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資格を独学で勉強してみた記録です。

【応用情報・高度共通】2章 コンピュータ構成要素 2.1CPUアーキテクチャ

応用情報・高度共通上部画像

目次

この文章は以下の本を参考にしています。


 

(1)CPUの動作原理と命令実行過程

CPUは主記憶装置内から次に実行すべき命令を取り出し、その命令を実行する動作を繰り返しています。

 

これを詳しく見ると6つに分類できます。

  • ①IF(命令フェッチ)
  • ②ID(デコード)
  • ③OA(オペランドアドレスの計算)
  • ④OF(オペランドフェッチ)
  • ⑤EX(命令の実行)
  • ⑥RS(演算結果の格納)

 

これらはクロックというタイミング信号に合わせて動くのでクロック周波数を大きな値にすれば高性能化出来ました。

しかしそろそろ限界なので、複数を同時操作できるようにする流れが起こっています。

それがパイプラインやマルチプロセッサです。

 

(2)CPUの高速化技法

①RISCとCISC

RISC(Reduced Instruction Set Commputer;縮小命令セットコンピュータ)

  • 命令の種類を単純なものだけに絞り、CPUの内部構造を単純化したコンピュータ
  • 全ての命令の長さと各ステージの実行時間を揃え、パイプライン処理によって命令実行の高速化を実現
  • ワイヤードロジックしか使えない

 

CISC(Complex Instruction Set Computer)

  • 従来型のプロセッサ
  • 複数の機械語命令を組み合わせたマイクロプロセッサなどの命令も処理できる

 

ワイヤードロジック(布線論理)

  • CPUに実装された回路だけで実行できる命令制御のこと

 

②パイプライン方式

  • 複数の命令の異なるステージを同時に並行処理することによって命令実行時の高速化を図る方式のこと

 

③スーパパイプライン方式

  • 命令実行過程のステージ動作をさらに細分化し、並列多重度を高めて処理する方式

 

④スーパスカラ方式

  • 命令実行のために回路を複数搭載し、複数の命令の同一ステージを同時に実行できるようにした方式

 

⑤VLIW(Very Long Instruction Word)方式

  • 1つの命令中に複数の操作を指定できる語長の長い命令語を用いて、命令中に指定された複数の操作を同時に実行する方式

 

(3)並列処理

複数の命令を同時に実行する処理

 

①SISD(Single Instruction Single Data Stream)方式

  • 1つの命令で1つのデータに対する処理を行う、最も基本的な処理方式

 

②SIMD(Single Instruction Multiple Data Stream)方式

  • 1つの命令で異なる複数のデータに対する処理を行う方式 

 

③MISD(Multiple Instruction Single Data Stream)方式

  • 複数の命令で1つのデータに対する処理を並列に行う方式 

 

④MIMD(Multiple Instruction Multiple Data Stream)方式

  • 複数の命令で複数のデータに対する処理を並列に行う方式

 

(4)プロセッサの性能計算

①MIPS(Million Instrucitons Per Second)

  • 単位時間当たりの代表的な命令実行回数を表す性能指標

 

②FLOPS(Floating-point number Operations Per Second)

  • 1秒間に実行可能な浮動小数点演算命令の回数を表す性能指標

 

③クロック

  • CPU動作の同期を取る信号のこと

 

④CPI(Cycles Per Instruciton)

  • 1命令の実行に必要なクロックサイクル数を表す単位

 

参考文献: iTEC社 「2019応用情報・高度共通 午前試験対策書」

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