コンピュータ構成要素

コンピュータ内部の情報表現

情報量の単位

コンピュータ内部：全ての情報「0」「1」で表現
→ 「0」「1」＝　コンピュータで扱う情報の最小単位（ビット）
→ ８ビットを一つにする　＝　バイト（情報量の基本単位）

表現できる情報の範囲

1ビット　→ 「0」「1」＝２通り
2ビット　→ 「00」「01」「10」「11」＝4通り
→　nビット＝　2ⁿ通り　表現できる

大きな数値を表す接頭語

接頭語	意味
k	10³
M	10⁶
G	10⁹
T	10¹²

小さな数値を表す接頭語

接頭語	意味
m（ミリ）	10⁻³
μ（マイクロ）	10⁻⁶
n（ナノ）	10⁻⁹
p（ピコ）	10⁻¹²

文字の表現

コンピュータ内部　： 「0」「1」で表現
→ 文字も2進数で表現している（文字コード）
→ 「０」「１」の割り振り方によって、文字コードが違う

（文字コードの種類）

文字コード	内容
ASCIIコード	英数字/記号/制御文字のみ、米国標準規格、漢字・仮名なし
シフトJISコード	ASCIIコード＋漢字・仮名あり、日本工業規格
EUC	UNIX、Linuxで使われる
Unicode	世界の文字を一つに体系化したもの 例）UTF-8

コンピュータの構成

（五大装置）

• 制御装置：記憶装置から命令を取り出す　→　各装置に指示
• 演算装置：演算処理をする
• 記憶装置：データ・プログラムを記憶
• 入力装置：外部からデータを読み込む
• 出力装置：処理結果を外部に書き出す
  ＊　制御装置＋演算装置＝中央処理装置（CPU）
  → 制御装置・演算装置はCPU中に格納されている
  

ハードウェア・ソフトウェア

ハードウェア

コンピュータという機械そのものを指す　例）五大装置

ソフトウェア

コンピュータをどう動かすのかという仕事を指す　例）プログラム・アプリケーション

プログラム記憶方式（プログラム格納方式）

（現代のコンピュータ）
主記憶に記憶されたプログラム　→　CPUが順に取り出す　→　実行する方式

※ 主記憶：CPUから直接アクセスできる記憶装置

CPU（プロセッサ）

コンピュータの頭脳にあたる
→ CPUの性能　＝　クロック周波数　＋　バス幅　で表す

クロック周波数

コンピュータには色んな装置　→ CPU：クロック信号（クロックパルス）を出す　→ 各装置の動作タイミングを合わせる
→ 人間の脈拍
→ クロックサイクル時間：　1クロックあたりの秒

CPUも「クロック」に合わせて動作　→ １周期の時間が短ければ、より多く処理できる

• クロック周波数：1秒間に繰り返されるクロック回数　（単位：　Hz）　例）人間の「脈拍」
  • 内部クロック：　CPU内部のクロック周波数
  • 外部クロック：　CPUと周辺装置の伝送路のクロック周波数
    ＊　内部クロック　＝　外部クロック　じゃなくても良い、現在はだいたい　内部＞外部
    ＊　クロック周波数 高　→ 処理能力 高　
    　→ メモリ・HDDの性能も関係するので、クロック数2倍→システム処理能力2倍　になるわけではない

バス

CPU ↔︎ メモリ ↔︎ キャッシュメモリ　間でデータを送るための道路
→ 人間：血管

CPUの命令実行手順

レジスタ

CPUに内蔵されてる、高速な記憶装置（命令を記憶）

種類	記憶内容
命令レジスタ	実行する命令
命令アドレスレジスタ(プログラムカウンタ)	次に実行する命令のアドレス
指標(インデックス)レジスタ	指標アドレス指定方式で使うアドレス
基底(ベース)レジスタ	基底アドレス指定方式で使うアドレス
アキュムレーター	演算対象・演算結果
汎用レジスタ	色々な値

命令語

プログラム言語　→ 機械語(命令語)に変換　→ 解読・実行
（命令語の構成）
命令部　＋　アドレス部（オペランド部）

命令実行のサイクル

① 命令の取り出し（命令フェッチ）

• 【 制御装置→記憶装置 】命令アドレスレジスタ（プログラムカウンタ）のアドレスを参照　
• 【 記憶装置→制御装置 】命令を取り出して、命令レジスタに格納
• 【 制御装置 】命令アドレスレジスタに、次の命令アドレスをセット

② 命令の解読

• 【 制御装置 】命令部（命令レジスタ）→ デコーダへ
• 【 制御装置→演算装置 】デコーダが解読、演算装置へ指示

③ 実効アドレス計算

• 【 制御装置 】アドレス部（命令レジスタ）→ アドレスレジスタへ
• 【 制御装置 】アドレスレジスタ：実効アドレス（データのあるアドレス）計算

④ オペランドの取り出し
・　【 主記憶装置→演算装置 】処理対象のデータ取り出し　→　演算装置へ

⑤ 命令の実行
・　【 演算装置 】演算を実行

⑥ 演算結果の格納
・　【 演算装置→記憶装置 】演算結果を格納

　

アドレス指定方式（↑ 実効アドレス計算の話）

アドレス修飾（アドレス指定）：　アドレス部の値になんらかの処理　→ 実効アドレスを求める方式

即値アドレス指定方式

アドレス部　＝　データそのものが入ってる方式

直接アドレス指定方式

アドレス部　＝　実効アドレスが入っている方式

間接アドレス指定方式

アドレス部　＝　実効アドレスを格納してるアドレスが入っている方式

相対アドレス指定方式

アドレス部の値　＋　命令アドレスレジスタ（プログラムカウンタ）の値　＝　実効アドレス

指標（インデックス）アドレス指定方式

アドレス部の値　＋　指標レジスタ　＝　実効アドレス

※インデックスレジスタの役割

• 配列の添字(インデックス)で利用

for.java

for(int i = 0; i < 10; i++) {
    int[] array = new int[10];
    array[i] = i + 100;
}

→ インデックスが1ずつ増加＝インデックスレジスタを1増加

基底（ベース）アドレス指定方式

アドレス部の値　＋　基底レジスタの値　＝　実効アドレス

※ ベースレジスタの役割

• 再配置可能プログラム(リロケータブル) で利用する
  • ＝　主記憶のどこにおいても実行できる性質
  • → アドレスを変更するとき＝ベースレジスタの値を変更する

CPUの高速化技術

１命令　＝　①命令の取り出し②命令の解読③実効アドレスの計算④オペランド取り出し⑤命令の実行⑥演算結果の格納
　　　　　　←ーーーーーーーーーーーーー制御装置ーーーーーーーーーーーーーー→ ←ーーーー演算装置ーーーーー→
→ 命令実行まで6段階！
→ 実行の仕方＝4つ

逐次制御方式

１命令ずつ順番に実行する方式　→ 効率が悪い（制御/演算装置が動かない時間あるため）

パイプライン方式

複数の命令　→ １ステージずつずらしながら並行処理　→ 高速化

（欠点）
パイプライン方式　→ 先読みして処理をする　→ 先読みが外れる場合がある　例）分岐
（対策）
・　分岐予測：　実行されそうな方を予測する
・　投機実行：　予測に基づいて、実行すること

パイプラン方式を更に高速化する方式

スーパーパイプライン方式

パイプライン方式を更に細かく　→ 高速化

スーパースカラ方式

複数の命令を同時に実行＋パイプライン方式　→ 高速化

CPUの命令体系

CISC（シスク）（Complex Instruction Set Computer）

複雑な命令（命令数が多い）を持ったCPU、１回の命令で複雑な処理できる
活用例）　PCのCPU

RISC（リスク）（Reduced Instruction Set Computer）

単純な命令を持ったCPU、命令の実行時間が均等→パイプライン方式と相性いい
活用例）　スマホ・タブレット・組み込みシステムのCPU

マルチコアプロセッサ

１つのCPU内：　複数のコア（演算の中心）ある
→　シングルコアより、消費電力 低・処理速度 速
→　デュアルコア（２つ）・クアッドコア（4つ）・オクタルコア（8つ）
→ それぞれのコア　＝　同時に別の処理　→ 処理能力向上

GPU

３Dの画像　→　高速に処理する画像処理装置
→ 数千個のコア　＝　データを並列処理

半導体メモリ（コンピュータの記憶装置に使われる）

1. RAM（Ramdom Access Memory）

• 読み書きできるメモリ
• 揮発性（電源を切ると、データが消える）＝ 一時的に記憶できる

① DRAM

• コンデンサに電気を加えてデータ保持（時間が経つと放電→データ失う）　
  • → リフレッシュ（データ保持）必要
• SRAMに比べ、大容量・低速・安価
• 主記憶(メインメモリ) に使われる
  
  例）Excel
• 編集　→ 保存しないでアプリ終了　→ アプリ起動　→ 編集データ保持
• 編集　→ 保存しないでアプリ終了　→ 電源切る/つける　→ アプリ起動　→ 編集データ消失

② SRAM

• フリップフロップ回路 で記憶（２つの安定した状態をもつ、１ビットの情報を記録する回路）
  • → リフレッシュ不要
• DRAMと比べ、小容量・高速・高価
• キャッシュメモリに使われる

2. ROM（Read Only Memory）

• 読み出しのみ
• 不揮発性（電源を切っても、データ消えない）

ROM　＝　マスクROM・PROM　に分割

	書き込み	消去	特徴
マスクROM	❌	❌	工場で書き込み、読み込むだけ　例）ゲーム機
UV-EPROM	⭕️	⭕️	紫外線照射　→ 書き込み＆消去
EEPROM	⭕️	⭕️	電気　→ 書き込み＆消去（バイト単位）
フラッシュメモリ	⭕️	⭕️	電気　→ 書き込み＆消去（ブロック単位）

キャッシュメモリ

• 主記憶（メインメモリ）より高速
• CPUと主記憶（メインメモリ）の間に配置するメモリ
  • メインメモリのアクセス速度　＜　CPUの処理速度
  • よく使うデータを記憶　→ 主記憶へのアクセス数減らす
  • 目的：　実効アクセス時間の短縮
  • キャッシュメモリにデータない　→ メインメモリへアクセス（割込みは生じない）

実効アクセス時間

アクセスするデータ　→ キャッシュメモリ　or　メインメモリ　に存在

• ヒット率：　アクセスするデータがキャッシュメモリにある確率
• NFP（Not Found Probability）：　アクセスするデータがメインメモリにある確率

（実行アクセス時間の公式）
ヒット率 ✖️ キャッシュメモリのアクセス時間 ➕　（1 - ヒット率）　✖️ メインメモリのアクセス時間

１次キャッシュ・２次キャッシュ

主記憶のアクセス時間とCPUの処理時間の差が大きい時
→ １次キャッシュ（L1キャッシュ）・２次キャッシュ（L2キャッシュ）　構成にする
→ （アクセス順番）　CPU　→ １次キャッシュ　→ ２次キャッシュ　→ メインメモリ

ライトスルー方式・ライトバック方式

キャッシュメモリへの書き込み方

ライトスルー方式

※ メインメモリへのアクセス頻発　＝　低速
※ 一貫性（コヒーレンシ）が保たれる

ライトバック方式

※ メインメモリへのアクセス減少　＝　高速

メモリインターブ

アクセスと容量

補助記憶装置

（メインメモリと比較）

• アクセス速度　遅い
• 大容量・安価
• 不揮発性（電源切ってもデータ消えない）＝ 長期的な記憶ができる

1. 磁気ディスク装置（HDD：Hard Disk Drive）

■ HDD 使用例 ：　ワープロなどのソフト「保存ボタン」
→ 主記憶装置から補助記憶装置にデータをコピーする
■ しくみ
磁性体を塗ったディスク　→ データ記録　→ 磁気ヘッドを移動　→ データを読み書き
■ 特徴
・　アクセス速度・データ転送　高速
・　大容量
・　プログラム・アプリ・データ　→ 磁気ディスク装置に保存
・　別名　「ハードディスク」

ハードディスクの構造

ディスクの表面

※ 1セクタ ＝ 512バイト単位
＊　シリンダ：　シリンダ単位でアクセスする

• シリンダ：1枚のディスクが4枚集まる(1)/全ディスクの中心から同距離にあるトラック(4トラック)を合わせてシリンダという(2)
  • シリンダという考え方がある理由：磁気ヘッドの動作を最小限にするため

アクセス時間

CPUが命令　〜　データの読み書き終了時間
（アクセス時間の公式）
待ち時間（位置決め時間＋回転待ち時間）　＋　データ転送時間

時間	内容
位置決め時間（シーク時間）	磁気ヘッド→目的のデータがあるトラックまで移動する時間
回転待ち時間（サーチ時間）	磁気ヘッド→目的のデータが回転してくるのを待つ時間
データ転送時間	磁気ヘッド→目的のデータが通り過ぎるのに使う時間

※　サーチ時間　＝　１回転する時間の１/２

フラグメンテーション（断片化）

（ハードディスクの空きが十分な状態）
データ　＝　連続した領域に固まって記録　→ 待ち時間が最小限で済むため

（データの追加・削除を繰り返す）
データ　＝　連続した領域に保存されない（断片化）
→ ハードディスクの読み込み速度が遅くなる

デフラグメンテーション（フラグメンテーションを解消する作業）

2. フラッシュメモリ

データを電気的に書き換える・消去　できる
使用例）　USBメモリ、 SDカード

3. SSD

• HDD の代替え装置
• フラッシュメモリを使う、ディスクはない（＝シーク/サーチなし）
• 静音、衝撃に強い
• 消費電力小
• 高価、書き込み回数に上限

4. 光ディスク

レーザー光でデータを読み書きする記憶媒体

種類	特徴	容量
CD	音楽用CD→PC記録用に応用・ソフトウェアの配布	700MB
DVD	映像も記録できる	17GB
BD(Blu-ray Disc)	ハイビジョン映像を記録	100GB

光ディスクの記録方法

記録方法	内容	例
再生専用型	書込み✖️	CD-ROM,DVD-ROM,BD-ROM
追記型	書込み○書換え✖️	CD-R,DVD-R,BD-R
書替え型	書込み○書替え○	CD-RW,DVD-RW,BD-RE

入出力装置

入力装置

コンピュータ　← データ・音声・画像を入力、指示を与える　装置

（種類）

• 文字を入力する装置：　例）キーボード
• 位置情報を入力する装置：　例）マウス・タブレット　→ 総称：　ポインティングデバイス
• イメージを入力する装置：　例）イメージスキャナ

＊　静電容量方式タッチパネル：　タッチした部分　→ 表面電荷の変化　→ 位置を検出

バーコードリーダ

帯状のバーコードを読み取る装置
（バーコードの種類）

バーコード	特徴
JANコード	商品を管理、しましま、「国コード・メーカコード・商品アイテムコード・チェックディジット」で構成
QRコード	小さな領域に多くの情報、エラー訂正機能、２次元コード、360度の方向から読み取り可能

＊　POSシステム：　バーコード　→ 売行きを把握するシステム
＊　RFID（ICタグ）：　ICチップ＋アンテナ　→ 電磁波で情報を非接触で読み取る　例）　Suica

出力装置

コンピュータ内部で処理したデータ　→ 外部に出力する総理

ディスプレイ

ディスプレイ	特徴
液晶ディスプレイ	色の透過を画素ごとに制御→カラーフィルターで色表現、自ら発光しない
有機ELディスプレイ	電気を通すと発光する有機化合物、薄型・低電圧・低電力

解像度

ディスプレイ　：　点（ドット＝画素・ピクセル）が集まって表現
解像度：　横・縦のドット数で表す　（ドットが大きい→解像度が高い→キレイなディスプレイ）
　→ ※ 単位： dpi(dots per inch)＝１インチあたりのドット数

VRAM（Video RAM）

ディスプレイに表示される内容を一時的に記録する専用メモリ
→ 解像度はVRAMの容量で決まる！

プリンタ

種類	内容
レーザープリンタ	レーザー光→紙に転写→印刷　PPM（Page Per Minute）
インジェクトプリンタ	インクを吹き付ける→印刷
ドットインパクトプリンタ	インパクトを与える→印刷

3Dプリンタ

熱で溶かした樹脂・金属粉末　→ 層状に積み重ねる　→ 立体物を作成するプリンタ

入出力インタフェース

入出力インタフェース

PC本体と周辺機器を接続する規格

USB（Universal Serial Bus）

PCと周辺装置を接続する、標準的なシリアルインタフェース
→　シリアルインタフェース：　データを１ビットずつ直列に転送
→ マウス・キーボード・磁気ディスク装置・プリンタ　などと接続
→ PC：　数個のポート（差し込み口）あり
→ USBハブ：　127台の機器接続が可能

（USBの規格）

規格	転送速度(bps)	モード	使用先
USB1.1	12M	フルスピード	プリンタ・スキャナ
USB2.0	480M	ハイパースピード	外付けHDD
USB3.0	5G	スーパースピード	SSD

USBのコネクタの形状

　。
＊　ホットプラグ：　接続した機器の電源を入れたまま、抜き差しできる　例）USBはホットプラグ対応
＊　バスパワー：　USBのケーブル　→ パソコン本体から電源を供給する

HDMI

音声・映像・制御信号　＝　１本のケーブルで入出力できるインタフェース
例）　PC・スマホの映像、音声　→ TVに出力

Bluetooth

免許不要・2.4GHzの電波　→ 利用したインタフェース
→ 半径100mハンイ：　通信速度＝24Mbps
→ 指向性なく通信できる

＊　BLE（Bluetooth Low Energy）：低 消費電力・長時間動作　（IoT機器に適する）

Zigbee（ジグビー）

免許不要・2.4GHzの電波　→ 利用したインタフェース

• 電波の届く範囲は狭い
• 低コスト・低消費電力
• PAN（Personal Area Network）：　LANより狭い、近距離のIT機器同士が通信するネットワーク
  • BLE、Zigbeeを使用