オペレーティングシステム

2. CPU の原理

授業の流れ・チーム分けの方針・態度目標

2025-04-11 のものと同じ。

https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#12-1

内容目標

- 簡単なプログラムに対して、ミニ CPU の動作をトレースできるようになる。

- ミニ CPU の動作を手作業でトレースすることにより、CPU の原理を理解する。

- ミニ CPU とオペレーティングシステムの動作をシミュレートすることにより、プリエンプティブ・マルチタスキングの原理を理解する。

課題

資料: 「ミニ CPU」によるコンピュータおよびオペレーティングシステムの動作の理解
https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/priv/mini-cpu.pdf

課題 1

資料中の E1 (12 + 34 = 46) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 5 行目の値の変化を書き出せ。

課題 2

資料中の E2 (1〜3 の和の計算) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 10 行目の値の変化を書き出せ。

課題 3

資料中の E3 (1〜4 の積の計算) の動作をトレースせよ。 各ステップにおける、 4 枚のカード (PC、 A、 B、 C) の値と、 ノート 10 行目の値の変化を書き出せ。

課題 4

資料中の E4 (1〜5 の積の計算) におけるプリエンプティブ・マルチタスキングの動作を、 「ミニ CPU 係」と「オペレーティングシステム係」の 2 人がペアになってシミュレートせよ。

ミニ CPU 係の役割: 現在のカードセットを使って、 ミニ CPU の動作をひたすら実行する。 オペレーティングシステム係の指示に従ってカードセットを切り替える。 ただし、 カードセットを切り替えられるのはステップ 1 (PC カードに書かれている行番号の「指示」をノートから読み込む) の直前のみである。 つまり、 ステップ 1〜3 はまとめて一気に実行する (途中で切り替えられることはないアトミックな処理である)。

オペレーティングシステム係の役割: 自由なタイミング (例えば 10 秒ごと) で、 ミニ CPU に対して「はい、 カードセットを切り替えてください」と指示する。

略解

課題 1

| PC |  A |  B | C | 5行目の値 |
|----+----+----+---+-----------|
|  0 |  0 |  0 | 0 |         0 |
|  1 | 12 |  0 | 0 |         0 |
|  2 | 12 | 34 | 0 |         0 |
|  3 | 46 | 34 | 0 |         0 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |
|  4 | 46 | 34 | 0 |        46 |

課題 2

| PC |  A | B | C | 10行目の値 |
|----+----+---+---+------------|
|  0 |  0 | 0 | 0 |          0 |
|  1 |  0 | 0 | 0 |          0 |
|  2 |  0 | 1 | 0 |          0 |
|  3 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  4 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  5 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  6 |  1 | 2 | 0 |          0 |
|  2 |  1 | 2 | 0 |          0 |
|  3 |  3 | 2 | 0 |          0 |
|  4 |  3 | 2 | 0 |          0 |
|  5 |  3 | 2 | 0 |          0 |
|  6 |  3 | 3 | 0 |          0 |
|  2 |  3 | 3 | 0 |          0 |
|  3 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  4 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  7 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  8 |  6 | 3 | 0 |          6 |
|  8 |  6 | 3 | 0 |          6 |
|  8 |  6 | 3 | 0 |          6 |
|  8 |  6 | 3 | 0 |          6 |

課題 3

| PC |  A | B | C | 10行目の値 |
|----+----+---+---+------------|
|  0 |  0 | 0 | 0 |          0 |
|  1 |  1 | 0 | 0 |          0 |
|  2 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  3 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  4 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  5 |  1 | 1 | 0 |          0 |
|  6 |  1 | 2 | 0 |          0 |
|  2 |  1 | 2 | 0 |          0 |
|  3 |  2 | 2 | 0 |          0 |
|  4 |  2 | 2 | 0 |          0 |
|  5 |  2 | 2 | 0 |          0 |
|  6 |  2 | 3 | 0 |          0 |
|  2 |  2 | 3 | 0 |          0 |
|  3 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  4 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  5 |  6 | 3 | 0 |          0 |
|  6 |  6 | 4 | 0 |          0 |
|  2 |  6 | 4 | 0 |          0 |
|  3 | 24 | 4 | 0 |          0 |
|  4 | 24 | 4 | 0 |          0 |
|  7 | 24 | 4 | 0 |          0 |
|  8 | 24 | 4 | 0 |         24 |
|  8 | 24 | 4 | 0 |         24 |
|  8 | 24 | 4 | 0 |         24 |
|  8 | 24 | 4 | 0 |         24 |

課題 4

省略

参考図書

独習アセンブラ 新版
https://www.shoeisha.co.jp/book/detail/9784798170299

レポート課題 2025-04-18

「レポート課題 2025-04-11」と同じ。

https://lsnl.jp/~ohsaki/lecture/os/2025/#10-10