Transcript CPUの基本知識

CPUの基本知識
Basic Knowledge for a CPU
• コンピュータの基本ハードウェア構成
Basic structure of a computer system
• CPU（プロセッサ）の構成要素
Structural elements of a CPU (processor)
• 命令の取り組み、解釈、実行
Fetch, decode and execution of instructions
• 算術論理計算機構（ALU）とレジスタ
Arithmetic Logical Unit（ALU） and Registers
福永 力; Chikara Fukunaga
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コンピュータの基本ハードウェア構成
Basic hardware structure of a computer
• 中央処理装置（CPU）
Central Processor Unit（CPU）
• メモリ
Memory
(2n Byte Space=Address n bit)
• Space n=8/256, 16/64k, 32/4GB
• プログラム内蔵方式では必須
Essential for Program Storage
• ROM: Read Only Memory
• RAM: Read Access Memory
• 入出力装置
I/O Interface
• Parallel: PCI …
• Serial: USB, Video-graphic, Ethernet, Firewire …
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プロセッサの構成要素
Principal structure of a CPU
•Processor = CPU in a single chip
•Microprocessor (Intel) = Processor
•Microcomputer = Processor+Memeory+I/O I/F
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命令の取り組みと実行
Fetch,decode & execution of instructions
• プログラム（メモリ内収録）から命令（Instruction）の取り組み（Fetch）
• Instructionの解析（Decode）
• Instructionの実行（Execution）
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命令形式例
Examples of instruction formats
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演算機とレジスター
Arithmatic Logical Unit (ALU) & Registers
• CPUに用いられるさまざまなレジスタの例
Examples of Various registers used in a CPU
•
汎用（浮動小数点演算）レジスタ
General Purpose Registers: GPR0-31 (32 32-bit registers)
Floating Point Registers: FPR0-31 (32 64-bit registers)
•
状態保存, 例外検知レジスタ：
Condition Register: CR, FPCR
eXceptional Execution Reg.: XER
•
プログラムカウンタ：
Program Counter: PC
•
powerPC4の例
Example of powerPC4
•
Instr. rD,rS,rB
(rD ← rS・rB) （・= any binary calcul.)
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CPU、Cacheとメモリのつなぎの変遷
Development of CPU, cache and Memory connection
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最初の1 chip processor Intel 4004
First single chip processor Intel 4004
• 日本のビジコン社電卓用に開発された
Developed for a electric calculator of Busicom ltd. Japan
• 同社は小型高速プリンター付電卓の開発を目論む
The company wants to develop small calculator
with a printer
• インテルに制御用LSIの開発以来
The company asked Intel to develop
several LSIs for calculator control
• インテル、マイクロコンピュータセットの提案
Intel proposed a microcomputer set
for this control (CPU, ROM, RAM, Shift registers)
• 1969年4月ビジコン社、11月商品として発売
Apr.,1971 completed, Nov. ,1971 released
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4004の概要
Overview of 4004
• 4 bit CPU w/ 46 instructions
• Clock 750kHz
• 命令（Instructions） with
1 word (8bit)
8 clock (3 clock for 12-bit address,
2 clock for 8-bit instruction,
3 clock for execution)
2 word (16bit) 16 clock (8clock×2word)
• Address space 4kB (12bit) for ROM/RAM
• 16 4-bit/8 8-bit general purpose registers
• Address stack for subroutine calls (depth 4)
• 現代のプロセッサとほぼ同じ内部構造
(Almost similar architecture with a
modern processor chip)
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その後の発展（1）
After 4004
• 1971-1973（First generation）
• Intel 4004（4bit）
• Intel 8008（8bit） 文字列操作 for alphanumeric
handling
• 4-8bit
• プログラム Program with 機械語 machine
language、アセンブリ assembly
• pMOSトランジスタ Transistor（O(1k)）
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その後の発展（2）
after 8008
• 1974-1976（第2世代；2nd generation）
• 8-bit Intel 8080、Motorola 6800
• プログラム program with assembly、compiler
（assembler）
• nMOSトランジスタ Transistor
• (Development of )DRAMの発展(4kbit)
• (Floppy based) ディスクオペレーティングシステム
Disk Operating System DOS
• nMOSトランジスタ Transistor（O(3-10k)）
• Zilog Z80（~8080） with new nMOS technology
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その後の発展（3）
After Z80
• 1977-1986（第3世代；3rd generation）
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16-bit Intel 8086、80286、Z8000、M680x0
プログラミング Assembly（assembler）、C、Basic
8086→MS/DOS、68000→Mac/Apple
Network、 Graphics
HMOS（High performance nMOS）トランジスタ
Transistor（O(100k)）
• CMOS process （1980以降）
• 1987（第4世代；4th generation）32-bit
• Intel 80386、Pentium、powerPC、RISC
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