「作って理解するOS」読書メモ 第1章ハードウェアの基礎

スイッチング動作の基礎

• 電圧の時間発展を表す図を タイミングチャート という
• システムの動作の基準となる信号を クロック信号 という
• Enabled 状態と Disable 状態の比率を デューティ比 という
• 高電圧時にアクティブ状態とするものを 正論理、低電圧時にアクティブ状態とするものを 負論理 という

ハードウェアに計算させる方法

• NOT
• AND
• OR
• XOR

加算回路

• ある 1 ビット値 X0, Y0 に対してその和は最大 2 ビットになりうる
• 演算結果の上位ビット B1 は桁上がりの有無を示すが、これは単純に X0, Y0 が共に 1 の場合、つまり AND 演算の結果となる
• 演算結果の下位ビット B0 は桁上がり、もしくは双方ともゼロのときに 0 となる、すなわち XOR 演算の結果となる

全加算器と半加算器

• 前述の加算器を横に並べていけば計算できる数値の範囲を広げられるが、上位の場合、下位からの桁上がりを考慮する必要があるので少し回路に手を加える必要がある（当然入力信号はひとつふえて、計 3 つとなる）
• 下位からの桁上がりを考慮した加算器を 全加算器、そうでないものを 半加算器 という
• 全加算器の各ビットの演算結果は以下のようになる
  • 全加算器の演算結果の下位ビット B は入力値すべての XOR 演算の結果となる、すなわち Ci XOR Xi XOR Yi
  • 全加算器の演算結果の上位ビット C は入力値 Xi, Yi が共に 1 （= Xi AND Yi） または Xi + Yi の下位ビットと Ci が共に 1 (Xi XOR Yi) AND Ci のときにアクティブ、すなわち Xi AND Yi OR (Xi XOR Yi) AND Ci
  • 単純に考えれば下位ビットは Xi, Yi を半加算器を突っ込んだ結果の下位ビットと Ci をさらに半加算器に突っ込んだ下位ビット
  • 単純に考えれば上位ビットは「Xi, Yi を半加算器を突っ込んだ結果の上位ビット」と「Ci を半加算器を突っ込んだ結果の上位ビット」の論理和

乗算器

• 2 進数の特性を生かしてビットシフトするだけ
  • 例: 1 = 001(2) を 1 ビット左にシフトすると 010(2) = 2、繰り返すと 100(2) = 4
  • 右シフトすれば 1/2 となる
• 符号付演算の場合最上位ビットを保持する 算術シフト を行う
• MSB を気にせずに単純にシフトすることを 論理シフト という

• 図中で、乗算器の演算結果は Y からの入力ビットが立っているときにのみ有効となる
  • 7 倍であれば 0111(2) という信号を送る
• このような信号を イーネブル信号 という

演算装置

• 以上にように加算器、減算器、乗算器、除算器を作成したのちに、それらを組み合わせ、イネーブル信号によってどの演算を行うか選択できるようにしてあげれば演算装置ができあがる
• このような演算装置に出した演算命令を プログラム とよぶ

より高度な演算を行うために

• 前述のような演算装置を用いて回路を組んだ場合、プログラミングとその実行は回路の構成 → 演算 → 計算結果の視認という流れになる
• 連続した演算処理を行うためにあらかじめ処理内容を記録しておき、その結果を格納できるような記憶装置があればより高速に演算できる
  • メモリから処理内容を読む → 処理を実行する → 次の処理内容を読む → 処理を実行する →...

ハードウェア

CPU とは

• これまでにみてきた基本的な演算処理に加えて、いくつかの演算を可能にしたものを ALU(Arithmetic Logic Unit) という
• こうしたものと、演算を補助する記憶領域（レジスタ）などをいくつかの装置を組み合わせたものを CPU(Central Processing Unit) という
  • ゼロフラグ、パリティフラグ、キャリーフラグなど計算を効率化させるためいくつかの特殊な用途のレジスタもある
  • レジスタは ALU に直接接続されており、高速にアクセスが可能
• 演算装置、記憶装置およびその制御回路の組みをコアとよび、1 チップに複数のコアを搭載した CPU を マルチコア CPU とよぶ

メモリ とは

• レジスタは非常に限られたデータのみしか保持できない
• レジスタよりもアクセスは低速となるが多くのデータを保持できる記憶装置としてメモリを利用する
• CPU からメモリ上のアドレスを指定して 1 byte 単位で読み書きを行う
  • アドレスの指定は アドレスバス、データの転送は データバス を介してやりとりする
  • アドレスバスにて指定されたデータはメモリ内のセレクタによってアクセス可能な状態となる

メモリの操作とプログラムの実行

1. メモリから値をレジスタに読み出す
2. レジスタの値をインクリメントする
3. レジスタの値をメモリに書き込む

• メモリからレジスタに読み出す命令: [0] LD_X {ADDRESS}
• レジスタの値をインクリメントする命令: [2] INC_X
• レジスタからメモリに書き込む命令: [4] ST_X {ADDRESS}

• LD_X 8
• INC_X
• ST_X 8

• 命令とデータが同じメモリ領域に書かれていると、命令開始アドレスが 1 バイトずれただけで以後正常に動作しなくなるがこれを ノイマン型アーキテクチャ という
• 命令とデータ領域が別れているものを ハーバード型アーキテクチャ という

タスクの切り替え

1. メモリから値をレジスタ X に読み出す
2. レジスタ X の値をインクリメントする
3. レジスタ X の値をメモリに書き込む
4. 次のタスクに切り替える
5. メモリから値をレジスタ Y に読み出す
6. レジスタ Y の値をインクリメントする
7. レジスタ Y の値をメモリに書き込む
8. 次のタスクに切り替える
9. 以下同様

• メモリからレジスタに読み出す命令: [0] LD_X {ADDRESS}
• メモリからレジスタに読み出す命令: [1] LD_X {ADDRESS}
• レジスタの値をインクリメントする命令: [2] INC_X
• レジスタの値をインクリメントする命令: [3] INC_X
• レジスタからメモリに書き込む命令: [4] ST_X {ADDRESS}
• レジスタからメモリに書き込む命令: [5] ST_X {ADDRESS}
• 指定されたアドレスにジャンプする命令: [6] JMP {ADDRESS}

00 LD_X
01 8
02 INC_X
03 ST_X
04 8
05 JMP
06 10
07 -
08 0 # ここのデータをインクリメントしていく
09 -
10 LD_Y
11 18
12 INC_Y
13 ST_Y
14 18
15 JMP
16 0
17 -
18 0 # ここのデータをインクリメントしていく
19 -
20 ...

• 前述のプログラムは操作対象のメモリのアドレスを 8, 18 などと絶対値で指定しているが、プログラムがメモリ空間のどの位置に展開されるのかは実行時に定まるため、絶対アドレス を指定しているとアドレスの重複が避けられない
• こういった状況でうまく動作するように 相対アドレス を指定できる必要がある
  • プログラムカウンタ（PC）レジスタを基準として相対アドレスを指定できる
• また実際にプログラムが実行される際には、プログラムが配置される コード領域 と実行時に必要なデータが配置される データ領域 に分けてメモリの割り当てが行われる
  • コード領域とデータ領域は連続しているとは限らず、実行時に OS によって割り当てられる
  • 一般にコード領域のサイズはプログラムサイズからわかるが、データ領域のサイズは実行時にならないとわからない
  • コード領域は同じタスク間で不変なので共有できる
• データ領域の管理は スタックポインタ(SP) というレジスタを用いて行う
  • OS 割り当てられたアドレス範囲+1 の値が SP に割り当てられる
  • SP に対してデータをスタックして利用する形となり、この領域に収められているデータを ローカル変数 ともよぶ

• SP をデクリメントし、X レジスタの値を保存する命令: [8] PUSH_X
• SP をデクリメントし、Y レジスタの値を保存する命令: [9] PUSH_Y
• X レジスタの値を保存し、SP をインクリメントする命令: [10] POP_Y
• Y レジスタの値を保存し、SP をインクリメントする命令: [11] POP_Y

00 PUSH_X
01 LOAD_X
02 SP[0]
03 INC_X
04 SAVE_X
05 SP[0]
06 10
07 JMP
08 PC - 5

• データ操作の対象が相対アドレスで指定されている場合、レジスタの状態が正しく保存・復元されればば、タスクをいつでも中断し、切り替えることができる
• タスクが使用するすべてのレジスタの状態のことを コンテキスト といい、異なるタスクに移行する際にはコンテキストスイッチがオーバーヘッドとなる
• OS がマルチタスクを実現するために 割り込み という仕組みがある
  • 割り込みによって PC レジスタに設定される値を 割り込みベクタ(ベクタアドレス) という
  • 特に複数タスクの実行を定期的に切り替えるためには タイマー割り込み という一定期間に割り込みが発生する仕組みを利用している
• 処理とは別に一定の信号をキープしたい外部デバイスなどがある際には ポート がその役割を担う
  • CPU は任意のタイミングでポートの信号を変化させられる
  • また機器によっては逆に CPU に割り込みを行うことも可能

外部記憶装置

• 電源が投入されていない状態でも大量データを保持するために使う

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