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    CPUから見たプリント基板

    CPUの設計と複雑さの進化は、さらに小型で信頼性の高い電子部品を使うことで達成された。その最初の進化は、新たに発明され急激に性能の向上したトランジスタの利用である。これによって、1950年代から1960年代には、かさばって信頼性の低い真空管やリレーは使われなくなり、トランジスタ製CPUが主流となった。この改善によってさらに複雑で信頼性のあるCPUを一枚から数枚のプリント基板で構成できるようになったのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たMIPSアーキテクチャ

    一般に市販された製品としては、非同期設計を表に出したマイクロプロセッサはあまり一般的ではないが、研究室での試作といったレベルでは研究・試作はさかんに行われており、日本のものでは南谷らによるTITACなどが知られている。海外ではマンチェスター大によるARMベースのAMULETは(技術的ではない理由で中止にはなっているが)市販品に使用される予定があった。他にMIPS(R3000)ベースのMiniMIPSなどがある。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たサブルーチン

    いくつかの命令はプログラムカウンタを操作する。それらは一般にジャンプ命令と呼ばれ、ループを構成したり、条件分岐をしたり、サブルーチンを実現するのに使われる。また、多くの命令はフラグレジスタを変化させる。それらのフラグはプログラムの動作に影響を与える。たとえば比較命令は二つの値を比較してフラグレジスタにその大小を示す値をセットする。そして、その値を使用してその後の処理の流れを決定するのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たMTBF

    デジタル機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかのスイッチを必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、リレーや真空管がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、チャタリングをはじめ、コイル(インダクタ)によって発生する高電圧などの問題があった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、劣化により動作中にカソードの電子放射能力が減退(エミッション減退)して動作不能になってしまう。真空管が劣化・故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。EDVACのような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間(MTBF = Mean Time Between Failure)は約 8 時間であったが、Harvard Mark Iのようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、信頼性よりも性能が重視され、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUのクロック周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100kHz〜4MHz程度であった。これは、当時の論理素子(真空管)のスイッチング速度によって限界が定められていたのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見た補助記憶装置

    CPUは記憶装置上にあるプログラムと呼ばれる命令列を順に読み込んで解釈・実行することで情報の加工を行う。CPUはコンピュータ内での演算を行なう中心であり、CPUは通常はバスと呼ばれる信号線を介して主記憶装置や入出力回路に接続され、何段階かの入出力回路を介して補助記憶装置や表示装置、通信装置などの周辺機器が接続され、データやプログラムなど情報のやりとりを行う。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たチャタリング

    デジタル機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかのスイッチを必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、リレーや真空管がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、チャタリングをはじめ、コイル(インダクタ)によって発生する高電圧などの問題があった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、劣化により動作中にカソードの電子放射能力が減退(エミッション減退)して動作不能になってしまう。真空管が劣化・故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。EDVACのような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間(MTBF = Mean Time Between Failure)は約 8 時間であったが、Harvard Mark Iのようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、信頼性よりも性能が重視され、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUのクロック周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100kHz〜4MHz程度であった。これは、当時の論理素子(真空管)のスイッチング速度によって限界が定められていたのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たアナログ-デジタル変換回路

    このMCUはCPUに加えてプログラム格納用を含む半導体メモリやGPIOとシリアルIO、DAC/ADCといった各種入出力機能にタイマーやDMACにクロック回路、必要に応じてDSPやフラッシュメモリなどの周辺回路を1つのパッケージに内蔵して、主に小型の組込み機器の制御に使用される。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たデジタル・イクイップメント・コーポレーション

    同じ1964年、DECも、「PDP-8」という後世に影響を与えたミニコンピュータを、科学分野や研究分野に向けてリリースした。DECは、後にさらに広く使われることとなる「PDP-11シリーズ」を発表したが、このシリーズは、後に集積回路(IC)が使えるようになると、それを使ったバージョンも製造されている。トランジスタを使ったCPUでは、新たな設計上の工夫をする余裕が生じ、SIMDやベクトル計算機と呼ばれるものが出現した。そのような初期の実験的設計は、後にクレイ社の製造したスーパーコンピュータのベースとなっている。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たポラックの法則

    1970年代中頃に登場したマイクロプロセッサにより、CPUなどに使われるプロセッサは1チップの大規模集積回路(LSI IC)に集積されるようになった。当初は当時の微細化の限界から4ビットや8ビットのプロセッサであったが、1980年代には16ビットや32ビットで、それに加えプロセス保護などメインフレームに追いつくような機能を持つものや、周辺機能やメモリ等を集積した、いわゆるワンチップマイコンなども多数現れた。もうひとつの特色はMOS(特に1980年代後半からは、CMOS)であることである。原理上、消費電力は抑えられるが、当初は遅かったことから、電卓など消費電力が重要で速度が重要でない分野から広まったが、微細化が進めば進むほど静電容量が減り高速化できるという特長があり(デナード則)、動作周波数は当初の1MHz程度から、2010年代には数GHzまで上がっている。微細化は、より多くのゲートを載せることができる、ということでもあり、より複雑で高性能なプロセッサが作られるようにもなった(ただし近年は、性能向上以上に複雑化が進む傾向である(ポラックの法則))。微細化による集積度の向上の傾向はムーアの法則により定性的にモデル化されている。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見た命令セット

    CPUがメモリからフェッチした命令によってCPUの次にすべきことが決定される。デコードでは、命令をCPUにとって意味のある形式に分割する。命令を表す数値をどう分割するかは、予めそのCPUの命令セットで決定される。命令の一部の数値は命令コードと呼ばれ、実行すべき処理を指定する。その他の部分はオペランドと呼ばれ、その命令で使用する情報を示している。たとえば加算命令のオペランドは加算すべき数値を示している。オペランドには数値そのものが書かれていたり、数値のある場所(メモリのアドレスかレジスタの番号)が書かれている。古い設計では、デコーダ(デコードを行う部分)は変更不可能なハードウェア部品だった。しかし、より複雑で抽象的なCPUや命令セットではマイクロプログラム方式がしばしば使われ、命令を様々な信号に変換するのを助けている。このマイクロプログラムは書き換え可能な場合があり、製造後でも命令デコード方法を変更することができる。CPU フレッシュアイペディアより)

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