演算 (ＡＬＵ, Arithmetic Logic Unit) 命令 r[Rd] = r[Rs] + r[Rt] r[Rt] = r[Rs] + immediate シフト命令 r[Rd] = r[Rs] << shamt op 31 Rs 25 op 31 Rt 20 Rs 25 Rd 15 Rt 20 shamt func 10 0 immediate 15 0 論理回路基礎 ロード/ストア命令 ロード命令 r[Rt] = *(r[Rs] + immediate) ストア命令 *(r[Rs] + immediate) = r[Rt] op 31 Rs 25 Rt 20 immediate 15 0 論理回路基礎 制御命令 （条件）分岐命令 if (cond) PC = PC + immediate cond: R[Rs] == 0, R[Rs] > 0, … R[Rs] == R[Rt] op 31 Rs 25 Rt 20 immediate 15 0 論理回路基礎 制御命令 ジャンプ命令 PC = PC + jump_target ジャンプ命令（レジスタ間接） PC = r[Rs] op 31 Rs 25 op 31 Rt 20 immediate 15 0 jump_target 25 0 論理回路基礎 命令の実行フェーズ 1. IF 命令フェッチ 2. ID 命令デコード/レジスタ読み出し 3. EX 実行 4. MEM メモリ・アクセス 5. WB レジスタ書き戻し (Write-Back) 名称は歴史的（esp. ID） 100 IF PC IR 0 200 ID Rs Rt Reg File EX MEM WB DR MDR MA MD 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld Main Memory 論理回路基礎 実行例 100 ld r2 = *(r1 + 8) 104 add r3 = r2 + 1 100 104 IF PC IR ld 0 200 ID 12 8 Rs Rt Reg File EX MEM WB DR MDR MA MD 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld Main Memory 104 IF PC IR ld 0 200 ID 12 8 Rs Rt Reg File 200 WB DR 12 8 add 23 1 208 1000 ld 8 EX MEM 100 104 MDR MA MD Main Memory 104 IF PC IR ld 0 200 ID 12 8 Rs Rt Reg File 200 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 8 EX 208 MEM WB DR MDR MA MD Main Memory 104 IF PC IR ld 0 200 ID 12 8 Rs Rt Reg File 200 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 8 EX 208 MEM DR MDR 1000 WB MA MD Main Memory 104 IF PC IR ld ID 0 200 1000 Reg File 200 12 8 Rs Rt 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 8 EX 208 MEM DR MDR 1000 WB MA MD Main Memory 104 108 IF PC IR add 23 ID 0 200 1000 Reg File 1 Rs Rt EX MEM WB DR MDR MA MD 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld Main Memory 108 IF PC IR add 23 ID 0 200 1000 Reg File 1000 1 Rs Rt WB DR 12 8 add 23 1 208 1000 ld 0 EX MEM 100 104 MDR MA MD Main Memory 108 IF PC IR add 23 ID 0 200 1000 Reg File 1000 1 Rs Rt 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 1 EX 1001 MEM WB DR MDR MA MD Main Memory 108 IF PC IR add 23 ID 0 200 1000 Reg File 1000 1 Rs Rt 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 1 EX 1001 MEM DR MDR 1001 WB MA MD Main Memory 108 IF PC IR add 23 ID 0 200 1000 1001 Reg File 1000 1 Rs Rt 100 104 12 8 add 23 1 208 1000 ld 1 EX 1001 MEM DR MDR 1000 WB MA MD Main Memory 論理回路基礎 今日のまとめ 論理回路基礎 今日のまとめ 論理回路 と コンピュータ 学習した「順序回路の構成法」に従って設計できない 構造化 演算器 メモリ 制御 ノイマン型コンピュータ：プログラム内蔵方式 プロセッサの例 論理回路基礎 今後の予定 3/ 2 試験 （9:00～10:30） 来年度前期 「コンピュータ・ハードウェア」 by 坂井先生 論理回路基礎 試験問題 論理回路基礎 問題 1 用語説明（10点 × 3問） 5 (?) 問中，3問以上を選択して回答せよ 例えば： データ・セレクタ 桁上げ先見回路 SRAM と DRAM プログラム内蔵方式 etc 論理回路基礎 問題 2 順序回路の設計 （70点） 1. 順序回路の仕様を示す 2. 簡単化する（簡単化後の状態数は，３ か 4） 3. 出力関数，次状態関数を求める 4. それらを簡単化する 5. 回路図を描く 論理回路基礎 問題 3 電気回路，電子回路を用いない論理回路の，完全（完備）集合を示せ． 機械式，流体式など 実現可能性，性能，コストなどは問わない 加点 <= 30点 回答例が少ないものほど高得点