4.1 システムを構成するハードウェア#

システムを構成するハードウェア

1. バス

   システム全体を貫く電子的な経路の集合であり、情報を表すバイトを伝送します。一定長のバイトブロックであるword（ワード）を転送します。1ワードを構成するバイト数はシステムによって異なり、4バイト（32ビット）や8バイト（64ビット）など、システムの基本的なパラメータとなります。

   システムバス、メモリバス、I/Oバス

2. I/Oデバイス

   システムと外部との接続を担います。入力用のキーボードやマウス、出力用のディスプレイ、長期保存用のディスクなどが該当します。

   I/Oデバイスは、コントローラまたはアダプタを介してI/Oバスに接続されます。

   • コントローラとアダプタの違い

     実装形態が異なります。

     コントローラ：I/Oデバイス自体、またはシステムのマザーボード上にあるチップセット。

     アダプタ：マザーボードのスロットに挿入されるカード。

3. 主記憶

   プログラムと、プログラムが処理するデータを格納する一時記憶装置です。

   物理的にはダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）チップで構成されます。論理的には線形のバイト配列であり、各バイトには0から始まる一意のアドレスが割り当てられます。

4. プロセッサ

   中央処理装置（CPU）は、主記憶に格納された命令を解釈するエンジンです。

   その中心には、1ワード分の大きさを持つプログラムカウンタ（PC）という記憶装置があり、主記憶内の特定の機械語命令（のアドレス）を指します。電源が投入されると、プロセッサはPCが指している命令を繰り返し実行し、PCを更新して次の命令を実行します。

   プロセッサは、命令セットアーキテクチャによって定められた命令操作モデルに従って動作します。このモデルでは命令が厳密な順序で実行されます。1つの命令を実行する際、CPUはPCが指すメモリ位置から命令を読み取り、命令内のビットを解釈し、命令が指示する単純な操作を実行した後、PCを更新して次の命令を指すようにします。

   このような単純な操作の種類は多くありません。これらの操作は、主記憶、レジスタファイル[複数の1ワード長のレジスタで構成され、それぞれに一意の名前を持つ小さな記憶装置]、算術論理演算装置（ALU）[新しいデータ値やアドレス値を計算する装置]を中心に行われます。

   • 単純な操作

     • ロード

       主記憶から1バイトまたは1ワードをレジスタへコピーし、レジスタ内の元の内容を上書きします。

     • ストア

       レジスタから1バイトまたは1ワードを主記憶内の特定の位置へコピーし、その位置にあった元の内容を上書きします。

     • 演算

       2つのレジスタの内容をALUへコピーし、ALUで2つのワードに対する算術演算を行い、その結果を特定のレジスタに格納して元の内容を上書きします。

     • ジャンプ

       命令自体から1ワードを取り出してプログラムカウンタ（PC）へコピーし、PC内の元の値を上書きします。

   形式上、プロセッサは命令セットアーキテクチャを単純に実装したものですが、実際にはプログラムの実行を高速化するために非常に複雑な仕組みが使用されています。そのため、プロセッサの命令セットアーキテクチャとマイクロアーキテクチャを区別する必要があります。命令セットアーキテクチャは各機械語命令がもたらす効果を記述し、マイクロアーキテクチャはプロセッサが実際にどのように実装されているかを記述します。

4.2 プログラムの実行#

処理の流れ：

shellプログラムは命令を実行し、コマンドが入力されるのを待ちます。./helloを入力すると、shellプログラムは文字を1つずつレジスタへ読み込み、続いてメモリへ格納します。Enterキーを押すとコマンドが実行され、helloファイルがロードされ、そのコードとデータがディスクから主記憶へコピーされます。

helloコマンドの読み取り

ダイレクトメモリアクセス（DMA）を使用すると、データはプロセッサを経由せず、ディスクから主記憶へ直接転送できます。

ディスクから主記憶への実行可能ファイルのロード

続いてhelloプログラムのmainに含まれる機械語命令の実行が始まり、「hello world! C」という文字列の各バイトが主記憶からレジスタへ、さらにレジスタから表示装置へコピーされ、最終的に画面へ表示されます。

画面への文字列の出力

7.1 プロセス#

プログラムの実行時、オペレーティングシステムは、現在のプログラムがプロセッサ、主記憶、I/Oデバイスを独占しているかのような状態を提供します。このような見かけ上の状態は、プロセスによって実現されます。

プロセスは、実行中のプログラムに対してオペレーティングシステムが提供する抽象概念です。1つのシステムでは複数のプロセスを同時に実行でき、それぞれのプロセスはハードウェアを独占しているかのように動作します。

並行実行とは、あるプロセスの命令と別のプロセスの命令が交互に実行されることを指します。これは、プロセッサがプロセス間を切り替えることで実現され、この仕組みをコンテキストスイッチと呼びます。

コンテキストとは、オペレーティングシステムが追跡する、プロセスの実行に必要なすべての状態情報です。これにはPC、レジスタの現在値、主記憶の内容などが含まれます。単一プロセッサシステムでは一度に1つのプロセスのコードしか実行できないため、別のプロセスを実行する際にはコンテキストスイッチ、すなわち現在のプロセスのコンテキストを保存し、新しいプロセスのコンテキストを復元する処理が必要です。

プロセスのコンテキストスイッチ

図に示すように、プロセスの切り替えはオペレーティングシステムのカーネル（kernel）によって管理されます。カーネルはオペレーティングシステムのコードのうち主記憶に常駐する部分であり、オペレーティングシステムがすべてのプロセスを管理するために使用するコードとデータ構造の集合です。アプリケーションプログラムがオペレーティングシステムの機能を必要とすると、特殊なシステムコール（system call）命令が実行され、制御がカーネルへ渡されます。カーネルは要求された処理を実行した後、アプリケーションプログラムへ制御を戻します。

7.2 スレッド#

1つのプロセスは、複数の実行単位（スレッド）で構成できます。各スレッドはプロセスのコンテキスト内で動作し、同じコードとグローバルデータを共有します。マルチスレッドは複数のプロセスよりもデータを共有しやすいため、一般にスレッドのほうがプロセスよりも効率的です。

7.3 仮想メモリ#

仮想メモリは、各プロセスが主記憶を独占して使用しているかのような状態を提供します。各プロセスから見える一貫したメモリを仮想アドレス空間と呼びます。Linuxでは、アドレス空間の最上部の領域にオペレーティングシステムのコードとデータが配置され、下部にはユーザープロセスが定義したコードとデータが格納されます。

仮想アドレス空間

• プログラムのコードとデータ

  すべてのプロセスにおいて、コードは同じ固定アドレスから始まり、その後にCのグローバル変数に対応するデータ領域が続きます。

• ヒープ

  実行時のヒープは、mallocやfreeなどを呼び出すことで、実行時に動的に拡張または縮小できます。

• 共有ライブラリ

  アドレス空間の中間部分には、C標準ライブラリや数学ライブラリなどの共有ライブラリのコードとデータが格納されます。

• スタック

  ユーザースタックはユーザー仮想アドレス空間の上部に位置し、コンパイラが関数呼び出しを実現するために使用します。スタックも実行時に動的に拡張または縮小できます。関数を呼び出すとスタックが拡張され、関数から戻るとスタックが縮小されます。

• カーネル仮想メモリ

  アドレス空間の最上部に位置します。アプリケーションプログラムは、この領域の内容を読み書きしたり、カーネルコードで定義された関数を直接呼び出したりすることはできず、必ずカーネルを介して呼び出す必要があります。

基本的な考え方は、プロセスの仮想メモリの内容をディスク上に保存し、主記憶をディスクのキャッシュとして使用することです。

7.4 ファイル#

ファイルとはバイト列であり、すべてのI/Oデバイスをファイルとして扱うことができます。Linuxシステムの入出力は、Unix I/Oと呼ばれる少数のシステム関数を使用してファイルを読み書きすることで実現されます。

ファイルは、さまざまなI/Oデバイスを扱うための統一されたビューをアプリケーションプログラムに提供します。

9.1 アムダールの法則#

システムの一部を高速化した場合、システム全体の高速化率は、その部分の重要性と高速化の程度によって決まります。

$\alpha$はその部分の実行時間が全体の実行時間に占める割合、$k$は性能の向上率です。

$$
T_{new}=(1-\alpha)T_{old}+(\alpha T_{old})/k = T_{old}[(1-\alpha)+\alpha/k]
$$

高速化率$S=T_{old}/T_{new}$を計算すると、

$$
S=\frac{1}{(1-\alpha)+\alpha/k}
$$

kが無限大に近づくと、

$$
S_{\infty}=\frac{1}{(1-\alpha)}
$$

9.2 並行性と並列性#

並行性：複数の処理が同時に進行しているシステムを指します。並列性：並行性を利用してシステムをより高速に動作させることを指します。

1. スレッドレベルの並行性

   プロセスを使用すると複数のプログラムを同時に実行でき、それによって並行性が生じます。この並行性は、1台のコンピュータが実行中のプロセス間を高速に切り替えることで疑似的に実現されます。これにより、複数のユーザーが同時にシステムを操作したり、1人のユーザーが複数のタスクを同時に実行したりできます。

   マルチコアプロセッサは、複数のCPUを1つの集積回路チップ上に統合したものです。

   

   マルチコアプロセッサ

   ハイパースレッディングは、同時マルチスレッディングとも呼ばれ、1つのCPUが複数の制御フローを実行できるようにする技術です。ハイパースレッディング対応プロセッサは、サイクル単位でどのスレッドを実行するかを決定できるため、CPUの処理資源をより効率的に活用できます。

   マルチプロセッサによるシステム性能の向上：1. 複数のタスクによる疑似的な並行性の必要性を減らせる。2. アプリケーションプログラムをより高速に実行できる（プログラムをマルチスレッド形式で作成する必要がある）。

2. 命令レベルの並列性

   プロセッサが複数の命令を同時に実行できることを指します。プロセッサはパイプラインを使用して命令の実行速度を高めます。命令の実行を複数の異なる手順に分割し、プロセッサのハードウェアを一連のステージとして構成して、各ステージで1つの手順を実行します。各ステージは並列に動作し、異なる命令の異なる手順を処理します。

   スーパースカラプロセッサ—1サイクルにつき1命令を上回る実行速度を持つプロセッサです。

3. 単一命令・複数データ並列性

   プロセッサの特殊なハードウェアにより、1つの命令から並列実行可能な複数の処理を生成できます。これを単一命令・複数データ、すなわちSIMD並列性と呼びます。主に画像、音声、映像データを処理するアプリケーションの実行速度を向上させる目的で使用されます。コンパイラがサポートする特殊なベクトルデータ型を使用してプログラムを記述できます。

9.3 抽象化の重要性#

抽象化は、コンピュータサイエンスにおける最も重要な概念の1つです。

プロセッサでは、命令セットアーキテクチャが実際のプロセッサハードウェアを抽象化します。

コンピュータシステムの抽象化

仮想マシンは、オペレーティングシステム、プロセッサ、プログラムを含むコンピュータ全体を抽象化したものです。