2024年度学院等開講科目情報理工学院数理・計算科学系

計算機システム

開講元: 数理・計算科学系
担当教員: 小林諒平 / 遠藤敏夫 / 坂本龍一
授業形態: 講義/演習 (対面型)
メディア利用科目: -
曜日・時限 (講義室): 火5-6 (M-178(H1101)) / 金5-8 (M-178(H1101))
クラス: -
科目コード: MCS.T233
単位数: 210
開講時期: 2024年度
開講クォーター: 4Q
シラバス更新日: 2025年3月17日
使用言語: 日本語

シラバス

授業の目的（ねらい）、概要

現代のコンピュータは、シリコン上のトランジスタによるデジタル回路によって構成されています。ところが人間が実際にプログラミングするのはC++やPythonなどの高級プログラム言語であり、それぞれの言語において人間が抽象的に捉えている抽象的な実行のモデルが、どのようにそれらのハードウェアでの実際に動作するのか、は一般には自明ではありません。それらは計算機内で幾層もの抽象化をもって実現されていますが、本講義ではCPUと人間の最も低位なインターフェースである機械語の構成を学習し、さらに機械語のそれぞれの命令の動作がどのように電子回路で実現されるのか、を習得し、情報システムの基礎を習得します。また演習では、CPUシミュレータを作成するなど、構成を実践的に学びます。

到達目標

【到達目標】計算機(コンピュータ)システムを、ハードウェアアーキテクチャの構成を中心に学習し、計算機の動作原理を学習する事を目標とします。更に、計算機アーキテクチャが進歩や、最近のコンピュータにおける性能や高速化のアーキテクチャ上の技法を学び、効率の良い計算機システムの構成法の知見を得る事をも目標とします。
【テーマ】もっとも低位なプログラミング言語であるアセンブラや機械語を習得し、次にそれらの演算やメモリ参照などの基本操作が、どのようにデジタル回路によって実現されるか、を通じて、様々なプログラム言語の動作が、どのように基本的なフォン・ノイマン型計算機の動作原理により電子回路で実現されるのか、の基礎を身につけます。

キーワード

計算機アーキテクチャ、機械語、命令セットアーキテクチャ、論理回路、論理ゲート、数の表現、浮動小数点数、加算器、ALU、組合わせ回路、真理値表、状態回路、データパス、シングルサイクル実行、マルチサイクル実行、パイプライン、アウトオブオーダ実行、メモリ、DRAM、SRAM、メモリ階層、キャッシュ、性能、スループット、レイテンシ、並列性、マルチコア、GPU、スーパーコンピュータ

学生が身につける力

専門力
教養力
コミュニケーション力
展開力 (探究力又は設定力)
展開力 (実践力又は解決力)

授業の進め方

講義は事前にパワーポイントの資料をT2SCHOLAで配る。演習は原則毎回課題を出し、レポートを提出する。全体の採点は期末試験と、レポートの成績の複合的な指標で行う。

授業計画・課題

	授業計画	課題
第1回	講義のイントロダクション、計算機の歴史など	特になし
第2回	計算機アーキテクチャとは、アセンブラ・機械語(1)：演算命令・メモリ命令	特になし
第3回	アセンブラ・機械語(2)：制御命令、関数の実現	特になし
第4回	論理ゲートからプロセッサまで (1)：組み合わせ回路と加算器	特になし
第5回	論理ゲートからプロセッサまで (2)：ALU, 制御、順序回路	特になし
第6回	論理ゲートからプロセッサまで (3)：順序回路による記憶	特になし
第7回	論理ゲートからプロセッサまで (4)：基本的なプロセッサの構成	特になし
第8回	演算処理の改良と浮動小数点数	特になし
第9回	メモリの構成 (1)：DRAMとSRAM	特になし
第10回	メモリの構成 (2)：キャッシュメモリ技術	特になし
第11回	プロセッサの進歩 (1): パイプラインによる高速化	特になし
第12回	プロセッサの進歩 (2): アウトオブオーダ実行	特になし
第13回	プロセッサの進歩 (3): 様々な並列化技法	特になし
第14回	スーパーコンピュータとは	特になし

準備学修(事前学修・復習)等についての指示

学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ本学の学修規程で定められた時間を目安に行う。

教科書

特になし

参考書、講義資料等

デイビッド A パターソン, ジョンＬヘネシー、「コンピュータの構成と設計第6版」上・下、日経BP

成績評価の方法及び基準

最終試験と演習におけるレポートによって総合的に判断する。

履修の条件・注意事項

基本的なプログラミング、論理学(ブール代数)の知識が必要