Transcript 講義資料 - 堀山研究室

基本情報技術概論 (第９回)
ハードウェア (前回の続き)
基本ソフトウェア (OS)
埼玉大学 理工学研究科
堀山 貴史
1
コンピュータの構成
(第１回の復習)
CPU
制御装置
入力装置
演算装置
主記憶装置
出力装置
補助記憶装置
2
前回の復習

CPU
 プログラムの実行
 高速化技法


パイプライン処理、スーパースカラー、VLI W
性能評価


IF ID EX MA WB
クロック周波数、CPI、MI PS、FLOPS
アドレス指定

即値、 直接（絶対）アドレス指定、 間接アドレス指定、
インデックス アドレス指定、 ベース アドレス指定、
ＰＣ相対アドレス指定
3
アドレス指定： ジャンプ命令、分岐命令

絶対アドレス
 PC ← op

(PC) 相対アドレス
 PC ← PC + op

普段は、
次の命令を実行
PC ← PC + １
プログラムをメモリ上のどこに置いても、
正しく動く
4
(補助) 記憶装置
5
補助記憶装置

磁気ディスク



光ディスク




フロッピィ ディスク
ハードディスク
読込のみ
書込が１回可能
書込が何度でも可能
CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW)
DVD
Blu-ray Disc
テープ

磁気テープ
6
ハードディスク
ヘッド 磁気
ディスク
 ___________
セクタ
 記録はセクタ単位
 トラックを分割
 ___________
トラック

ディスクを同心円で
分割したもの
 ___________
シリンダ

同じ位置のトラックを
まとめたもの
7
記憶の階層


高速・小容量 と 低速・大容量 の記憶装置
うまく組み合わせれば、高速・大容量の記憶装置
のように扱える
アクセス
容量
速度
小
速い
レジスタ
主記憶 （メモリ）
大
遅い
補助記憶
（HDD、Disc、テープ）
8
記憶の階層 ___________
(キャッシュ, Cache)

動作速度の差を埋めるための仕組み
近頃のＣＰＵ
では、L1, L2
キャッシュ
レジスタ
キャッシュ
容量
速度
小
速い
大
遅い
主記憶 （メモリ）
ディスクキャッシュ
補助記憶
9
練習問題：

記憶の階層
平均年齢は？
20 才
80 ％
50 才

実効アクセス速度は？
… アクセス時間の期待値
容量 速度
アクセス時間
小 速い
キャッシュ
20 ns
大 遅い
主記憶 （メモリ）
50 ns
キャッシュ
ヒット率
80 ％
10
練習問題：

記憶の階層
実効アクセス時間
= キャッシュ アクセス時間 x キャッシュ ヒット率
+ 主記憶 アクセス時間 x ( 1 – キャッシュ ヒット率 )
問題) アクセス時間が主記憶 60 ns、キャッシュ 10 ns の
システムがある。システムとしての実効アクセス速度が
15 ns の時、キャッシュのヒット率は いくらか。
(H19年度 春)
11
参考：

メモリ アクセス の高速化
メモリ インタリーブ

主記憶へのアクセスを高速化する手法

主記憶を複数の区画（バンク）に分割し、
並列にアクセスする
主記憶
番地 1
2
6
10
5
9
3
7
11
4
8
12
…
…
…
…
12
ＲＡＩＤ


複数のハードディスクを組み合わせて、
仮想的に１台の大きなハードディスクに見せる
RA I D の R は Redundant
→ 冗長性を持たせて、障害に強く
ＲＡＩＤ０ （ストライピング）


データを、複数のディスクに分散 （高速・大容量）
耐障害性がない （厳密には RAID ではない）
データ
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ
ＲＡＩＤ コントローラ
Ａ
Ｃ
Ｅ
Ｂ
Ｄ
Ｆ
13
ＲＡＩＤ１ （ミラーリング）



同じデータを、複数のディスクに書き込む
ディスクの利用効率が悪い （例では、全容量の約半分）
耐障害性は向上
ＲＡＩＤ コントローラ
データ
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ
Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
Ｅ
Ｆ
Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
Ｅ
Ｆ
14
ＲＡＩＤ５




A  (A  B)  B
ストライピング （データを、複数のディスクに分散）
パリティ （１つ故障しても、パリティを利用して復旧）
耐障害性が高い / ディスクの利用効率が良い
読み込みは高速、
書き込みはパリティを計算するので低速
データ
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ
ＲＡＩＤ コントローラ
Ａ
Ｃ
ｐ
Ｂ
ｐ
Ｅ
ｐ
Ｄ
Ｆ
15
入出力装置
生協やパソコンショップのカタログなど、
身近なところで機械を探してみてください
16
入力装置 （文字、数字）





キーボード
OCR (Optical Character Reader)
 手書きの文字を読み込む
例） 郵便番号
OMR (Optical Mark Reader)
 マークシートを読み込む
バーコード リーダ
ＱＲコード リーダ
QR コード
バーコード
17
入力装置 （座標 / 画像）

座標
 マウス
 ジョイスティック
 タブレット、ディジタイザ


ペンと、位置入力用の板
画像
 スキャナ
 デジタルカメラ
 etc
画素数
画像は点の集まりとして扱われる
横 2,592 x 縦 1,944 = 500万画素
5 M ピクセル ともいう
18
出力装置

プリンタ






dpi (dot per inch)
1 インチ (2.54 cm) 当たりの点の数
横 2,400 dpi 縦 1,200 dpi
… 1辺 1インチの正方形に
2,400 x 1,200 = 288万個の点
レーザ プリンタ
インクジェット プリンタ
熱転写プリンタ
ドットインパクト プリンタ
プロッタ
ディスプレイ




CRT ディスプレイ
LCD ディスプレイ （液晶ディスプレイ）
PDP （プラズマ ディスプレイ パネル）
電子ペーパー
19
インタフェース
___________

… ２つのモノの間をとりもつ
仕組み/規格
ＩＤＥ、ＥＩＤＥ … PC内蔵型のハードディスクなどを接続する
パラレル インタフェース

ＳＡＴＡ

ＵＳＢ (Universal Serial Bus)




汎用のシリアル インタフェース
ハブを介してツリー状に機器を接続可能
ＩＥＥＥ 1394


… PC内蔵型のハードディスクなどを接続する
シリアル インタフェース
FireWire、ｉＬｉｎｋ とも呼ばれる シリアル インタフェース
Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ … 無線インタフェース
ＩｒＤＡ
… 赤外線短距離通信インタフェース
20
ユーザ インタフェース

C U I (Character User Interface)
 文字を使ってコマンドを入力する

G U I (Graphical User Interface)
 メニューやアイコンを使って操作する
21
基本ソフトウェア
(OS : Operating System)
22
ソフトウェアの体系
ハ
ー
ド
ウ
ェ
ア
システム
ソフトウェア
基本
ソフトウェア
（ＯＳ）
ミドル
ソフトウェア
応用
ソフトウェア
アプリ
ケーション
ユーザ
23
・ 制御プログラム （ジョブ管理、タスク管理、記憶管理）
ソフトウェアの体系
・ 言語プロセッサ
（コンパイラ、アセンブラ、インタプリタ）
・ サービスプログラム
ハ
ー
ド
ウ
ェ
ア
システム
ソフトウェア
基本
ソフトウェア
（ＯＳ）
ミドル
ソフトウェア
（ユーザインタフェース）
応用
ソフトウェア
アプリ
ケーション
ユーザ
・ ＡＰＩ （アプリがＯＳの機能を
利用するための仕組み）
・ ＤＢＭＳ （データベースの仕組み）24
制御プログラム （狭義の ＯＳ）

ジョブ管理
ジョブ … ユーザがコンピュータに与える仕事の単位
例） 売上データから売上一覧表の作成
・ タスク１： 売上データを読込んで、商品別にソート
・ タスク２： 商品別に販売額を集計
・ タスク３： 売上一覧表を出力

タスク管理
タスク … ジョブを細分化したもの
OS が CPU、I/O を割り当てる仕事の単位

記憶管理
( → 次回、詳しくやります )
25
用語：

シングル タスク (シングル プログラミング)

タスク１
タスク２
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
シングル タスク
１つのタスクを最後まで実行してから、
次のタスクの実行を開始
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
ずっと待っている
ＣＰＵ
空き
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ Ｉ/Ｏ ＣＰＵ Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
Ｉ/Ｏ
26
用語：

シングル タスク
ＣＰＵ
ＣＰＵ

Ｉ/Ｏ
空き
ＣＰＵ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
マルチ タスク
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
Ｉ/Ｏ
マルチ タスク
ＣＰＵ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
ＣＰＵ
Ｉ/Ｏ
Ｉ/Ｏ
27
用語：

シングル タスク


マルチ タスク
１つのプログラムを最後まで実行してから、
次のプログラムの実行を開始
マルチ タスク （マルチ プログラミング）


見かけ上、同時に複数のプログラムを実行
ＣＰＵ の空き時間を少なくする
⇒ スループットの向上、レスポンスタイムの短縮
・ スループット
… 一定時間に処理できる仕事の量
・ レスポンスタイム … 応答が返ってくるまでの時間
28
タスク管理

どのタスクに ＣＰＵ を割り当てるか
タスク
生成
実行可能状態
ＣＰＵが空けば
いつでも実行可能
タスク
実行完了
実行状態
ＣＰＵでタスクを
実行している
29
タスク管理
実行可能状態
ＣＰＵが空けば
いつでも実行可能
ディスパッチング
ＣＰＵが空くと、次に実行されるべき
タスクに ＣＰＵ が割り当てられる
実行状態
ＣＰＵでタスクを
実行している
・ タイムスライス（ＣＰＵを割り当てられた時間）を
使い切った
・ より優先度の高いタスクが生成され、
ＣＰＵ を奪われた
30
タスク管理
実行可能状態
実行状態
ＣＰＵでタスクを
実行している
入出力
完了
待ち状態
入出力
要求
入出力など他の作業が
終わるのを待っている
31
タスクのスケジューリング方法

タスクにどのように ＣＰＵ を割り当てるか
 到着順


優先順


到着した順 （他のタスクが来ても中断しない）
優先順位の高いものから実行する
ラウンドロビン

到着順だが、タイムスライスを使い切ったら、
待ち行列の後ろに並ぶ
(一定時間ごとに、他のタスクに交代する)
32
練習問題：

タスク管理
(H12年度 春 改変)
似た問題が色々あります
表は、A, B, C の各タスクを単体で実行した場合の CPU, I/O
占有時間を示している。３つのタスクが同時に実行可能状態
になってから、すべてが終了するまでの CPU のアイドル時間
を求めなさい。なお、CPUは１個、各タスクの I/O は並行して
処理可能、OS のオーバヘッドは無視できるものとする。
タスク
A
B
C
優先度
高
中
低
単独実行の占有時間
各タスクともに、
CPU → I/O → CPU
5 ms → 8 ms → 2 ms
33
練習問題：
タスク管理
(つづき)
CPU
A I/O
B I/O
C I/O
34
35
36
練習問題：

記憶の階層
実効アクセス速度
15 ns
アクセス時間
容量 速度
小 速い
キャッシュ
10 ns
大 遅い
主記憶 （メモリ）
60 ns
キャッシュ
ヒット率
？
37
38
練習問題：
タスク管理
1 ms + 5 ms = 6 ms
CPU
A I/O
B I/O
C I/O
タスク
A
B
C
優先度
高
中
低
単独実行の占有時間
各タスクともに、
CPU → I/O → CPU
5 ms → 8 ms → 2 ms
39
40
41
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


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堀山 貴史 2007-2009 [email protected]
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図の著作者
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p. 2, 6 ～ 8, 12, 17, 20
 ハードディスク : 堀山 貴史
 CPU, メモリ, キーボード, USB : http://webweb.s92.xrea.com/
 パソコン, ディスプレイ, プリンタ, マウス, FD, CD :
Microsoft Office Online / クリップアート
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p. 10, 18, 19, 23, 24
 クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート
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その他
43
 堀山 貴史
