入出力インターフェイス (C1P%)

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USB のフレーム [16]

IT-s.pdf に「入出力インターフェイス」（C1P%）を追加しました．対象はパソコンの入出力機器（ネットワーク関係は除く）で，制御用コンピュータのセンサやモータ等には触れていません．

補足：(1) %11 のチャネルについては [3] を見てください．チャネルには高速機器用のセレクタチャネルと複数の低速機器を制御するマルチプレクサチャネルがあります．
(2) [3] の DMA は direct memory access の略で CPU を介さずに入出力機器とメモリ間のデータ転送を行います．PC 9801 でも インテル社の DMAC i8237 が用いられていたようですが（PC-9800シリーズ - Wikipedia），DMA 転送中は CPU はバスを使えないので，単一のバスの小さなコンピュータでは使われなくなってきているそうです[3]．
(3) %1 の「デバイスファイル名」は[4] に一覧表が示されています．
(4) 下記の資料に書かれているように，IEEE 1284，IEEE 488 等はメーカの使用を規格化したものです．浮動小数点の IEEE 754 はインテル社の製品が元になっています．しかし，最近は複数の企業が集まって製品化の前に仕様を検討することも多くなっています．
(5) %3 の信号は UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）と呼ばれる専用LSIで処理されます．これに、同期方式の信号も扱えるようにしたのが USART です．参考資料から省きましたが「UART」で検索すると多くの資料が提示されます．RS-232 と RS-422 のケーブルの違いによる伝送速度の差はelec-s.pdf で分布定数線路の話をしてから，そこに追加します．
(6) %4 ～ %6 は説明しきれないので，Web で検索するときの参考として用語を挙げました．詳細は個々の資料を手がかりにとして関連項目を芋づる式に検索して下さい（例：[16]のアイソクロナス転送）．

[1] 周辺機器 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%A8%E8%BE%BA%E6%A9%9F%E5%99%A8
[2] バス (コンピュータ) - Wikipedia ＞ コンピュータバス・相互接続規格 (有線)
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%82%B9_(%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF)
  コンピュータバス規格，ストレージバス規格，ペリフェラルバス規格，移動機械用バス
[3] チャネル・コントローラ - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%83%BB%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%88%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%A9
  1960年代からチャネル・コントローラは汎用コンピュータで必ず使われていた。
  ・・・バスマスタリング周辺機器に受け継がれている。SCSIアダプタや・・・
[4] ファイル名 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB%E5%90%8D
  WindowsとMS-DOSでは、以下の名前もOSによって予約されており、使用不可能である。
[5] テレタイプ端末 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%86%E3%83%AC%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%97%E7%AB%AF%E6%9C%AB
  Unix系オペレーティングシステムでは・・・、それらは/dev/tty13のような名前になる。
[6] 磁気テープ - Wikipedia ＞ コンピュータ用
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%81%E6%B0%97%E3%83%86%E3%83%BC%E3%83%97
  企業が保有する大規模なサーバなどのバックアップ用メディアとして用いられる。
[7] IEEE 1284 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_1284
  ・・・USBオンリーの機種に置き換えられた今でもプリンタ業界では高い人気がある。
[8] プリンタポートの仕様
  http://www.picfun.com/parallel02.html
  赤字で示した、ビジー、ストローブ、入出力切り替えの３種類と、
[9] IEEE 488 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_488
  HPはコンピュータのような試験装置や制御装置をより簡単に相互接続できるようにするために、
[10] RS-232 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/RS-232
  25ピンの端子仕様は、端末側ではなくモデム側のコネクタ仕様として決められている。
[11] １．　シリアル通信、RS-232Cとは(2009/8/22)
  http://www7.plala.or.jp/nekogrammer/rs-232c/comm1.htm
[12] SCSI ＞ Small Computer System Interface - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/Small_Computer_System_Interface
  サーバ用途では、CPUへの負荷を抑えられることから、現在でもSCSI接続の・・・
[13] デイジーチェーンとは (daisy chain)： - IT用語辞典バイナリ
  http://www.sophia-it.com/content/%E3%83%87%E3%82%A4%E3%82%B8%E3%83%BC%E3%83%81%E3%82%A7%E3%83%BC%E3%83%B3
[14] DisplayPort - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/DisplayPort
  PC業界からはDVIやHDMIでは満たせない小型化やコスト低減、今後の高速化・・・
[15] USB ＞ Universal Serial Bus - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus
  プラグアンドプレイ，ホットプラグ，バスパワー．
  デバイス・クラスと呼ばれる仕様群が定義されている。
[16] USBの通信プロトコル
  http://www.picfun.com/usb03.html
  (1) コントロール転送の，(2) バルク転送の，(3) インタラプト転送の，(4) アイソクロナス転送のプロトコル
[17] クラス・ドライバとその基本動作 クラス・ドライバとその基本動作 - CQ
  http://www.cqpub.co.jp/interface/sample/200512/if0512_chap1.pdf
[18] IEEE 1394 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_1394
  FireWire、i.LINK（アイリンク）、DV端子などの複数の名称が
[19] シリアルATA - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%AA%E3%82%A2%E3%83%ABATA
  パラレルATA (ATAPI, IDE) との違い
[20] IrDA - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IrDA
  ・・・用途で普及するなど用途の棲み分けが進んでいる。
[21] Bluetooth - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
  ・・・および指向性の少なさとしての利便性が認識され、多様な分野で
[22] IEEE 802.15 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15
  後発のBluetoothの方が結果的に先に製品化されたために方針を転換し、
[23] ISMバンド - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/ISM%E3%83%90%E3%83%B3%E3%83%89
  13560kHz (13553 - 13567kHz)，・・・，24.125GHz (24 - 24.25GHz)
  このように、無線通信以外に電波を利用することがISMバンド本来の利用であり、
[24] RFID - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/RFID
  ICタグ、その中でも特にパッシブタイプのICタグのみを指して
[25] 拡張カード - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8B%A1%E5%BC%B5%E3%82%AB%E3%83%BC%E3%83%89
  パーソナルコンピュータの拡張バス（拡張スロット）の一覧を以下に示す。

CPUとメモリ（C1K%）

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キャッシュメモリの構造 [13]，                     アドレス変換機構の概念図 [18]

IT-s.pdf に「CPUとメモリ」（C1K%）を加えました．コンピュータの性能向上の代表的な方式（≒作り方＋使い方）を紹介しています．詳細は下記の資料等で勉強してください．高速化，大容量化の筋書きを描いてそこに技法を埋め込んでいくと覚えやすくなります（名称より内容）．例えば，キャッシュメモリを挿入しようと思ったときの検討項目として必然的にメモリ格納構造，ライン入替え方式，データ更新方式が出てきます．

補足：(1) プログラム用メモリとデータ用メモリのバスを別にする構成をハーバード・アーキテクチャという．
(2) バスを共有するプリンストン・アーキテクチャでは命令語を次のように処理する．データバスを16ビットとすると[#15]の命令語の場合は：(a)命令語前半の読み取りとPCの更新，(b)命令の解読，命令語後半の読み取りとPCの更新，(c)実効アドレスの計算，(d)メモリにあるデータの読み取り，(e)演算の実行，(f)演算結果の書き込み．--- これ(CISC)は６ステージで [3] のモデル(RISC)とは異なる．なお，文字列の処理を考えると32ビットや64ビットのマシンでもアドレスをバイト単位にすることが望ましい．
(3) ２アドレス命令，３アドレス命令や間接アドレッシングはあまり使われないようなので省略．
(4) %12 の障害をパイプライン・ハザードという．また，制御ハザード（分岐ハザード）対策として分岐に影響しない後続の命令を先行して実行することを遅延分岐という．
(5) CISC，RISC，TCMP，LCMP は Complex Instruction Set Computer，Reduced Instruction Set Computer，Tightly Coupled Multi-Processor，Loosely Coupled Multi-Processor --- 元の語で覚えると覚え違いを減らせる．
(6) 複数のコアをもつプロセッサをマルチコアプロセッサ（ホモジニアスとヘテロジニアスがある）という．なお %22 のアレイプロセッサはプロセッサのアレイではなく，ベクトル演算用のプロセッサ．GPU，DSP，DMAC は Graphics Processing Unit，Digital Signal Processo，DMA (Direct Memory Access) Controller．
(7) キャッシュメモリのメモリ格納構造にはダイレクトマップ方式，セットアソシアティブ方式，フルアソシアティブ方式があり，ライン入替え方式にはラウンドロビン，LRU（Least Recently Used），ランダムがある．また，データ更新方式にはライトスルー方式とライトバック方式がある．キャッシュメモリの効果は平均アクセス時間（ヒット率の関数）で評価される．なお，キャッシュメモリのキャッシュは cash でなく cache である．
(8) 仮想記憶におけるページの入れ替え（スワッピング）の考え方はキャッシュメモリの場合と同様．指定した論理アドレスが物理アドレス空間に存在するか否かを変換テーブルで調べるとき，TLB（Translation Lookaside Buffer）を用いると効率よく高速化できる．
(9) メモリ管理ユニット（MMU）はアドレス変換の他に，メモリ保護機能等を持っている．
(10) セグメント方式，ページ化セグメンテーション方式，オーバーレイ方式（バンク切り替え方式）の考え方については [19]，[21] 等を参照してください．

[1] コンピュータ・アーキテクチャ - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BB%E3%82%A2%E3%83%BC%E3%82%AD%E3%83%86%E3%82%AF%E3%83%81%E3%83%A3
[2] アドレッシングモード - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%89%E3%83%AC%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%83%89
  右図は、現在最も多く使われているCISCであるx86アーキテクチャでのアドレッシングモードを示している。
  以下に挙げるのは、1980年代ごろまで使われていたアドレッシングモードであるが、現在では使われていない。
[3] パイプライン処理 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%91%E3%82%A4%E3%83%97%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%B3%E5%87%A6%E7%90%86
[4] スーパースケーラ - Wikipedia （スーパースカラー）
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E3%82%B9%E3%82%B1%E3%83%BC%E3%83%A9
  複数の命令を命令パイプラインの1つのステージで実行する。
[5] マルチプロセッシング - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%83%AB%E3%83%81%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%B3%E3%82%B0
[6] プロセッサコアとは【processor core】（マイクロプロセッサコア） - 意味 ...
  http://e-words.jp/w/E38397E383ADE382BBE38383E382B5E382B3E382A2.html
  マイクロプロセッサの中核部分で、演算処理を行うための論理回路や1次キャッシュなどが実装されている。
  ・・・複数のプロセッサコアを収めて並列処理によって性能を向上させるマルチコアプロセッサが増えている。
[7] マルチコア - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%83%AB%E3%83%81%E3%82%B3%E3%82%A2
  1つのプロセッサ・パッケージ内に複数のプロセッサ・コアを封入した技術であり、マルチプロセッシングの一形態である。
[8] チップセット - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%81%E3%83%83%E3%83%97%E3%82%BB%E3%83%83%E3%83%88
  とりわけ、コンピュータにおいて、CPUの外部バスと、メモリや周辺機器を接続する標準バスとの・・・
[9] Graphics Processing Unit - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/Graphics_Processing_Unit
[10] デジタルシグナルプロセッサ - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%87%E3%82%B8%E3%82%BF%E3%83%AB%E3%82%B7%E3%82%B0%E3%83%8A%E3%83%AB%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%83%83%E3%82%B5
[11] Direct Memory Access - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/Direct_Memory_Access
[12] キャッシュ (コンピュータシステム) - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AD%E3%83%A3%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A5_(%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%82%B7%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%A0)
[13] キャッシュメモリ - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AD%E3%83%A3%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%A1%E3%83%A2%E3%83%AA
  データ格納構造，ライン入替え方式，データ更新方式，キャッシュコヒーレンシ．
[14] メモリ管理 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%83%A2%E3%83%AA%E7%AE%A1%E7%90%86
[15] メモリ管理ユニット - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%83%A2%E3%83%AA%E7%AE%A1%E7%90%86%E3%83%A6%E3%83%8B%E3%83%83%E3%83%88
  主な機能としては、論理アドレスを物理アドレスに変換する機能（すなわち仮想記憶管理）、メモリ保護機能、
  キャッシュ制御機能、バス調停機能、そして単純な8ビットシステムなどに見られるバンク切り替え機能などがある。
[16] ページング方式 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9A%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%83%B3%E3%82%B0%E6%96%B9%E5%BC%8F
[17] セグメント方式 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BB%E3%82%B0%E3%83%A1%E3%83%B3%E3%83%88%E6%96%B9%E5%BC%8F
  セグメントは、メモリ空間上で、情報の属性などによって分類されたグループである。
  ページ化セグメンテーション：セグメント方式とページング方式と組み合わせた方式。
[18] 仮想記憶 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%AE%E6%83%B3%E8%A8%98%E6%86%B6
  「仮想記憶」という用語は「メモリスワッピング」と混同されることが多い。・・・・ 従って主記憶装置以上の
  大きな記憶領域を仮想的に使用できるようにすることは仮想記憶の主な目的ではあるが、本質ではないとも言える。
[19] メモリ管理ユニット - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%83%A2%E3%83%AA%E7%AE%A1%E7%90%86%E3%83%A6%E3%83%8B%E3%83%83%E3%83%88
[20] オーバーレイ (情報工学) - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%90%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%82%A4_(%E6%83%85%E5%A0%B1%E5%B7%A5%E5%AD%A6)
[21] バンク切り換え - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%83%B3%E3%82%AF%E5%88%87%E3%82%8A%E6%8F%9B%E3%81%88

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gooブログのHTMLエディタには
 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AD%E3%83%A3%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A5_(%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%82%B7%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%A0)
等の最後の「)」がの後に来るというバグがあります．

原始プロセッサ(C1G%)

原始プロセッサ

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原始プロセッサ P8

IT-s.pdf に「原始プロセッサP8」（C1G%）を加えました．COMET II（や初代 COMET）の雛形の一案で，アドレス空間は 8 ビット，命令数は 12 です．

補足：(1) COMET II は外部仕様しか示されていないので，IT.pdf [#11], [#16] の説明の補足となるように，インストラクションレジスタ等を含むブロック図を示しました．割込みには対応していません．休止だけなら命令の追加は不要で，HOLD や HLDA 端子を加えて DMA の説明もできますが，行数不足のため省きました．制御信号は図示していないのでデコーダからALUへの矢印も描いていません．
(2) NAND 命令があるので AND，OR，XOR のマクロを作れます．また，R3 をスタックポインタ専用にすれば，XCHG 命令を用いて PUSH，POP，CALL，RET のマクロも作れます．
(3) 加減算は 256 を法とする剰余を計算し，フラグは Z だけです．符号付きか否かは応用プログラムの解釈に任せています．10進数１桁に１語を割り当てた多数桁の加算ルーチンは容易に作れます．
(4) スイッチや発光ダイオード等による入出力はメモリマップト I/O 形式を想定しています．
(5) 「PR」は一般的でないので旧COMETの「PC」にしました[5]．「LEA」，「JMP」は COMET II にあわせて「LDA」，「JUMP」にしています．なお「アセンブラ言語」は英語では「assembly language」です．

(6) 下図は初期のマイクロプロセッサ i8085 の構成ブロック図です[4]．

               

[1] 試験で使用する情報技術に関する用語・プログラム言語など，Ver2.1(2011年10月版)
  http://www.jitec.ipa.go.jp/1_13download/shiken_yougo_ver2_1.pdf
[2] WCASL II
  http://www.ics.teikyo-u.ac.jp/wcasl2/
[3] CASL IIアセンブラ・COMET II シミュレータ
  http://www.inf.ie.kanagawa-u.ac.jp/uchida/uchdownload.html#casl
[4] MCS-85 useer's manual, インテル社技術資料，1977．
[5] レジスタ (コンピュータ) - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF_(%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF)

バス（C1E%）

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i8085 のタイムチャート [3]

IT-s.pdf に「バス」（C1E%）を加えました．コンピュータの構成要素（CPU，メモリ，入出力機器）はバス（アドレスバス，データバス，コントロールバス）で接続されています．バスの仕様はシステム全体の構成を支配します．初期の S100，拡張スロットの PCI，おなじみの USB 等もバスの仕様です．「バス」（C1E%）では理想化した単純なモデルで概念を説明し，マルチプロセッサやDMAは「CPUとメモリ」，SCSI，SATA等は「入出力機器」で述べます．

補足：(1) CPU や DMAC はバスマスタ，メモリや入出力機器はバススレーブです．バスマスタが複数個あるときはバスアービタがバスの使用権を調停します．
(2) %1 の関数 g と類似の構成（出力を結合して抵抗でプルアップすると論理積の否定が得られる）はオープンコレクタの TTL-NAND ゲートで実現できます（wired logic）． 記号論理では「(￢w₁)∨w₂」を「w₁→w₂」とかき，「w₁ならばw₂」と読みます．w₁＝0 のときは g(w₁, w₂)＝1 で論理積の値を変えません．%22 で述べた「３値出力の素子」は「tri-state (three-state) buffer」とよばれています [2]． 
(3) %2 のタイムチャートは理想化したモデルによる原理説明です．上図はハード設計者用のタイムチャートの一例（マイクロプロセッサ i8085 の read 動作）です．

[1] バス (コンピュータ) - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%82%B9_(%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF)
[2] デジタル回路 - Wikipedia ＞ スリーステート・バッファ
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%87%E3%82%B8%E3%82%BF%E3%83%AB%E5%9B%9E%E8%B7%AF
[3] MCS-85 useer's manual, インテル社技術資料，1977．

数値の表現（C1A%）

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オーバーフローがない状態

IT-s.pdf に「数値の表現」（C1A%）を加えました．主として負の整数の補数表示と IEEE 754 の浮動小数点形式の説明です．他に有効数字や「桁落ち」「情報落ち」による計算誤差にも言及しています．

補足：(1) %11 の f₁ を半加算器，f₁ と f₂ の対を全加算器といいます．
(2)「１の補数」には言及しませんでしたが，関連する式は書いています（結果だけ書きました．証明は自分で考えてください．「花より団子，用語より式」です．中身が分かれば用語の記憶も楽です）．10進数の「10の補数」「９の補数」等を含む一般的な説明は [1] で述べられています．
(3) 加算時のオーバーフローは上位に符号ビットを加えると考え易いと思います．上図は４ビットの加算ですが赤い縦線の左側は符号拡張分である３ビットの加算だと考えると y₂₃ ≠ y₂₂ のときにオーバーフローしていることが分かります．また，正の数と負の数の加算では絶対にオーバーフローが生じないことも上図で確認できます．（参考までに末尾に基本情報処理の問題例を付記しました．）
(4) IEEE 754 の浮動小数点形式はいくつかありますが，binary64 だけを紹介しました．「正規化」も用語なし，式だけです．指数部のバイアスや仮数部の「けち表現」，丸め方の選択等に関する詳細は Wikipedia の解説 [2]（＝%0[2]）を見てください（再掲： 理由が分かれば覚えやすくなります--- とくに指数部の表現． 10進数の6.022×10²³ (1≦6.022<10) の「6」は省けませんが，２進数であれば１しかないので省略できます）．decimal64/128 は金利等の正確な表現に必要です．

[1] 補数 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A3%9C%E6%95%B0
[2] IEEE 754 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/IEEE_754

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平成14年度春期試験　午後の問題
問1　論理演算と全加算器に関する次の記述を読んで，設問1～3に答えよ。

設問3　2の補数表現によるnけたの2進数同士の加算を行う論理回路を全加算器で構成した場合，最上位けた（An，Bn，Cn）の加算において全加算器の真理値表の網掛部分でオーバフローが生じる。これを検出するための論理回路は，XOR1個で構成できる。この論理回路への入力X，Yの組として正しい答えを，解答群の中から選べ。