エンベデッドシステムスペシャリスト 2022年午前2 問14

問題文

内蔵ROM又は外部ROMに置いたプログラムを実行できるMPUがある。このMPUのバス幅、アクセスサイクル、クロック周波数の仕様を表に示す。このMPUで、外部ROMに置かれたある命令を実行したところ、処理時間は1マイクロ秒だった。同じ命令を内蔵ROMに置いて処理した場合、処理時間は何ナノ秒か。ここで、この命令はバスアクセス時間内に実行が完了し、命令は4バイトバウンダリで配置されているものとする。

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選択肢

ア：62.5

イ：125（正解）

ウ：250

エ：500

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ROMバス幅と命令実行時間【午前2解説】

正解の理由

正解は、125ナノ秒を示すイです。

クロック周波数は内蔵ROM・外部ROMともに16MHzなので、1クロックの時間は次のとおりです。

\frac{1}{16 MHz} = 62.5 ns

内蔵ROMのアクセスサイクルは2クロックです。したがって、1回のアクセスにかかる時間は次のとおりです。

62.5 ns \times 2 = 125 ns

内蔵ROMのバス幅は32ビット、つまり4バイトです。命令は4バイト境界に配置されているため、必要な4バイトを1回のアクセスで読み出せます。また、命令の実行はバスアクセス時間内に完了します。よって、処理時間は125ナノ秒です。

解法ステップ

クロック周期を求めます。
16MHzの1クロックは62.5ナノ秒です。
外部ROMのアクセス時間を確認します。
1回のアクセスは4クロックなので、 $62.5 \times 4 = 250$ ナノ秒です。
外部ROMでのアクセス回数を求めます。
バス幅は8ビット、つまり1回に1バイトを読み出します。1マイクロ秒は250ナノ秒の4倍なので、命令の読み出しには4回のアクセスが必要です。
内蔵ROMでのアクセス回数と時間を求めます。
内蔵ROMのバス幅は32ビットで、4バイトを1回で読み出せます。アクセス時間は2クロックなので、処理時間は $62.5 \times 2 = 125$ ナノ秒です。

選択肢別の誤答解説

ア：62.5ナノ秒
1クロック分の時間です。内蔵ROMのアクセスには2クロックかかるため、1クロック分だけでは不足します。
イ：125ナノ秒
内蔵ROMの2クロック分のアクセス時間です。4バイトを1回のアクセスで読み出せるため、これが正解です。
ウ：250ナノ秒
外部ROMの1回分のアクセス時間です。内蔵ROMのアクセス時間と取り違えています。
エ：500ナノ秒
外部ROMで2回アクセスする場合の時間に相当します。今回は外部ROMで4回アクセスするための時間が1マイクロ秒です。内蔵ROMでは4バイトを1回で読み出せます。

よくある誤解

周波数の数値をそのまま時間として扱う誤り
16MHzは1秒間のクロック数です。1クロックの時間に直すには、周波数の逆数を求めます。
バス幅とアクセスサイクルを混同する誤り
バス幅は1回に転送できるデータ量、アクセスサイクルは1回の転送に必要なクロック数です。それぞれ別に考えます。
命令の実行時間に独立した時間が加わると考える誤り
この問題では、命令はバスアクセス時間内に実行が完了します。そのため、処理時間は必要なメモリアクセス時間で求められます。

補足コラム

バス幅が広いほど、1回のアクセスで転送できるデータ量が増えます。この問題では、外部ROMは8ビット幅なので1バイトずつ読み出しますが、内蔵ROMは32ビット幅なので4バイトをまとめて読み出せます。

また、「4バイト境界に配置」という条件は、命令のデータが内蔵ROMの32ビット幅に対応した4バイト単位の読み出しで扱えることを示しています。

FAQ

Q. なぜ外部ROMの処理時間は1マイクロ秒になるのですか？
A. 外部ROMは8ビット幅なので、1回のアクセスで1バイトを読み出します。4バイトの読み出しには4回必要で、1回のアクセスは250ナノ秒です。したがって、

250 \times 4 = 1, 000

ナノ秒、つまり1マイクロ秒です。

Q. 内蔵ROMではなぜ外部ROMより速くなるのですか？
A. 内蔵ROMは32ビット幅なので、4バイトを1回のアクセスで読み出せます。さらに、1回のアクセスは2クロックで完了します。

関連キーワード: バス幅、アクセスサイクル、クロック周波数、クロック周期、ROM、メモリアクセス

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