コンピュータシステム構成
コンピュータシステムはハードウェアとソフトウェアの複合体であり、機能によって分割されたマルチレベルの階層構造と見なすことができます。
1.1コンピュータハードウェアの構成
ハードウェアは通常、すべての目に見える有形のデバイスエンティティを指します。元のフォンノイマン（VonNeumann）コンピュータは、算術演算装置を中心として構成されていましたが、現在はメモリを中心にしています。次の図は、コンピューターの最も基本的なブロック図を示しています。
（1）コントローラー。コントローラは、命令を分析して実行するコンポーネントであり、コンピュータのさまざまなコンポーネントの調整された作業を均一にコマンドおよび制御する中心的なコンポーネントでもあり、機械の命令に基づいています。コントローラの構成には、次のものが含まれます。
- プログラムカウンタPC：次に実行する指定アドレスを格納します。
- 命令レジスタIR：実行する命令を格納します。
- 命令デコーダーID：命令のオペコードフィールドを分析して説明します。
- タイミングコンポーネント：タイミング制御信号を提供します。
（2）オペレーター。算術演算装置は算術論理演算装置（ArithmeticandLogicUnit、ALU）とも呼ばれ、その主な機能は、コントローラーの制御下でさまざまな算術演算と論理演算を完了することです。算術演算装置の構成には、次のものが含まれます。
- 算術論理ユニットALU：データ算術および論理演算。
- 累積レジスタAC：データを一時的に格納するために使用されるALUの作業領域を提供する汎用レジスタ。
- データバッファレジスタDR：メモリに書き込むときは、命令またはデータを一時的に保存します。
- ステータス条件レジスタPSW：ステータスフラグと制御フラグを格納します（ジャスティスポイント：一部はコントローラとして分類されます）。
（3）メインメモリ。メインメモリは内部メモリとも呼ばれます（通常、単に「メモリ」または「メインメモリ」と呼ばれます）。機械の指示やデータなど、オンサイト操作の情報と中間結果を保存します。
（4）補助記憶装置。補助記憶装置は外部記憶装置とも呼ばれ、通常は外部記憶装置または略して補助記憶装置と呼ばれます。長期間保存する必要のあるさまざまな情報を保存します。
（5）入力機器。入力デバイスのタスクは、人々の番号付きプログラムと生データをコンピューターに送信し、それらをコンピューター内で認識して受け入れることができる情報に変換することです。入力情報の形式により、文字（漢字を含む）入力、グラフィック入力、画像入力、音声入力に分けられます。現在、一般的な入力デバイスには、キーボード、マウス、スキャナーなどがあります。
（6）出力装置。出力デバイスのタスクは、コンピューターの処理結果を、人間または他のデバイスに受け入れられる形式でコンピューターに送信することです。現在、最も一般的に使用されている出力デバイスは、プリンターとモニターです。一部のデバイスは、補助レジスタ、自動制御および検出システムで使用されるデジタルからアナログへの変換デバイスなど、出力デバイスだけでなく入力デバイスにもなります。
1.2コンピュータシステム構造の分類
コンピュータの開発は、電子管やトランジスタの時代、そして集積回路の時代（中小規模、大規模、超大規模、非常に大規模、非常に大規模）を経てきました。現在、世界最高レベルのモノリシック集積回路チップに含まれる部品の数は80億を超えています。
1.ストアドプロシージャの概念
「ストアドプログラム」の概念は、1964年6月にフォンノイマンらによって最初に提案されました。簡単に要約すると、次のようになります。
（1）コンピュータ（ハードウェアを指す）は、算術演算装置、メモリ、コントローラ、入力デバイス、出力デバイスの5つの基本コンポーネントで構成されている必要があります。
（2）バイナリは、命令とデータを表すためにコンピュータ内で使用されます。
（3）コンパイルしたプログラムと元のデータをあらかじめメモリに保存してから、コンピュータを起動して動作させます。これがストアドプロシージャの基本的な意味です。コンピュータの世界へのフォンノイマンの最大の貢献は、「ストアドプログラム制御」の概念の提案と実現にあります。過去60年間で、コンピューターは驚くべき速度で開発されましたが、その構造原理の観点からは、ほとんどのコンピューターは依然としてストアドプログラムの概念に基づいています。一般に、ストアドプログラムの概念に準拠するコンピュータは、まとめてフォンノイマン型コンピュータと呼ばれます。もちろん、以前のコンピューターと比較して、最近のコンピューターは構造が多く改善されています。
コンピュータ技術の継続的な開発により、フォンノイマン型コンピュータの主な弱点が明らかになりました。メモリアクセスがボトルネックになります。現在、データ駆動型データフローコンピュータ、需要駆動型リダクションコンピュータ、パターンマッチング駆動型インテリジェントコンピュータなど、ストアドプログラムの制御を突破するコンピュータがいくつかあります。これらはまとめて非フォンノイマン型コンピュータと呼ばれます。 。
2.フリン分類
1966年、Michael。J。Flynnは、命令ストリームとデータストリームの倍数性特性に基づいてコンピュータシステムを分類することを提案しました（通常はFlynn分類と呼ばれます）。関連する定義は次のとおりです。
（1）命令ストリーム：マシンによって実行される命令のシーケンスを指します。
（2）データストリーム：入力データと中間結果を含み、出力データを含まない、命令ストリームによって呼び出されるデータシーケンスを指します。
さまざまな命令フロー-データフロー編成方法に従って、フリンはコンピュータシステムを次の4つのカテゴリに分類します。
（1）単一命令ストリームと単一データストリーム（SISD）：SISDは、実際には順次実行される従来のシングルプロセッサコンピューターであり、その命令コンポーネントは一度に1つの命令のみをデコードし、操作部分のみがデータを配布します。
（2）単一の命令ストリームと複数のデータストリーム（単一の命令ストリームと複数のデータストリーム、SIMD）：SMIDは、単一の命令コンポーネントによって制御される複数の繰り返し処理ユニットを含む並列プロセッサ（マトリックスプロセッサ）によって表されます。統合された命令ストリームの要件に応じて、必要なさまざまなデータが割り当てられます。
（3）複数命令ストリームと単一データストリーム（MISD）：MISDにはn個の処理ユニットがあり、n個の異なる命令の要件に従って、同じデータストリームとその中間結果を異なる方法で処理します。ある処理装置の出力は、別の処理装置の入力として使用されます。そのようなシステムは実際にはめったに見られません。組立ラインを複数の命令コンポーネントと見なし、組立ラインコンピュータMISDと呼ぶドキュメントがあります。
（4）複数命令ストリームおよび複数データストリーム（MIMD）：MIMDは、操作、タスク、命令、およびその他のレベルを並行して実現できるマルチマシンシステムを指します。マルチコアプロセッサやマルチプロセッサなどはMIMDに属しています。
1.3複雑な命令セットシステムと縮小命令セットシステム
コンピュータシステム構造開発の過程で、命令システムの最適化設計には、正反対の2つの方向があります。1つは、命令の機能を強化し、複雑な機能を持ついくつかの命令を設定し、元々によって実装されたいくつかの一般的に使用される機能を変更することです。この種のコンピュータシステムは、まとめて複雑な命令システムコンピュータ（Complex Instruction Set Computer、CISC）と呼ばれます。もう1つは、命令機能を可能な限り単純化し、それらの機能のみを単純に保つことです。命令を完了するために1ビートで実行されますが、これはより複雑です。の機能はサブルーチンによって実装されます。この種のコンピュータシステムは、Reduced Instruction Set Computer（RISC）と呼ばれます。
1.CISCコマンドシステムの機能
CISCコマンドシステムの主な機能は次のとおりです。
（1）多数の指示。命令システムには多数の命令があり、通常は100から250です。
（2）コマンドの使用頻度は大きく異なります。最も一般的に使用されるのは、いくつかの比較的単純な命令であり、命令の総数の20％しか占めていませんが、プログラムでの発生頻度は80％を占めています。最も複雑な命令はめったに使用されません。
（3）さまざまなアドレス指定方法をサポートします。サポートされているアドレッシングモードは通常5〜20です。
（4）可変長命令。命令長は固定されておらず、可変長命令は命令デコード回路の複雑さを増します。
（5）命令は、メインメモリユニット内のデータを直接処理できます。一般的なCISCには通常、メインメモリユニット内のデータを直接処理できる命令があり、その実行速度は遅いです。
（6）主にマイクロプログラムによって制御されます。CISCの命令システムは非常に複雑であり、通常はマイクロプログラム制御を使用して、ハードワイヤード論理（組み合わせ論理）回路を備えたコントローラーを実現することは困難です。
2.RISC命令システムの特徴
RISCでは、命令システムの簡素化が必要であり、操作は1サイクルで完了し、命令フォーマットは一貫しており、アドレッシングモードは可能な限り削減され、コンパイルの効率が向上し、最終的には高速化と処理の目的になります。速度が達成されます。RISC命令システムの主な機能は次のとおりです。
（1）命令数が少ない。いくつかの単純なコマンドと最も頻繁に使用されるいくつかの頻繁に使用されるコマンドを優先し、複雑なコマンドの使用は避けてください。LOAD（メモリからの読み取り）とSTORE（メモリへのデータの書き込み）の2つの命令のみがメモリを操作するために提供され、他のすべての操作はCPUのレジスタ間で実行されます。
（2）命令のアドレッシングモードはほとんどありません。通常、レジスタアドレッシングモード、即時アドレッシングモード、および相対アドレッシングモードのみをサポートします。
（3）コマンド長は固定されており、コマンドフォーマットの種類は少ない。RISC命令の量が少なく、フォーマットが小さく、比較的単純で、命令の長さが固定されているため、命令間の各フィールドの分割が比較的一貫しており、デコードが比較的簡単です。
（4）ハードワイヤード論理制御に基づく。操作の実行速度を向上させるために、通常、ハードワイヤードロジック（組み合わせロジック）を使用してコントローラーを構築します。
（5）パイプライン技術を使用した単一サイクルの命令実行。命令システムが簡素化されているため、パイプラインテクノロジーが使いやすく、ほとんどの命令を1マシンサイクルで完了できます。いくつかの命令は複数のサイクルを必要とする場合があります。たとえば、LOAD / STORE命令はメモリにアクセスする必要があるため、実行時間が長くなります。
（6）最適化されたコンパイラ：RISCの簡略化された命令セットにより、コンパイル作業が簡略化されます。命令長が固定され、フォーマットが小さく、アドレッシングモードが小さいため、コンパイル時に同様の機能を持つ多くの命令の中から選択する必要がなく、アドレッシングモードの選択について心配する必要もありません。同時に、最適化を簡単に実現できるため、非常に効率的な実行が可能になります。マシンコード。
（7）CPUには多くの汎用レジスタがあり、通常は32を超え、数千に達するものもあります。
ほとんどのRISCは、キャッシュを使用して命令のフェッチ速度を向上させます。さらに、一部のRISCは、パフォーマンスを向上させるために2つの独立したキャッシュを使用します。1つは命令キャッシュと呼ばれ、もう1つはデータキャッシュと呼ばれます。このようにして、命令のフェッチとデータのフェッチを、互いに干渉することなく同時に実行できます。
1.4バス
バスは、タイムシェアリング方式で複数のコンポーネントで共有できる共通の情報伝送ラインのグループです。共有とは、複数のコンポーネントをバスに接続でき、各コンポーネント間で交換される情報をこの一連のパブリック回線を介して送信できることを意味します。タイムシェアリングとは、1つのコンポーネントのみが同時にバスに情報を送信できることを意味します。 2つまたは2つ以上のコンポーネントが同時にバスに情報を送信すると、信号の競合が発生します。もちろん、同時に、複数のコンポーネントがバスから同じ情報を同時に受信することもできます。
CPUまたは他のチップに対するバスの位置に応じて、内部バスと外部バスの2つのタイプに分けることができます。CPU内では、レジスタ間および算術論理演算装置ALUと制御装置間でデータを転送するために使用されるバスは内部バスと呼ばれます。外部バスはCPUとメモリRAM、ROM、および入力/間の通信パスを指します。出力デバイスインターフェイス。CPUはバスを介してプログラムフェッチ命令とメモリ/周辺機器データ交換を実装するため、CPUと周辺機器が固定されている場合、バス速度がコンピュータの全体的なパフォーマンスを制限する最大の要因になります。
バスの機能により、アドレスバス、データバス、制御バスの3種類に分類できます。通常バスと呼ばれるものには、この3つの要素があります。アドレスバスはアドレス情報の送信に使用され、データバスはデータ情報の送信に使用されます。、制御バスはさまざまな制御情報の送信に使用されます。