基本情報技術概論 ( 第９回 )

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ハードウェア ( 前回の続き )

基本ソフトウェア (OS)

基本情報技術概論 ( 第９回 )

埼玉大学理工学研究科堀山貴史

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出力装置入力装置

制御装置

補助記憶装置

CPU

演算装置

主記憶装置

コンピュータの構成 ( 第１回の復習 )

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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、 VL I W 性能評価

クロック周波数、 CPI 、 M I 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

I F I D EX MA WB

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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

プログラムをメモリ上のどこに置いても、　　正しく動く

普段は、次の命令を実行

PC ← PC + １

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( 補助 ) 記憶装置

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補助記憶装置

磁気ディスクフロッピィディスクハードディスク

光ディスク CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW) DVD Blu-ray Disc

テープ磁気テープ

読込のみ書込が１回可能書込が何度でも可

能

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ハードディスク

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

___________

___________

___________

ヘッド

磁気ディスク

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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

レジスタ

主記憶（メモリ）

補助記憶（ HDD 、 Disc 、テープ）

容量アクセ

ス速度

小

大

速い

遅い

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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

容量速度

小

大

速い

遅い補助記憶

ディスクキャッシュ

主記憶（メモリ）

キャッシュ

レジスタ

近頃のＣＰＵで

は、 L1, L2キャッシュ

___________

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練習問題：記憶の階層

平均年齢は？

50 才

20 才 80 ％

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容量速度

小

大

速い

遅い主記憶（メモリ）

キャッシュ

50 ns

20 ns 80 ％

アクセス時間

キャッシュヒッ

ト率

実効アクセス速度は？ … アクセス時間の期待値

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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 )

練習問題：記憶の階層

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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

159

26

10

37

11

48

12

… … … …

番地

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ＲＡＩＤ

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）

ＲＡＩＤ０　（ストライピング）

ＥＣＡ

ＦＤＢＡＢＣＤＥＦ

データＲＡＩＤコントローラ

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

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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

ＦＥＤＣＢＡ

ＦＥＤＣＢＡ

ＡＢＣＤＥＦデータ

ＲＡＩＤコントローラ

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ＲＡＩＤ５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

ｐＣＡ

ＥｐＢ

ＡＢＣＤＥＦデータＲＡＩＤコントローラ

ＦＤｐ

B)BA(A

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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

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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

バーコードQR コード

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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

画素数

5 M ピクセルともいう

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出力装置

プリンタ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

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

dpi (dot per inch)

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インタフェース

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 … 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

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 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

… ２つのモノの間をとりもつ　　仕組み /規格

___________

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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

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基本ソフトウェア (OS : Operating System)

23

ソフトウェアの体系

ユーザ

システムソフトウェ

ア

応用ソフトウェア

アプリケーション

基本ソフトウェア

（ＯＳ）

ハー

ドウェ

アミドル

ソフトウェア

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ソフトウェアの体系

ユーザ

システムソフトウェ

ア

応用ソフトウェア

アプリケーション

基本ソフトウェア

（ＯＳ）

ハー

ドウェ

アミドル

ソフトウェア

・制御プログラム（ジョブ管理、タスク管理、記憶管理）

・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（ユーザインタフェース）

・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）

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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 )

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タスク１

用語：　シングルタスク

シングルタスク　 ( シングルプログラミング ) 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

ＣＰＵＩ /ＯＣＰＵＩ /Ｏ

ＣＰＵＩ /ＯＣＰＵＩ /Ｏタスク２

ずっと待っている

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

空き

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用語：　マルチタスク

シングルタスク

マルチタスク

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

ＣＰＵ

Ｉ /Ｏ

空き

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用語：　マルチタスク

シングルタスク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

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タスク管理

実行可能状態実行状態

どのタスクにＣＰＵを割り当てるか

ＣＰＵでタスクを

実行している

ＣＰＵが空けばいつでも実行可

能

タスク生成

タスク実行完了

30

・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

タスク管理


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


実行している

ＣＰＵが空けばいつでも実行可

能

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タスク管理


待ち状態

入出力など他の作業が終わるのを待って

いる

入出力要求

入出力完了


実行している

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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

到着した順（他のタスクが来ても中断しない）

優先順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 )

33

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。

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

タスク優先度単独実行の占有時間A 高B 中C 低

各タスクともに、 CPU → I/O → CPU5 ms → 8 ms → 2 ms

34

練習問題：タスク管理 (つづき )

CPU

A I/O

B I/O

C I/O

37

練習問題：記憶の階層実効アクセス速度 15 ns

37

容量速度

小

大

速い

遅い主記憶（メモリ）

キャッシュ

60 ns

10 ns ？

アクセス時間

キャッシュヒッ

ト率

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練習問題：タスク管理

タスク優先度単独実行の占有時間A 高B 中C 低

各タスクともに、 CPU → I/O → CPU5 ms → 8 ms → 2 ms

CPU

A I/O

B I/O

C I/O

1 ms + 5 ms = 6 ms

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この文面は、 TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました

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配布場所 http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/

この powerpoint ファイルの著作者堀山貴史　 2007-2009 [email protected]

u.ac.jp 改変等を加えられた場合は、お名前等を追加してください

図の著作者 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 p. 10, 18, 19, 23, 24

クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート

その他堀山貴史

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