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計算機の基本原理を味わおう11 - 何が問題なのか。それが問題だ。

 この記事は、計算機の基本原理を味わおう10 - オブジェクトの合成と贅肉問題の続きです。前回は、オブジェクトコンポジション(オブジェクトの合成)と贅肉について解説しました。今回は、ソフトウェアのヴァージョンアップと、計算機の実行スピードに関する話題について書きます。
 最小計算機をヴァージョンアップしたいと思います。ここで問題です。何をどうヴァージョンアップするべきでしょうか?無暗にヴァージョンアップする人もいますが、ヴァージョンアップするときはコンセプトが重要です。意外と知らない人が多いのですが、マイクロソフト社もコンセプトをよく発表しています。コンセプトなきヴァージョンアップは混沌をもたらします。勘でいじくると、混沌が這寄ってくるのです。ほら、そこに、ニャルラトホテプがいますよ。
 最小計算機を作った目的は、「計算機の原理を学ぶ」です。という事は、何らかの学ぶべき概念を伴わないヴァージョンアップは無意味です。私が伝えたい次の内容は計算機の速さです。計算機の速さは距離と関係しています。CPUからレジスタにアクセスするのと、メモリにアクセスするのとでは、10倍ぐらいのスピードの差がありますが、これは距離が原因です。計算機は電気で動いているので、物理的な要因でスピードに差が出るのです。
 これから、計算機のスピードがコンセプトのヴァージョンアップをしますが、その前にやることがあります。それは実態の解析です。実際に何が起こっているのか、それを分析しないと話になりません。先ずは、メモリに何回アクセスしているのか計測してみましょう。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

namespace MiniBitMachine.V2 //ヴァージョンを変える
{
    //メモリ。
    public class Memory
    {
        //関係のないメンバーは省略

        //アクセス回数
        private int _accessCount;
        public int AccessCount
        {
            get { return this._accessCount; }
        }

        //指定したアドレスのデータを読み取る。
        public bool Read( byte address )
        {
            ++this._accessCount;
            this.Address = address;
            return this.Value;
        }

        //指定したアドレスのデータを書き換える。
        public void Write( byte address, bool value )
        {
            ++this._accessCount;
            this.Address = address;
            this.Value = value;
        }

        //アクセスカウントを0に戻す。
        public void Reset()
        {
            this._accessCount = 0;
        }
    }
}


using System;

namespace MiniBitMachine.V2.Utility
{
    //CPUオブジェクトに関する便利なメソッドを用意する。
    public static class CpuUtility
    {
        //3つの基本動作を連続して行う。
        public static int Run( this Cpu obj )
        {
            obj.Fetch( );
            obj.Decode( );
            obj.ReferenceMemory.Reset( );
            obj.Execute( );
            return obj.ReferenceMemory.AccessCount;
        }
    }
}


using System;
using System.Collections.Generic;
using MiniBitMachine;
using MiniBitMachine.V2;
using MiniBitMachine.V2.Utility;

class Sample
{
    //inc命令を実行する。
    private static int IncExecute(
        byte start, 
        Memory m,
        byte targetAddress,
        byte carryFlagAddress, 
        bool value )
    {
        m.Write( targetAddress, value );
        Console.WriteLine(
            "{0}の値が{1}の場合に、inc命令を実行すると・・・",
            targetAddress,
            m.Read( targetAddress ) );
        Console.WriteLine( "※現在の桁上がりフラグ:{0}", 
            m.Read( carryFlagAddress ) );
        Cpu cpu = new Cpu( start, m );
        int result = cpu.AllRun( );
        Console.WriteLine( "結果:{0}",
            m.Read( targetAddress ) );
        Console.WriteLine( "桁上がりフラグ:{0}",
            m.Read( carryFlagAddress ) );
        Console.WriteLine( );
        return result;
    }

    //inc命令を試す
    private static int IncTest(
        byte targetAddress, 
        byte carryFlagAddress,
        byte start, 
        Memory m, 
        Inc inc )
    {
        inc.SetBinary( );
        int count = IncExecute( 
            start, m, targetAddress, carryFlagAddress, true );
        count += IncExecute( 
            start, m, targetAddress, carryFlagAddress, false );
        return count;
    }

    static void Main()
    {
        Memory m = new Memory( );
        byte carryFlagAddress = 4;
        byte targetAddress = 5;
        byte start =
            ( byte ) ( targetAddress + 5 );
        Cpu cpu = new Cpu( start, m );
        Inc inc = new Inc( 
            targetAddress, carryFlagAddress,  start, cpu );
        Console.WriteLine(
            "********** inc命令の内容 **********" );
        Console.WriteLine(
            "対象アドレス:{0}", targetAddress );
        Console.WriteLine(
            "フラグアドレス:{0}", cpu.CompareFlagAddress );
        Console.WriteLine(
            "桁上がりフラグアドレス:{0}", carryFlagAddress );
        Console.WriteLine(
            "宛先が{0}はプログラムカウンタ",
            cpu.ProgramCounterAddress );
        Console.WriteLine(
            "宛先が{0}はCPU終了", cpu.LastAddress );
        Console.WriteLine( );
        Console.WriteLine( inc );
        Console.WriteLine( );
        int count = 
            IncTest( targetAddress, carryFlagAddress, start, m, inc );
        Console.WriteLine( );
        Console.WriteLine( "メモリのアクセス回数:{0}", 
            count );
        Console.ReadLine( );
    }
}

これでCPU実行時におけるメモリアクセス回数がわかります。実際に実行してみて、目で確認しましょう。
 メモリのアクセス回数を減らすにはどうしたらいいのでしょうか?一度自分で考えてみてください。
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  3. インターネット層の勘所
  4. トランスポート層の勘所
  5. アプリケーション層の勘所
  6. セキュリティの基礎と仮想ネットワークの仕様
  7. GDI+と独自プロトコルの定義



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インテル Parallel Studioを使って並列化プログラミングを試してみた
並列プログラミングの効率的なデバッグを実現する「Parallel Inspector」


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  1. インテル スレッディング・ビルディング・ブロックの概要
  2. インテルTBBから学ぶループの並列化
  3. スレッドセーフとインテルTBBのコンテナ
  4. インテルTBBのスレッドクラス


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  1. OpenMPの基礎構文
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