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コンピューター概論

kc@example.com (kc kim) — Tue, 01 Nov 2022 00:27:00 +0900

コンピューター概要

kc@example.com (kc kim) — Thu, 23 Dec 2021 09:27:00 +0900

コンピューターの概要

人に代わって複雑な演算を行う電子計算機。
大容量のデータを保存し、管理できる。

コンピューターの特徴

迅速性: 大量のデータを演算処理できる。近年のコンピューターは、1秒間に数十億回もの算術演算を実行する。
信頼性: コンピューターは大量のデータ処理において、エラーのない信頼性を支えている。これはコンピューターが人の業務を代行するうえで不可欠な要素である。
正確性: 半導体技術の飛躍的な発展により、コンピューターの正確性は日々高まっている。
データの保存: 各種データを保存するための記憶装置が開発されたことで、相当な量のデータを小さな空間に蓄積して保存できる。
経済性: 大容量データを高速に処理することで、人が行う場合に比べて時間と費用を削減できる。

PC(Personal Computer、個人用コンピューター)

初期のコンピューターは、個人が単独で使用することを前提としておらず、共同の利益を目的として開発された。そのため、中央処理部と記憶装置を備えた中央コンピューターと、利用者のための端末に分かれていた。PCは個人が単独で使用することを前提として開発されたコンピューターであり、コンピューターに必要な中央処理部、記憶装置、入出力装置を1つの製品として一体化したものである。

ハードウェアとソフトウェア

ハードウェア

ハードウェアは物理的な装置を意味する。コンピューターにはCPU、メモリ、ディスクドライブ、入出力装置など各種ハードウェアが存在し、これらはソフトウェアの命令を受けて動作する。

ソフトウェア

ソフトウェアは、コンピューター上で動作し、業務を遂行するプログラムを意味する。オペレーティングシステム、ゲーム、グラフィックプログラム、教育用プログラム、業務用プログラムなどがこれに含まれる。

基本用語

bit(ビット)とByte(バイト)

コンピューターは、すべての資料を0と1で表すデジタル形式の電気信号を使用する。デジタルとは、電気が流れている状態である「1」と、流れていない状態である「0」という2つの電気的な状態だけでデータを表現することである。これがコンピューターでいうデータ表現の最小単位であるbitである。つまり、1bitで表現できるデータは1と0の2種類だけである。しかし、これだけでは人が使う文字をコンピューターのデータにするには不十分である。そこで2つの電気信号を組み合わせると、00、01、10、11という4種類のデータを表現できる。しかし、これでも人の文字を表現することはできない。そのため8bitを組み合わせる。8bitを組み合わせると、全部で256種類のデータ表現が可能になる。これを1Byteという。結果として、これが私たちが使う文字、特に英字1文字を表現するデータ量になる。1Byteは8bitで構成される。

バス

コンピューターにおけるバスとは、データを伝達するための転送路を意味する。この通路の構成形態によって、コンピューターの種類を区分することもある。CPUと周辺機器の間で一度にやり取りできるデータ幅も意味する。8bitを基本とし、16bit、32bit、64bitへと発展してきた。

コンピューターの歴史

最初のコンピューター ENIAC

1944年、ハーバード大学教授のエイケンはIBM社の支援を受け、最初のコンピューターと呼ばれる「MARK-1」を製作した。「MARK-1」は真のコンピューターとは言えなかったが、1946年にアメリカのペンシルベニア大学でモークリーとエッカートが、弾道表、天気予報、原子力計算、宇宙線研究などに使われる軍用コンピューターを開発した。これが10進数体系を使用したENIACであった。

ENIACは真空管を使って計算できるように作られたもので、18,000本もの真空管と6,000個のスイッチを備えていた。そのためサイズが大きいだけでなく、操作も非常に困難なコンピューターだった。さらにプログラムの互換性がなかったため、プログラムを変更するたびに多数のスイッチの接続を最初からやり直さなければならなかった。

プログラム内蔵方式のEDSAC

1949年、モーリス・ウィルクスは初めてプログラムを内蔵したEDSACを完成させた。1951年には、ノイマンによって再び2進数体系を使用するEDVACというコンピューターが開発された。またIBM社は、補助記憶装置として磁気テープを使用するUNIVAC 1を開発し、アメリカの国勢調査局に設置した。

コンピューターの世代区分

世代区分	年代	中央処理装置	主記憶装置	プログラミング言語
第1世代	1946-1957	真空管	磁気ドラム	アセンブラ
第2世代	1958-1964	トランジスタ	磁気コア	FORTRAN、COBOL
第3世代	1965-1974	IC	磁気ディスク	Pascal、BASIC
第4世代	1970年代以降	LSI	半導体	現在の各種プログラム
第5世代	現在	VLSI	半導体	現在の各種プログラム

PCの構造

中央処理装置(CPU)

コンピューターの各装置を動作させ、正常な動作のために制御する制御装置を内蔵している。
各種演算データを処理する演算装置を内蔵している。
一時的なデータ保存のためのレジスタを内蔵している。
コンピューターの性能を左右し、機種を決定する要素である。

入力装置

利用者からの命令とデータを入力する装置であり、キーボードやマウスなどがこれに含まれる。

出力装置

コンピューターが処理した結果を利用者に伝える役割を担う。モニターやプリンターなどがこれに含まれる。

記憶装置

オペレーティングシステムや各種プログラムがインストールされ、利用者によって作成されるデータを保存する装置である。
ハードディスク、CD-ROM、CD-RWなどがこれに含まれる。

周辺機器

コンピューターの基本的な動作や運用には必要ないが、必要に応じて追加で設置される装置を周辺機器という。
利用者の利便性を高めることができる。
LANカード、サウンドカード、マウス、プリンター、ジョイスティックなどがこれに含まれる。

コントローラー

各装置間の円滑なデータの流れを管理し、エラーを検出する。
周辺機器の接続方式を決定する要素である。
ハードウェアとして存在する場合は「コントローラー」という用語を使う。
ソフトウェア形式で存在し、ハードウェアを動作させるためにインストールするプログラムを「ドライバー」という。

中央処理装置(CPU)

kc@example.com (kc kim) — Mon, 07 Nov 2022 10:45:00 +0900

中央処理装置(CPU)

中央処理装置(Central Processing Unit)
コンピューターの各装置を動作させ、正常な動作のために制御する制御装置を内蔵している。
各種演算データを処理する演算装置を内蔵している。
一時的なデータ保存のためのレジスタを内蔵している。
算術論理演算装置を内蔵し、演算機能を実行する。
コンピューターの性能を左右し、機種を決定する要素である。
- コンピューターの機種を決定する。
- コンピューターの性能を決定する。

実行ユニット(EU: Execution Unit)
実行ユニットは、マイクロプロセッサーの各命令を実行するユニットである。
実行ユニットは、ALU(Arithmetic Logic Unit)、制御ユニット(CU: Control Unit)、レジスタで構成される。
ALUでは、加算や比較演算などの算術演算、論理演算を実行した後、中間結果をレジスタに保存する。

命令ユニット(Instruction Unit)
命令ユニット(Instruction Unit)は、メモリから取得した命令を実行ユニットで正確に実行できるよう制御するユニットである。
このとき制御ユニットは、ALUやレジスタが正しく動作するようにする。

アドレッシングユニット(Addressing Unit)
アドレッシングユニットは、CPUがメモリや入出力装置からデータを読み書きするときに、メモリまたは入出力アドレスを生成するユニットである。

バスインターフェースユニット(Bus Interface Unit)
バスインターフェースユニットは、アドレスバス、データバス、コントロールバスを通じて、マイクロプロセッサーを外部と接続するユニットである。

キャッシュメモリ

キャッシュメモリは、CPU内部で一時的に使用するバッファ(Buffer)メモリの一種である。

Cacheメモリの理解

キャッシュとは、速度の異なる2つの装置の間に位置する一時記憶装置であり、装置間のデータアクセス速度を向上させる役割を果たす。反復的なアクセスにおいて処理速度を向上させる。

キャッシュが適用されていない場合

TEST.EXEというプログラムを実行する。
(1) 補助記憶装置(ハードディスク)から、(3) 主記憶装置へTEST.EXEというプログラムを読み込む。
プログラムを終了すると、(3)にロードされたプログラムは消える。
再び同じプログラムを実行する。
すると再び(1)から(3)へプログラムを読み込む。この場合、利用者は毎回実行するたびに、(1)からプログラムが読み込まれる時間を待たなければならない。

キャッシュが適用された場合

TEST.EXEを実行する。
(1)から(3)へプログラムを読み込むと同時に、(2)にも記録される。
プログラムを終了すると、(3)にロードされたプログラムは消える。しかし、(2)に保存されたものは消えない。
再び同じプログラムを実行する。
今回は(1)からプログラムを読み込むのではなく、(2)からプログラムを読み込む。(3)の立場では同じプログラムを読み込むことになるが、最初は速度の遅い補助記憶装置から読み込んだものである。2回目以降に繰り返し読み込む場合は、速度の速いキャッシュメモリから読み込むため、速度改善の効果がある。

クロック(動作周波数)

クロック(clock)とは、CPUの速度を表す単位である。クロックは、1秒間に波形が1回動く時間を意味し、この時間に処理するデータ量によってCPUの速度が変わる。
単位はHzで表記する。クロック値が高いほど性能が速いと言える。
ただし、性能を高めようとしてクロックだけを上げると、消費電力が大きくなり発熱も激しくなる可能性があるため、その点も考慮する必要がある。

Clock(クロック)とFSB

クロックとは、CPUおよびその他の装置を動作させるために、メインボードのクロック発生装置から作られる、一定周期で振動する電気的なリズムである。MHz(メガヘルツ)で表示する。

1Hzとは、1秒に1周期振動するクロックであり、CPUは基本的に1回のクロックで1つの命令を処理している。

CPUおよびシステムの速度を表す単位として使用される。

FSB(Front Side Bus)は、メインボードのクロック発生装置で作られ、各装置に供給されるクロックの別名であり、外部クロックとも呼ばれる。CPUおよびコンピューター内の装置は、クロック発生装置から供給されるクロック速度に従って動作する。しかしCPUは、この供給されたクロックをそのまま利用せず、「クロックダブリング」を利用して速度を何倍にも高めて使用する。

コア

コアは、中央処理装置に内蔵された処理回路の中核部分である。コンピューターがまだ多くなかった以前は、1つのCPUに1つのコアが当然であった。
しかし、2005年に2つのコアを備えたデュアルコアが登場すると、一般的なPCでもマルチコアが普及し、その後4個、6個、8個などのコアを備えた製品が登場した。

デュアルコアは、従来のシングルコアが2回に分けて処理していた作業を1回に減らすことができる。そのため、全体的な処理効率を高められるという利点がある。

仮想化対応

仮想化対応とは、簡単に言えば、オペレーティングシステムの中で別のオペレーティングシステムを起動することである。たとえば、Windowsを起動した後、その中でプログラムを実行するように、Linuxや他のオペレーティングシステムを起動できる技術を意味する。Intel CPUは「VT-x」、AMD CPUは「AMD-V」という名称で仮想化をサポートしている。サーバーでクラウド環境を構築するには、CPUが仮想化をサポートしているかを必ず確認する必要がある。

CPUの種類

データ処理容量によるCPUの種類

同時処理可能なデータの処理容量による分類。
データを伝達する通路であるバスの幅。
8bitはコンピューターが処理するデータの最小単位。
8088(8bit)、80286(16bit)、80386(32bit)、Pentium(64bit)へと発展。

ARM

AppleやSamsungなどのライセンス製品。
ARMチップはサイズが小さく、発熱も少なく、消費電力も小さい。冷却ファンも必要ない。ただし、その代わりに特化した特定用途に限定される印象があった。

主記憶装置(Memory) ROM、RAM

kc@example.com (kc kim) — Wed, 30 Nov 2022 00:21:00 +0900

主記憶装置(Memory)

ROM/ROM BIOSの概要

ROM(Read Only Memory)は読み取り専用の記憶素子であり、コンピューターではBIOSを格納する用途で使用される。
Basic Input/Output Systemは、コンピューターを運用するための基本プログラムである。
コンピューターの各装置に関する基本情報を持ち、各装置を診断する。
電源が入るとコンピューターを起動し、自分自身を診断する。BIOSは絶対に消えてはならないため、不揮発性メモリであるROMに格納される。

RAM

RAM(Random Access Memory)はRWM(Read Write Memory)とも呼ばれ、コンピューターの電源を切ると内部に保存されていた情報がすべて消えるため、揮発性(Volatile)メモリと呼ばれる。RAMはデータの読み書きが自由な記憶装置であり、揮発性を持つため、電源供給が途切れるとメモリ内のすべての内容が消去される。

DRAMのデータ保存原理
DRAM(Dynamic RAM)のデータ保存原理は、コンデンサーが電気を蓄える原理を利用する。コンピューターでデータと呼ばれるものは、実際には電気信号の流れである。コンピューターのデータは1と0で表現され、それぞれ電気が流れている状態と流れていない状態を意味する。このような電気的状態を維持できれば、それが保存である。電気を保存する媒体として最も一般的なのは、コンデンサーまたはバッテリーと呼ばれる電子部品である。
たとえば10101010というデータを保存するために8個のコンデンサーを用意し、データに応じて1は充電、0は充電しないという形で保存すれば、これは10101010というデータを保存したことになる。このようなコンデンサーの原理を利用してデータを保存する装置がDRAMである。
しかし、コンデンサー(バッテリー)に一度保存された電気は永遠ではなく、使用しなくても自然放電が起こり、その結果、一定時間が経過するとデータを失う。そのためRAMは、データが失われる前に現在の状態を維持するためのリフレッシュ(再充電)作業を行う。コンピューターの電源を切るとRAMはこのリフレッシュを行えないため、データを失う。つまり、揮発性という性質を持つのである。DRAMは原理が単純で製造しやすいため、古くからコンピューターの主記憶装置用素子として使用されてきたが、リフレッシュによる待ち時間の増加により、現在は新しい形に改良されている。

RAMの種類

区分	DRAM	SRAM
リフレッシュ	必要	不要
アクセス速度	遅い	速い
回路構造	単純	複雑
集積度	高い	低い
価格	安い	高い
用途	主メモリ用	キャッシュメモリ用
DRAMとSRAMの比較

DRAMの種類

SDRAM
SDRAMは、クロック速度がマイクロプロセッサーと同期しているDRAMを意味する。クロック速度の同期は、一定時間内にプロセッサーが実行できる命令数を増やすのに役立つ。

DDR SDRAM
DDR(Double Data Rate)メモリSDRAMは、従来のSDRAMに比べて2倍のデータをやり取りできるメモリに付けられた名称である。DDRメモリにはPC2100とPC1600の2つの規格があるが、実際にそれぞれ2100MHzと1600MHzで動作するわけではない。100MHzのメモリバスで動作するDDR SDRAMの場合はPC200程度、133MHzバスで動作する場合はPC266程度の速度を持つ。

DDR2 SDRAM
DDR SDRAMの動作速度を2倍向上させたDRAM。

Rambus DRAM
Rambus DRAMは、アメリカのRambus社が開発したデータ転送バスであるRambus Channelに接続されたDRAMである。このチャネルは9ビットのバスを利用し、250MHzのクロックに同期してデータを転送する。