コンピュータアーキテクチャの基礎

スマートフォン、ノートパソコン、サーバーは、それぞれ違うプロセッサを使っています。プロセッサは、自分の命令しか分かりません。RISC-V は、だれでも作ってよい公開の設計です。このマシンは RISC-V ではありませんが、エミュレータを使えば RISC-V のプログラムを動かせます。

• プロセッサ：コンピュータの中で命令を実行する部分。
• 命令：プロセッサができる小さな1歩。足し算など。
• レジスタ：プロセッサの中にある、ごく小さく速い記憶場所。
• エミュレータ：別のプロセッサのようにふるまうプログラム。
• 終了ステータス：プログラムが終わるときに返す数。
• キャッシュ：最近使ったものを置いておく、小さく速いメモリ。

add.s には命令が5つあります。li はレジスタに数を入れます。a0 に 2、a1 に 3 です。add は2つを足し、答えを a0 に入れます。li a7, 93 はプログラムを終わらせる Linux のシステムコールを選び、ecall がそれを呼びます。Linux は a0 の数を終了ステータスにします。

アセンブラが言葉を機械語に変え、リンカがプログラムにします。file は、これが RISC-V 用だと示します。このプロセッサでは動かせないので、qemu-riscv64 が RISC-V の命令を1つずつ実行します。何も表示されません。echo $? が、プログラムの残した終了ステータス 5 を表示します。

objdump -d は、プロセッサから見たプログラムを表示します。各行は、アドレス、16進数で書いた命令、言葉で書いた命令の順です。どの数も16進数で8けたです。ここにある命令は、どれも32ビットだからです。ecall は 00000073 です。

loop.c は、1600万個の数の表を2回足し合わせます。行ごとに進むと、次の数はメモリ上で前の数のすぐ隣にあり、キャッシュがもう読み込んでいます。列ごとに進むと、次の数は 16 KB 先にあるので、プロセッサはほぼ毎回メモリを待ちます。合計はどちらも 16777216 ですが、時間は違います。列ごとのほうが何倍もかかります。

ターミナルで gdb ./loop と打ちます。break main、続けて run と打つと、プログラムは main の最初で止まります。info registers pc と打つと、次の命令のアドレスであるプログラムカウンタ（pc）が見えます。stepi で命令を1つだけ実行し、もう一度 pc を見てください。先へ進んでいます。最後に quit、続けて y と打ちます。