ハードウェアとは
ハードウェアとは、CPUや記憶装置、センサなどの物理的な装置で、部品間のデータの流れで性能を考えます。
CPUが速くても、必要なデータを待つ時間が長いと処理は進みません。ハードウェアは部品の性能だけでなく、部品間のデータの流れで考えます。
基本の仕組み
主記憶へのアクセスが100ns、キャッシュが10ns、ヒット率90%なら、実効アクセス時間は10×0.9＋100×(1−0.9)＝19nsです。基本情報技術者試験では「キャッシュ時間×ヒット率＋主記憶時間×(1−ヒット率)」で求めるのが基本です。
キャッシュはよく使うデータを高速な記憶装置へ置きます。命令実行は命令の取出し・解読・実行などの段階に分けられ、パイプラインは複数命令の段階を少しずつずらして重ねます。
ミス時の時間にキャッシュ時間を含めるかは設問の定義で違います。「ミス時はキャッシュを確認してから主記憶を読む」と明記されていれば、ミス時を110nsとして0.9×10＋0.1×110＝20nsです。与えられた時間の意味を確認してから重み付き平均を計算します。
GPUは多数の演算を並列に行う構成を生かし、画像処理や行列計算などに使われます。CPUは制御や分岐を含む幅広い処理を担当し、GPUが全てのプログラムを必ず速くするわけではありません。センサは温度等の物理量を信号に変え、アクチュエータはモータ等で物理的な動作を起こします。
装置間の役割
CPUは命令実行、主記憶は実行中の保持、キャッシュは速度差の吸収、補助記憶は不揮発の保存を担います。クロック周波数だけでは処理能力は決まらず、コア数・命令当たりの処理・メモリ待ちも影響します。
| 装置 | 主な役割 |
|---|---|
| CPU | 命令処理 |
| キャッシュ | 高速な一時保持 |
| 主記憶 | 実行中の保持 |
| SSD等 | 不揮発の保存 |
試験に出る
- 実効アクセス時間＝キャッシュ時間×ヒット率＋主記憶時間×(1−ヒット率)の計算と、ヒット率を逆算する問題。
- ミス時の時間にキャッシュ時間を含めるかは設問の定義で確認すること。
- 命令実行の段階とパイプラインの考え方。
- CPUは幅広い処理、GPUは並列計算が得意という役割の違い。
- センサは物理量を信号へ、アクチュエータは信号を動作へ変える点。
重要な言葉
- キャッシュ
- よく使うデータを置く高速な記憶装置。
- ヒット率
- キャッシュに目的のデータがある割合。
- パイプライン
- 複数命令の段階を重ねて処理する方式。
- アクチュエータ
- 信号を受けて物理的な動作を起こす装置。
確認問題
確かめようヒット率が上がると、この例の平均アクセス時間は？
短くなり、10nsへ近づきます。
キャッシュのヒット率が上がると、平均アクセス時間は短くなる。
GPUは、どんなプログラムでもCPUより速く実行できる。
主記憶100ns、キャッシュ10ns、ヒット率90%の平均アクセス時間は？
画像処理や行列計算など並列計算が得意な装置は？
が速くても、必要なデータを待つ時間が長いと処理は進みません。は部品の性能だけでなく、部品間のデータの流れで考えます。
主記憶へのアクセスが100ns、が10ns、ヒット率90%なら、実効アクセス時間は10×0.9＋100×(1−0.9)＝です。基本情報技術者試験では「キャッシュ時間×ヒット率＋主記憶時間×(1−ヒット率)」で求めるのが基本です。
キャッシュはよく使うデータを高速な記憶装置へ置きます。は命令の取出し・解読・実行などの段階に分けられ、は複数命令の段階を少しずつずらして重ねます。
ミス時の時間にを含めるかは設問の定義で違います。「ミス時はキャッシュを確認してから主記憶を読む」と明記されていれば、ミス時を110nsとして0.9×10＋0.1×110＝20nsです。与えられた時間の意味を確認してからを計算します。
は多数の演算を並列に行う構成を生かし、画像処理や行列計算などに使われます。CPUは制御や分岐を含む幅広い処理を担当し、GPUが全てのプログラムを必ず速くするわけではありません。センサは温度等の物理量を信号に変え、はモータ等で物理的な動作を起こします。
出典・参考資料
試験の公式案内と、この記事の参考にした学習資料です。
編集：Pinternet Works · 更新日：
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