計算機システムⅡ第 1回和田俊和

講義の概要• コンピュータを，「バス」，「主記憶」，「CPU」などマクロな機能単位，の組合わせとして理解することを目的としている．

1. まず，コンピュータの歴史を通じて，コンピュータがどのように誕生し，高度化していったのかについて学ぶ（１−４）．

2. 次に，CPUがALUと制御回路から成り立ち，命令によって主記憶装置とのデータのやり取りが変わること，RISC,CISCなどの命令セットアーキテクチャを学ぶ（５−８）．

3. 最後に，計算の効率を向上させるためのパイプライン処理や並列処理，実行順序の変更などについて学ぶ（９−１４）

4. 最後に，現代的なアーキテクチャについて学んだ後試験を行う．

講義計画1. コンピュータの歴史１（←本日）2. コンピュータの歴史２3. コンピュータの歴史３4. 演習問題5. 論理回路と記憶，計算：レジスタとALU6. 主記憶装置とALU，レジスタの制御7. 命令セットアーキテクチャ8. 演習問題9. パイプライン処理10. メモリ階層：キャッシュと仮想記憶11. 命令レベル並列処理12. 命令実行順序の変更13. 入出力と周辺装置：DMA,割り込み処理14. 演習問題15. 現代的な計算機アーキテクチャの解説と試験

• 教科書：坂井修一著：電子情報通信学会レクチャーシリーズＣ−９，コンピュータアーキテクチャ，コロナ社

• 最終回の試験によって成績評価を行う．５回以上欠席で不合格とする．

人はなぜ計算をしたのか？約 25000 年前，後期旧石器時代

• 獲物の頭数 , 農産物の収穫量の勘定・計算• 分配量の決定• 租税の計算• 川の氾濫と面積計算• 航路の決定（天文学，暦）• 数表（主に三角関数）• 時間の見積もり

人はなぜ計算をすることを拒んだか？

• 「機械的」計算を人が行うのは–苦痛である–間違いが起きる–時間がかかる

• 「機械的」計算は機械に行わせるべきである．という発想は自然．–チャールズ・バベッジが「数表の危機」を解決しようとした．

–コンラッド・ツーゼが「 30元連立方程式を解く機械を作ろう」と提案し，上司に拒まれ，会社を辞めた

加減算の道具：アバカス・そろばん

BC1000 ～ 500• 加減算だけなら，石を並べればできる．しかし，大きな数の加減算には多数の石が必要．

• ⇒ 位取り記法（ 10 進数）の利用．さらに， 5進数とも組み合わせる．

• ⇒ この結果， 0-99 の数を 10 個の石で表現できるようになった．

• 問題点：各桁の計算と桁上がりは人が行う．

乗算の道具：ネピアの骨・算木1550 ～ 1617

• 九九を書いた棒を用いて任意桁と一桁の数の乗算を行う．桁上がりの加算は人間が行う．

ネピア：対数の発明者でもある．

479×8の例

=　　 3　　 8　 　3　 　 2

歯車を使った計算機：１• レオナルドダビンチ（ 1452 ～ 1519 ）は歯車式計算機を

設計していない

• この歯車では計算できない．

歯車を使った計算機：２• シッカートが最初．（原理はネピアの骨）

ケプラー： 1571～ 1630 シッカート： 1592～ 1635

この背面にネピアの骨を円柱上に記した棒が 6本入っている．加減算とメモリは独立

機械的な歯車計算機• パスカル（ 1623 ～ 1662 ）のパスカリーヌ．

税務官吏の父を助けるために 18 歳の時に制作．加算専用（減算は補数を使用．）

• ライプニッツ（ 1646 ～ 1716 ）， 5 桁 ×12 桁の 16 桁の積，除算が計算できた．但し，積は加算，除算は減算の繰り返し．

数表の危機 19 世紀

• 船の航路を決定するには天文観測に基づく自己位置の決定が必要．

• この計算には，三角関数が用いられたが，当時出版されていた数表には誤りが多数存在したため，正誤表が出版され，さらにその正誤表が出版されるというほど混乱していた．

• 何が正しい値かを誰も把握できなくなり，これが原因で船の座礁等の事故も起きた．

歯車を使った計算機：２チャールズ・バベッジ（ 1791～ 1871）の夢

• 階差機関–数表の自動的計算と自動組版

• 解析機関とジャガード織機–プログラムに従って計算する歯車

計算機

バベッジの構想１：階差機関人手によるコピーの誤りも無くすため，活版印刷の原版を組むところまで，全自動化を試みた．

バベッジの構想１：階差計算の原理

3 22 3 4 5y x x x x y12345678910

144198197350569866125317422345

第一階差

275799153219297387489

304254667890

第二階差 第三階差

12121212121212

102

603 114

ほとんどの関数は，多項式に展開できる．多項式関数の値を加算だけで求めることができる．　　　例

階差機関は未完成に終わった• 英国最高の機械工作技術者クレメントへの依頼• 英国からの 17000ポンドの政府助成金＋バベッ

ジのほぼ同額の拠出金（蒸気機関車は当時 784ポンド．約 40台分以上）

• クレメントは不満，確執が起きた．• 政府助成金の打ち切りとともに計画は中断し，部品は溶かされた．

• 1/7 モデルのみが完成• その後，スウェーデンのシュウツ親子が完成

バベッジの構想２：解析機関

• パンチカードで指定した模様を織るジャーガード織機にヒントを得，プログラムで指定した通りに計算を行う計算機を作ろうとした．

• しかも，条件分岐等のジャンプ命令まで備えていた．

⇒ 機械式ではあるものの，現代の計算機と同じ構造

バベッジの構想２：解析機関

• 右は，解析機関の中心部「ミル」

• 機械式メモリと，演算制御部（ CPU) が分離する構成（現在の計算機とほぼ同じ）

最初にプログラムが動いた機械式計算機コンラッド ・ツーゼ 1910 ～ 1995

• 新入社員として入社した会社で，計算する機械を作るよう提案した．

• しかし，聞き入れてもらえず，退職し，自宅でプログラムに従って動く機械式計算機 Z1 を完成させる．

• その後演算部をリレー式にしたZ2 ，メモリ部もリレー式にした Z3,条件分岐やサブルーチンを入れたZ4他， 200 を超える計算機を作った．

コンラッド ・ツーゼ

リレー

ばね

コイル

NOT回路

NAND回路

真空管

二極真空管 三極真空管

真空管とメモリドラム： ABCマシン• 真空管をリレーの代わりに使う．

⇒高速化• メモリ⇒コンデンサに蓄えられた電荷を使う．リーク（電荷の漏れ）は再チャージすることで補う（ダイナミックメモリ） ジョン　アタナソフ

1903～ 1995

1939年 10月試作機完成

実用的プログラム内蔵型計算機ASCC⇒ハーバード・マーク I

• 3000 個のリレーと 2200 個の歯車から成る電気機械式計算機

• 紙テープからプログラムを読み込む汎用計算機

• 条件分岐は後に組み込まれた．• 15 年間も使用された実用的計算機

ハワード・エイケン1900～ 1973

1943年完成， 1959年まで使用

「バグ」の正体• ハーバードマーク I があるとき，停止した．• 原因：蛾がリレーに挟まっていた．• これ以来プログラムの間違いを「バグ

（虫）」と呼ぶようになった．

ENIAC は最初の実用的電子計算機

• ゴールドスタイン将校が弾道計算用の機械を模索中，電子計算機を作ろうとしていたモークリとエッカートに目をつけた．

• 完成は終戦後 1946 年

ENIAC• 真空管 17468 本リレー 1500 個を用いた計算機• 10 進数 10 桁の固定小数点による数値表現• 一般数値記憶用メモリ 20 個， πや e ，三角関

数等の定数記憶メモリが 300 個．• 加減算 200[μs] ，乗算 2800[μs] ，除算 24000[μs]• プログラムは配線とスイッチで表現．条件分岐はない．

• 完成は第 2次大戦後 1946 年．弾道計算には使われなかった．稼働期間は 10 年間

ENIAC は最初の実用的電子計算機もどき

• モークリとエッカートは「電子的にかつディジタルに計算を行う方法」について特許を持っていたが，スペリーランド社が買い取っていた．

• どの会社もスペリーランド社に特許使用料を支払っていたが，ハネウェル社だけは払わなかった．

• スペリーランド社は，ハネウェル社を訴えたが，逆に，当該特許は無効であるとハネウェルから訴えられた．

ENIAC裁判の結果• 6 年間に及ぶ裁判の結果， 1973 年「モークリ

とエッカートは自ら最初の電子計算機を発明したのではなく，その基本原理はアタナソフの ABCマシンから受け継いだものである．」との判決が下り，特許は無効となった．

• 実際に， 1941 年モークリはアタナソフを訪れ， ABCマシンの原理を聞いていた！ついでにアタナソフに礼状まで送っていた．

• しかし， ABCマシンは最初の電子計算機とは呼べない．（未完成であったため）

ENIAC のプログラムは，ワイヤー

• ENIAC にはプログラムはあったが，それらはすべて，ワイヤーの結線によって表わされていた．

• 簡単なプログラムを組むのにも 1週間以上もかかった．

• つまり，プログラムを電子的に表現するということはできていなかった．

プログラム内蔵式電子計算機へEDSACではない！ 1948年

• SSEM （ Baby ）が最初• Manchester Mark1• Ferranti Mark1命令数が 7 個と少なく，メモリも非常に少ない（ 32語）が，プログラムが動いた．フレデリック・ウイリアムズ ,トム・キルバーンによる．ウイリアムズ・キルバーン管がメモリとして使えることを確認するための装置？

EDVAC （ 1951 ）• モークリとエッカートは， ENIAC のワイヤーを用いたプロ

グラミングは修正すべきであると考えていた．• この二人が，プログラム内蔵型電子計算機を発案

し， EDVAC の設計に取り組んだ．（ EDVAC の完成は 1949年しかしトラブルが多く 1951 年から稼働）

• しかし，ペンシルベニア大は，天才数学者として有名であったフォン・ノイマンに「 EDVAC に関する最初の草稿」を発表させた（ 1945 年）．

• この結果，プログラム内蔵式の計算機は「フォン・ノイマン型計算機」と呼ばれるようになった．

• EDVAC はこの草稿で有名になったが，歴史上は特に重要な計算機ではない．

しかし，フォン・ノイマン型計算機はフォン・ノイマンとは無関係である

• エッカートは，後に，フォン・ノイマンのことを「アイデア泥棒」と呼んでいる．

• ノイマンはこのことに対して肯定も否定もしていない．

EDVACとフォン・ノイマン

EDSAC （ 1949 年）が実用的な本当の意味での計算機

• プログラム内蔵型の計算機で，実用的に使えるものは，イギリス，ケンブリッジ大の EDSAC が最初である．（ SSEM はあくまで実験機）

• 真空管 3000 本，メモリには水銀遅延管（水銀を充填した管の両端に水晶振動子を取り付け，増幅回路で繋いだもの．）

• サブルーチンの本格的利用

「計算のための道具を作る」という夢は果たされてしまった！

次に何が待ち受けていたのだろうか？• 小型化？高速化？• 製品化？• 金儲け？• 使いやすさ？• 計算とはどういうことかを示す？• 人と同等の知能を持つ機械の実現？

コンピュータの多面的発展

待ち受けていたもの• 小型化？高速化？⇒トランジスタ⇒ IC LSI …⇒ ⇒• 製品化？⇒電卓 ,マイコン ,ミニコン , メインフレーム• 金儲け？　　　　　　⇒ソフトウエア産業の勃興• 使いやすさ？　　　　　⇒言語処理系， OS ， UI ，

　• 計算とはどういうことかを示す？　⇒計算科学• 人と同等の知能を持つ機械の実現？　⇒ AI• ．．．

時間内に提出：　下記について，講義内容に基づいて答えなさい．

1. ある機械が，「コンピュータである」ための条件は何か？

2. 電子計算機とコンピュータの違いは何か？

次週の予告

• 第 2次世界大戦中に開発され，戦争に用いられてきた「電子計算機」コロッサスが存在していた．

• その存在や内容は近年まで明らかにされてこなかった．

• どのような目的でコロッサスが作られ，歴史の闇に葬り去られてきたかについて述べる．