Zenn
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コンピューターシステム1[基本情報]

2024/12/06に公開
基本情報技術者試験
tech

五大装置

CPU

中には制御装置と演算装置が入っている。
CPU性能が高いと、同じ作業をより短時間で実行できるため、全体の処理速度が向上します。
CPUの性能を評価する基準には、以下のような指標が使われます。

  1. クロック周波数：CPUが1秒間に処理できるクロック数を表します（何回震えるか）
    周波数が高い＝性能が良い傾向がある
  2. CPI：1命令を実行するのに必要なクロック数を表します。
    CPIが小さい＝性能が高い（少ないクロックで1命令を実行できるほど効率的。）
クロック周波数の基準
1Mhz(メガ)＝1秒に100万回震える
1Ghz(ギカ)＝1秒に10億回震える
何秒か（ナノとか）
（ミリ）⇒（マイクロ）⇒（ナノ）
0.0000003の場合
0.000の時点で（ミリ秒）
0.000000の時点で（秒マイクロ秒）
つまり0.000(ﾐﾘ)000(ﾏｲｸﾛ)3をﾅﾉにしようとおもったら後0を2つ足さないとﾅﾉにならない
つまり、、、、、300（ﾅﾉ秒）
MIPS
1MIPS＝「100万命令／秒」
捨てる

命令実行サイクル

制御装置が命令を実行するまでの４ステップの事

  1. 命令フェッチ：プログラムカウンタから命令を取り出す
  2. デコード：
  3. オペランド読み出し
  4. 命令実行
    ＜出てきた単語🙃もう嫌＞
    汎用レジスタ：いろいろな値を保存
    プログラムカウンタ：次の命令位置を保存
    アキュムレータ：演算対象や演算結果を保存
    命令デコーダ：命令を解読してCPU内の各装置に信号を送る

処理の高速化

処理の高速化には様々な方法がある。

  • マルチプロセッサ:複数のCPUを協調動作して処理を高速化させること
  • マルチコア:１つのCPUの中に複数のコアを内蔵することで処理を高速化させる事
    （マルチプロセッサよりは性能が落ちるが値段が安い）
  • パイプライン:複数の命令を同時に実行する為に命令処理を分割し各処理を並行して実行する技術
    （1列ずつのやり方は逐次実行）
  • スーパースカラー:パイプラインを２つ同時に処理をして２命令を１処理で実行する事。

主記憶装置

  • DRAM：電源が切れる＝データ失。（揮発性）
    定期的なリフレッシュが必要。安・早・アドレス単位で書き込み
  • レジスタ：めちゃ容量小さい・けどDRAMより断然早い。
  • SRAM：ｷｬｯｼｭﾒﾓﾘで使用・揮発性・リフレッシュ不要（２つの安定状態を持つフリップフロップ回路のおかげ）・高価で容量小・DRAMより速い

主記憶装置の容量管理

  • 固定区画方式:：あらかじめ決めたサイズに区画を作成するので速く管理しやすいが無駄な容量が発生する。
  • 可変区画方式：ロードしたいサイズに区画を作成するので容量に無駄はないが管理コスト高
    🌟可変区画方式の際のみフラグメンテーションが起きる。（書き込みや削除を繰り返した結果空き容量が断片化[あちこちにある]してしまい新しい大きな容量を確保できない。）
    👆この小さな空き容量をまとめて空きを作ることをメモリコンパクション(ガベージコレクション)という

ROM

  • マスクROM
  • PROM: EPROM(紫外線で全消去)EEPROM(電気で書き換え)の２種類
    特に近年よく出るのがEEPROMでこの一種にフラッシュメモリがある！セットで覚える！
  1. マスクROM：書き込み不可（製造時のみ書き込み）/不揮発性メモリ
  2. EEPROM：バイト単位で「削除」＋「書換」可能/不揮発性メモリ
    (フラッシュメモリはブロック単位)

仮想記憶

補助記憶装置を活用し見かけ上の主記憶装置の容量を大きくする仕組みの事。
仮想記憶を実現する主な方法は以下の2種類👇

  1. スワッピング
  2. ページング

１．スワッピング

スワッピングとは、コンピュータのメモリ管理手法の一つで、主記憶（RAM）に収まりきらないデータやプログラムを補助記憶装置（HDDやSSD）に一時的に退避させ、必要に応じて再び主記憶に戻す仕組みです。

  • データを呼び出した際に補助記憶装置⇒主記憶装置にデータが入ることをスワップイン
  • データの呼び出しが大量になった時必要ないものを補助記憶装置に戻す事をスワップアウト
  • 可変区画方式を採用: プロセス全体を扱うため、フラグメンテーション(断片化)が起きることがある。

２．ページング

ページングとは、コンピュータのメモリ管理やデータ表示において、データを一定のサイズ（ページ）に分割し、必要な部分だけを扱う仕組みです。

  • データを呼び出したが主記憶装置がない状態をページフォールト
  • データを呼び出した際に補助記憶装置⇒主記憶装置にデータが入ることをページイン
  • 持ってきたページの必要部分以外は補助記憶装置に戻す事をページアウト
    （後々呼び出しが大量になり主記憶に入らない！を避ける為先にストレージ確保しとく働き）
  • 固定区画方式:同じサイズなので管理が楽だが無駄な容量が発生

つまりページングは必要なものだけ持っておくのでメモリが少なくて済む！という効率の良さを持つ一方で、ページングではメモリが固定サイズのページに分割されるため、小さいデータでもページ全体を占有することになり無駄な容量の発生につながることがある....と🤔ふーーーーーーん?

ページ置換アルゴリズム

先程も述べた通りページングでは必要なデータだけを取り扱ったりするので頻繁にページの入れ替え（ページフォールト）が発生する。
その時にどのページを追い出すかを決めるページ置換アルゴリズムというルールが重要！
(これはページング方式でのみで使われるルール！！！🤯)

仮想記憶を使用していても主記憶が少ないとページフォルトが多発する為システムの効率はまぁ低下する。これをスラッシングという🤮（まぁ最低限主記憶大きくしとけよ/ページ開きすぎや閉じろって事ね）

ハードディスク

  1. 特徴
    ・容量が大きいが、処理速度が遅い。
    ・主記憶装置（揮発性）のデータを保存するための不揮発性ストレージ。

  2. 構造と単位
    ・セクタ：書き込みの最小単位（1セクタ = 512バイト）。
    ・クラスタ：複数のセクタをまとめた単位。主記憶装置とのデータ読み書きはクラスタ単位で行う。
    ・ディスク: ハードディスク全体を指す。
    ・プラッタ: 複数枚重ねられたディスクの1枚。
    ・トラック: プラッタ上(1枚分)の1周分のデータ記録部分。
    ・シリンダ: 複数のプラッタにおいて、同じトラック位置を束ねたもの。
    ・磁気ヘッド：各プラッタごとに存在し、データを読み書きする。

  3. 動作
    ・シーク：磁気ヘッドがディスク上を移動する動作。
    ・サーチ時間：データの開始位置に移動する時間。
    ・転送時間：データを読み取る時間。
    ・「アクセス時間」 = 「シーク時間」 + 「サーチ時間」 + 「転送時間」
    ・「アクセス時間」 = 「平均位置決め時間」 + 「回転待ち時間」 + 「転送時間」

  4. 接続方式
    ・SATA（シリアルATA）：ハードディスクの一般的な接続インターフェース。

簡潔にまとめると、ハードディスクは容量が大きく、クラスタ単位でデータをやり取りし、プラッタや磁気ヘッドなどの構造で構成されています。
アクセス時間はシーク時間とサーチ時間と転送時間の合計で決まります。

SSD：機械的な可動部分が無く，電力消費も少ないという特徴をもつ補助記憶装置
CD-R:記録媒体の記録層として有機色素を使い，レーザ光によってピットと呼ばれる焦げ跡を作ってデータを記録する光ディスク

正直全然わからんしおもんない

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