第３章 情報工学の基礎 ３．１ ３．２ ３．３ ３．４ 情報量 単位と数の表現方法 論理回路 コンピュータ ３．４ コンピュータ ３．４．１ ３．４．２ コンピュータとは コンピュータの利用 ３．４．１ コンピュータとは （１）コンピュータの５大機能 中央処理装置（ＣＰＵ） 入力機能 演算機能 制御機能 記憶機能 出力機能 （２）各機能の役割 ①演算機能 ： 算術計算や論理演算を行う。 ②制御機能 ： 機械語命令の解読，実行制御を行う。 ③記憶機能 ： プログラムや実行時のデータを記憶する。 ④入力機能 ：プログラムやデータを読み込み，主記憶装置に転送する。 ⑤出力機能 ： 処理結果を出力する。 通信機能は， 入力機能と出力機能を併せ持つ入出力機能のひとつ としてみなすことができる。 （３）各機能を果たす装置 ①演算機能を果たす装置 ：演算装置（ALU：Arithmetic Logical Unit） ②制御機能を果たす装置 ：制御装置（CU：Control Unit） これらを併せて 中央処理装置（CPU：Central Processor Unit） ③記憶機能を果たす装置 ：主記憶装置（Main Memory Unit） ④入力機能を果たす装置 ⑤出力機能を果たす装置 ：入力機器（Input Device） ：出力機器（Output Device） これらを併せて 入出力機器（I/O Device： Input/Output Device） （４）補助記憶装置と仮想メモリ 入出力機器のうち， ①大量のデータ保存が可能 ②他の入出力機器より比較的高速アクセスが可能 例えばハードディスク 主記憶装置のメモリが不足した場合， 主記憶装置の替わりに使用されることがある。 装置 補助記憶装置 （Auxiliary Memory Device） 補助記憶装置内に格納された領域 仮想メモリ （Virtual Memory） （５）ハードウェアの基本構成 （通信機能用の装置を含める） データ 端末装置 通信回線 中央処理装置 演算部 制御部 通信制御 処理装置 転送装置 （チャネル） 入力装置 出力装置 記憶装置 主記憶装置 補 助 記憶装置 （６）信頼性からみたハードウェアの構成方法 シンプレックスシステム （単一の構成） 通 信 制 御 装 置 分配装置 デュプレックスシステム 故障がおきた時点で切り替える。 主記憶 装 置 主記憶装置 中央処理装置 通信制御 装 置 補助記憶装置 通信制御 装 置 補助記憶装置 系１ 中央処理装置 主記憶装置 チェック機構 中央処理装置 補助記憶装置 主記憶装置 系２ 切 替 装 置 中央処理 装 置 中央処理 装 置 主記憶 装 置 切 替 装 置 補 助 記憶装置 （予備系） デュアルシステム 両系で同一処理を行い， 処理結果を照合しあい， 照合結果が不一致の場合， 障害発生系を切り離す。 （７）マルチプロセッサ方式 共有メモリを持つ方式 共有メモリを持たない方式 Ｉ／Ｏバス ＣＰＵ １ ＣＰＵ ２ ＣＰＵ ２ 入出力 チャネル 入出力 チャネル 入出力 チャネル デッドロック 制御 ＣＰＵ １ ＣＰＵ ２ ＣＰＵ ２ 共有メモリ メモリ １ メモリ ２ メモリ ２ ①電子回路的に密に結合される。 ②共有メモリアクセスで デッドロック制御が必要。 ③同一のOSで実行する必要がある。 ①CPU間はチャネルやI/Oバスを 介して結合。 ②プロセッサのOSが異なってもよい。 ②プロセッサ間で通信を行う必要がある。 ３．４．２ コンピュータの利用 （１）オペレーティングシステムとは コンピュータハードウェアを効果的に利用するために， ハードウェアと各種アプリケーションに介在して， タスク管理やメモリ管理など基本的な処理を行うソフトウェア 各種アプリケーション／ユーティリティプログラム オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating System） プログラム の読込み タスクの 実行管理 使用メモリ 領域の管理 入出力機器 の割当て （２）オペレーティングシステムの目的 ①スループットの向上 ②ターンアラウンドタイムの短縮 ③信頼性の向上 ④使いやすさの向上 ［用語の意味］ スループット ： 単位時間内に処理できる仕事量 （throughput） ターンアラウンドタイム ： コンピュータに処理依頼を出してから （turnaround time） 処理結果が利用者の手に渡るまでの時間 （３）スループットの向上 ＣＰＵが動作していない遊休時間（idle time）を短縮することが重要 （a）ジョブの連続処理 Job 1 Job 2 Job 3 Job 4 人手による操作実行 ＯＳによる自動実行 Job 1 準備時間 Job 2 Job 3 Job 4 短縮時間 実行時間 後処理時間 （b）多重プログラミング（入出力処理速度はＣＰＵの速度に比べて遅いことを利用） Job 1 Job 2 入出力装置 単純実行 Job1 CPU処理 CPU 入出力装置 1 入出力装置 2 短縮時間 Job2 CPU処理 （４）ターンアラウンドタイムの短縮 （汎用大型コンピュータの場合） 多重度の上げ過ぎ スループットは良くなるが，入出力の待ち時間で， ターンアラウンドが長くなる。 このようなときは ジョブに優先度を付け， 緊急度の高いジョブのターンアラウンドを短縮する （５）多重プログラミングにおけるタスク管理 コンピュータ処理の最小単位をタスクと呼ぶ タスク生成 実行可能 状態 ジョブ開始 入出力割込み 待ち状態 タスク タスク待ち行列 タイマ 割込み ディスパッチ SVC割込み タスク消滅 ジョブ終了 実行状態 （６）タスクスケジューリング方式 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ① 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） オーバヘッドが少ないがCPUを占有する割合が高く入出力が少ない タスクを優先してしまう。 ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ② 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 タスクに優先度を付けてCPUを割り当てる。優先度の低いタスクに いつまでも実行権が渡されないスタベーション（starvation：無期延 期）が生じることがある。 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ③ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） 連続してCPUを使用する時間が短いジョブを優先する。ただし， CPUを使用する時間を予想することが困難である。 ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ④ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 各タスクに一定のタイムスライスを与え，タイムスライスを使い 切ったタスクを実行可能待ち行列の末尾に置く方式。比較的単純な スケジューリングであり，公平に実行権を与えることができる。 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ⑤ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ラウンドロビン方式に優先度を付ける方法。 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ⑥ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 多重待ち行列方式を拡張して，擬似的に最短ジョブ優先を実現する 方式。起動直後のタスクに最も高い優先度と短いタイムスライスを 与え，タイムスライス内に終了しなかった場合，一段低い優先度と 一段長いタイムスライスを設定して待ち行列に入れる。以後，これ を繰り返すことで，短いタスクほど起動直後の高い優先度を与えら れた状態で終了する可能性が高くSJFに近い結果が期待できる。 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド ⑦ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 入出力チャネルや周辺機器からのイベント発生にしたがって，スケ ジューリングを行う。対話型処理が多い場合に適しており，ラウン ドロビン方式等と組み合わせることが多い。 ⑧マルチスレッド ⑧ 実行可能状態のタスクを実行状態に移す方式 ①到着順方式（FCFS：First Come First Serve） ②優先度順方式 ③最短ジョブ優先（SIF:Shortest Job First） ④ラウンドロビン方式 ⑤多重待ち行列方式 ⑥フィードバック待ち行列方式 ⑦イベントドリブンスケジューリング方式 ⑧マルチスレッド タスクをさらに小さな単位に分割し，それを細かい時間単位で切り替 える。小さな単位をスレッド，軽量プロセスと呼ぶ。スレッドはタ スクに割り当てられたメモリを使用するため，OSのオーバヘッドが 少ない。データベースやマルチプロセッサ方式のコンピュータに有 利である。 （７）仮想マルチプロセッサシステム １つのCPU内に論理的な複数のプロセッサを持つことで， 単一ＣＰＵを論理的な２つ以上のCPUとみせて， 結果的に処理能力を高める手法もある。 この手法では命令を先読みし， 投機実行しておく方法が採用される。 ［例］インテルのハイパースレディングテクノロジー 投機実行：無駄になるかもしれないが，前もって後の命令を実行しておくこと。
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