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

ＦＤＢＡ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ

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

Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ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

Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ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)

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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

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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

ＣＰＵ Ｉ /Ｏ ＣＰＵ Ｉ /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

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・ 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

実行可能状態 実行状態

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

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

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タスク管理

実行可能状態 実行状態

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

ＣＰＵでタスクを

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 )

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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

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練習問題： タスク管理 (つづき )

CPU

A I/O

B I/O

C I/O

35

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37

練習問題： 記憶の階層 実効アクセス速度 15 ns

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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

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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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 horiyama@al.ics.saitama-

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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