コンピュータ アーカイブ - Archive of Yone Sun, 27 Dec 2020 14:58:15 +0000 ja hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.5.3 https://elite-lane.com/wp-content/uploads/2018/07/cropped-greenapple-logo2-1-32x32.jpg コンピュータ アーカイブ - Archive of Yone 32 32 【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置 https://elite-lane.com/computer/ https://elite-lane.com/computer/#respond Sat, 18 May 2019 15:54:49 +0000 https://elite-lane.com/?p=3549 【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置 現代の生活の中で、欠かす事が出来ないコンピュータ。 皆さんも スマート・フォン ノート型・パソコン（パーソナルコンピュータ） ラップトップ型・パソコン（パーソナルコンピュータ […]

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]]> 【図解】コンピュータの仕組み・構成と五大装置

現代の生活の中で、欠かす事が出来ないコンピュータ。

皆さんも

  • スマート・フォン
  • ノート型・パソコン（パーソナルコンピュータ）
  • ラップトップ型・パソコン（パーソナルコンピュータ）

という形でコンピュータを使われていると思います。

この記事では、そのコンピュータの仕組み構成を

  • ハードウェアの面（五大装置）
  • ソフトウェアの面

それぞれに分けて説明していきます。

コンピュータのハードウェア

コンピュータのハードウェア

コンピュータを構成するハードウェアは五大装置から構成されています。

ハードウェア（Hard ware）・・・

  • コンピュータを構成する機器の総称
  • プログラム（命令・データの集まり）等のソフトウェアと対になる概念
  • ソフトウェアであるプログラムの命令を順番に取り出し実行する役割

ハードウェアの五大装置は

  • 入力装置
  • 記憶装置
  • 演算装置
  • 制御装置
  • 出力装置

になります。

五大装置

入力装置

入力装置は、ユーザからの入力を受け付ける装置です。

  • キーボード
  • マウス

が入力装置にあたります。

入力装置

記憶装置

記憶装置は、

  • キーボード
  • マウス

から入力されたデータを記憶する装置です。

メモリ（主記憶装置）や

  • HDD（Hard Disk Drive）
  • SSD（Solid State Drive）

の補助記憶装置が記憶装置にあたります。

記憶装置

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演算装置

コンピュータの心臓部を構成するのは、中央処理装置（CPU：Central Processing Unit）です。

演算装置

演算装置は、半導体素子を高密度に集めた集積回路の組み合わせです。

集積回路とは

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演算装置は、記憶装置に保存されたデータを演算する装置です。

CPU内部に演算装置が含まれています。

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2019.04.14

制御装置

制御装置は、ハードウェアの各装置を制御する装置です。

CPU内部に制御装置が含まれています。

制御装置

出力装置

出力装置は、演算された結果のデータをユーザに対して出力する装置です。

  • ディスプレイ
  • プリンタ 等々

が出力装置にあたります。

出力装置

コンピュータのソフトウェア

コンピュータのソフトウェア

ソフトウェアとは、ハードウェアを働かすためのプログラムの総称です。

プログラムとは

  • データ
  • 命令

の集合体です。

プログラムは，CPUが

  1. 解釈
  2. 処理

します。

プログラム

パーソナル・コンピュータの場合，プログラムの種類は役割に応じて

  • BIOS
  • OS
  • アプリケーション 等々

に分類することが出来ます。

ソフトウェア面からのコンピュータ

ソフトウェア

BIOS

BIOS（バイオス）・・・Basic Input Output System（基本入出力システム）の略で、パーソナル・コンピュータに接続されたハードウェアを制御するためのソフトウェアです。

BIOSは，

  • ROM（Read Only Memory）に記録
  • 予めパーソナル・コンピュータの内部に装備

されたプログラムです。

ROM（Read Only Memory）・・・

  • 読み取り専用
  • 媒体製造時にデータを記憶
  • 不揮発性（電気供給を断ってもデータが失われない）

という特養を持っています。

パーソナル・コンピュータの

  • 電源投入直後
  • リセット直後

には，BIOSのプログラムが最初に実行されます。

CPUは，最初に特定のアドレスに記録されたプログラムを実行するようになっており，そのアドレスにBIOSが配置されています。

BIOSとデバイスドライバの違いは、

デバイスドライバ・・・コンピュータ本体と周辺装置である

  • キーボード
  • ディスプレイ
  • コンピュータ・マウス
  • プリンタ 等々

を動かし、制御するソフトウェアであり、BIOS・デバイスドライバ両方共、ハードウェアを制御するためのプログラムです。

両者の決定的な違いは、プログラムの始動タイミングです。

BIOSデバイスドライバ
プログラム始動タイミング電源投入直後OS起動後
特徴基本的な製品に対してのソフトウェア製品やOSの種類に合わせたソフトウェア

OS

OS・・・Operating System（基本ソフトウエア）の略で、OSには

  • Windows
  • MacOS
  • Unix（Linux，FreeBSD，Solaris 等々）

があります。

OSの管理対象リソースは

  1. ファイルシステム・・・記憶装置に記録されているデータ管理
  2. ネットワーク・・・コンピュータに内蔵されているネットワークカードに、IPアドレス等を割り当て
  3. セキュリティ・・・コンピュータ上で実行されているプログラム宛に送られてきたリクエストを
    • 受けるか
    • 無視すべきか

    を判断し必要な処理を行う

  4. グラフィカルユーザインタフェース（GUI）・・・出力装置の仕様を判断し、内蔵されているグラフィックカードのためのドライバを使用して、GUI>環境を表示させます
グラフィカルユーザインタフェース（GUI : Graphical User Interface)・・・コンピューターの操作の対象が絵で表現されるユーザーインターフェース

OSの主な役割は

  • プロセス管理
  • 記憶管理
  • 入出力装置管理
  • ファイル管理
  • APIの提供

があります。

OSの役割

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アプリケーション

アプリケーション（応用ソフトウェア）とは、OS上で動作するプログラムの事です。

アプリケーション

アプリケーションを作成するプログラマは、アプリケーションからハードウェアを用いる場合，直接ハードウェアを制御する必要は無く、OSのデバイス・ドライバを通してハードウェアを利用出来ます。

以上、コンピュータの

  • ハードウェアの面（五大装置）
  • ソフトウェアの面

それぞれ仕組み・構成についての説明になります。

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]]> 記憶装置とは？記憶装置の種類を分かりやすく説明

コンピュータは複雑な処理を出来るデジタル装置に見えますが、コンピュータ内部の動作自体は単純作業の繰り返しです。

  1. 保存してあるプログラム内の命令・データをメモリからCPUに読込
  2. CPUがプログラム内の命令・データを処理・実行
  3. CPUが書き出したデータをメモリに保存

となります。

コンピュータ内部の動作

CPUが書き出したデータをメモリに保存するのは一時的で、

  • 電源の有無
  • 補助的記憶装置の種類 等々

条件によってコンピュータ内部のデータ保存場所（記憶装置）は変わります。

一つのコンピュータ内部には複数の記憶装置が存在します。

何故、コンピュータ内部には複数の記憶装置が存在するのでしょうか。

理想は一種類の小型で最高速の記憶装置で構成される事が望ましいですが、

  • コンピュータ内部の物理的な実装の制約
  • レイテンシ
  • スループット
  • インタフェースの限界 等々

の事情により、

  • 小容量・高速の記憶装置
  • 大容量・低速の記憶装置

を組み合わせて、コンピュータ内部の記憶装置を構成していく必要があります。

記憶階層

レイテンシ（latency）とは日本語で、

  • 隠れていること
  • 潜伏

という意味です。

コンピュータ界では、デバイスに対してデータ転送等を要求、その結果が返送されるまでの不顕性の高い遅延時間のことです。

レイテンシは、

  • レジスタ・キャッシュメモリ・メモリ（主記憶装置）の場合・・・ナノ秒単位
  • HDD・SSD（補助記憶装置）の場合・・・ミリ秒単位

読み取りと書き込みでレイテンシが異なる場合もあります。

スループット（Throughput）とは日本語で、

  • （一定期間内に処理される）原料の量
  • 情報量

という意味があります。

特にコンピュータ界では、単位時間当たりの処理能力（読み書き）のことを指します。

通常はメガバイト毎秒（MB/sec）等の単位を使います。

レイテンシと同様、読み取りと書き込みで異なる場合もあります。

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この記事では、記憶装置の

  • 特性
  • 技術
  • 構成

についてそれぞれ説明していきます。

記憶装置の特性

記憶装置の特性

記憶装置の特性として

  • 揮発性と不揮発性
  • 動的と静的
  • 書き換え可能か否か
  • アクセス方法

があります。

揮発性と不揮発性


揮発性記憶装置不揮発性記憶装置
電力の有無情報を保持するには電力供給が必要電力供給無しでも格納した情報を保持
記憶装置・キャッシュメモリ
・メモリ（主記憶装置）		HDD・SSD 等々（補助記憶装置）
特徴 ・キャッシュメモリ
・メモリ（主記憶装置）
には高速性が求められる揮発性が適当		長期間の記憶に適当

記憶装置が揮発性と不揮発性

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動的と静的

動的（ダイナミック（Dynamic））静的（スタティック（Static））
記憶方式コンデンサの充電状態を使用論理回路で構成されデータ
リフレッシュ動作（再書き込み）コンデンサの自然放電によるデータ消失を防ぐために定期的に必要必要なし
bitあたりのコストSRAMに比べて回路が単純で低コストトランジスタ数やその配線がDRAMと比べ複雑で高コスト
記憶装置DRAMSRAM

記憶装置が動的と静的

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書き換え可能か否か

特性読み書き可能読み取り専用
RAM
（Random Access Memory）		ROM
（Read Only Memory）
特徴情報をいつでも上書き可能媒体製造時に情報を記憶
記憶装置・DRAM
・SRAM		・CD-ROM
特性一度だけ書き込み可能リライタブル
WORM
（Write Once Read Many）		ReWritable
特徴製造後に一度だけ書き込むことが可能読み出しは自由、上書きは自由に出来ない
記憶装置・PROM
（Programmable ROM）
・CD-R
（Compact Disc-Recordable）		・EPROM
（Erasable Programmable ROM）
・フラッシュメモリ
・CD-RW
（Compact Disc-ReWritable）

記憶装置が書き換え可能か否か

アクセス方法

ランダム・アクセスシーケンシャル・アクセス
Random・access
Random・・・無作為な、手当たり次第な		Sequential・access
Sequential・・・連続的な、順序通りな
特徴任意の位置へのアクセスを一定の時間で実行決められた先頭位置からしかアクセス出来ない
記憶装置・キャッシュメモリ
・メモリ（主記憶装置）		磁気テープ

記憶装置のアクセス方法

記憶装置の技術

記憶装置の技術

記憶装置で応用されている技術には

  • 半導体
  • 磁気
  • 光学
  • 紙

があります。

半導体

半導体記憶装置は、半導体による集積回路【IC】に情報を格納します。

半導体記憶装置は

  • トランジスタ
  • コンデンサ 等々

で構成されており、

  • 揮発性記憶装置・・・DRAMが多用
  • 不揮発性記憶装置・・・フラッシュメモリのシェアが続伸

があります。

半導体記憶装置

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磁気

磁気記憶装置は、

  • ディスクやテープの表面に塗布された磁性体の磁化パターンを変化させることで情報を記憶
  • 不揮発性
  • 情報へのアクセスに1つまたは複数の読み書き用ヘッドを使用

という特徴を持っており、

  • ディスクドライブ・・・
    • フロッピーディスク
    • ハードディスクドライブ（HDD）
  • 磁気テープ装置

があります。

磁気記憶装置

光学

光学記憶装置は、

  • 円板表面の性質を変化させることで情報を格納
  • 半導体レーザーを表面に当てて反射光を測定することで情報を読み取る
  • 不揮発性

という特徴を持っており、

  • 読み取り専用媒体
  • ライトワンス媒体
  • リライタブル媒体

があります。

読み取り専用媒体ライトワンス媒体リライタブル媒体
表面の変化が永久的なもの一度だけ変化させられるもの何度も書き換え可能なもの
ROM（Read Only Memory）WORM（Write Once Read Many）ReWritable
・CD-ROM
・DVD-ROM
・BD-ROM		・CD-R
・DVD-R
・BD-R		・CD-RW
・DVD-RW
・BD-RE

紙

紙記憶装置は、

  • 情報は紙に穴を開けることで記録
  • 機械的または光学的に穴の位置を知ることで情報を読み取る

紙による記憶媒体としては、

  • 紙テープ
  • パンチカード

があります。

パンチカード

記憶装置の構成

記憶装置の構成

2013年ミドルシーズン Mac Book Air 11インチ モデルのハードウェアを見てみましょう。

  • CPU・・・ダブルコア・周波数 1.3 GHzのCore i5
  • 2次キャッシュメモリ・・・512 KB
  • 3次キャッシュメモリ・・・3 MB
  • メモリ（主記憶装置）・・・4 GB
  • SSD（補助記憶装置）・・・128 GB

キャッシュメモリ

メモリ（主記憶装置）

記憶装置

CPU内部の演算情報を格納する「レジスタ」という記憶装置があります。

レジスタ

一つのレジスタに格納できる情報のサイズはCPUの種類によって異なります。

大きなビット(Bit)数のレジスタを持つCPUほど，同時に演算できる情報のサイズが大きくなり，プログラムの実行速度が速くなります。

レジスタ

上記に「大きなビット（Bit）数のレジスタを持つCPUほど，同時に演算できる情報のサイズが大きくなり，プログラムの実行速度が速くなります。」と書きましたが、実際はCPUの中のレジスタのビット数によって、扱えるメモリ（主記憶装置）の空間の大きさには限界があります。

CPU 32 bit・・・ 2 ^ 32 = 4,294,967,296（4G（ギガ）Byte）

-> 32 Bit・アドレスのCPUが扱えるメモリ（主記憶装置）空間の大きさは、4G Byte

4G Byteを超えるメモリ（主記憶装置）を32ビット・CPUが搭載しても、4G Byteを超える部分は直接的には扱えません。

CPU 64 bit・・・2 ^ 64 = 1.8446744e+19（16E（エキサ）Byte）

-> 64 Bit・アドレスのCPUが扱えるメモリ（主記憶装置）空間の大きさは、16 E Byte

現在の、64 Bit・アドレスのCPUは、CPU内部でアドレスの幅を40 bitに狭めることによってメモリ（主記憶装置）空間を1T Byteに縮小しています。

CPU 40 bit = 2 ^ 40 = 1.0995116e+12（1T（テラ）Byte）

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以上、記憶装置の

  • 特性
  • 技術
  • 構成

についての説明になります。

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