１ビットの情報で扱えるものには次のようなものがある。
- 0 か 1 かの区別。
- 白か黒
- 正しいか間違い
１バイト＝＝８ビット
１バイトでは、２５６種類（28）のものが区別できる。文字を ASCII や Laten-1 で符号化した時には、１文字を表すのに１バイトで足りる。 ただし、 JIS漢字コード を使うと、１文字を表すのに２バイト必要になる。
次のような記号が使われることがある。
- b (小文字)
- bit
- B (大文字)
- Byte
情報量の単位、ビットやバイトには、次のような係数とともに使われる。
- K (キロ(kilo-)、ケイ)
- 1 K == 1000 または 1024
- M (メガ(Mega-))
- 1 M == 1000 K または 1024 K または 1,000,000 (100万)
- G (ギガ(Giga-))
- 1 G == 1000 M または 1024 M または 1,000,000,000 (10億)
- T (テラ(Tera-))
- 1 T == 1000 G または 1024 G または 1,000,000,000,000 (1兆)
■符号化
■数の符号化
■静止画像の符号化
■文字の符号化
■音の符号化
音をコンピュータで扱うには、次のような手順になる。
- 音を電気信号に変える（マイクロホン）
- 電気信号を数に変える（Ａ／Ｄコンバータ(analog-to-digital converter)）
- コンピュータで計算／通信／蓄積する
- 数を電気信号に変える（Ｄ／Ａコンバータ(digital-to-analog converter)）
- 電気信号を音に変える（スピーカ）
- 標本化(サンプリング・レート、空間量子化)。
- 電気信号を数に変える頻度。１秒辺り回数(Hz (ヘルツ))で表す。
- 量子化数(サンプリング・サイズ、時間量子化)。
- 数に変える時に何ビットで表わすか。ビットで表す。
- チャネル数(チャンネル数(channel))。
- ステレオなら２。（単位なし）
ＣＤ品質の音(Compact Disc)
- サンプリング・レート：44,100 Hz
- サンプリング・サイズ：16ビット
- チャネル数：2
CDに含まれているデータ量。
44100 [回/秒] *16 [ビット] * 2 ==1,411,200 [ビット/秒] 1,411,200 [ビット/秒] * 60 [秒/分] *70 [分/枚] == 5,927,040,000 [ビット/枚] 5,927,040,000 [ビット/枚] / 8 [ビット/バイト] == 740,880,000 [バイト/枚] 〜740 M [バイト/枚]
電話品質
- サンプリング・レート：8000Hzくらい
- サンプリング・サイズ：8ビットくらい
- チャネル数：1
8000 [回/秒] * 8 [ビット] * 1 == 64000 (64k) [bit]
1時間当たりのデータ量64k [bit/秒] * 60 [秒/分] * 60 [分/時間] == 230,400 k [ビット]== 230,400,000 [ビット]
電話も、CD より音質は悪いが長電話すると、相当なデータ量になる。「*」は、コンピュータで掛け算を表す。割り算は、「/」。
音の符号化の方法（圧縮方法）：
- PCM(Pulse Code Modulation)
- DPCM(Differential PCM)。差分を使う。
- ADPCM(Adaptive Differential PCM)。差分を特別なコードで表わす。
- 無音エンコーディング。無音部分を長さで置き換える。
- 対数を使う。（μ法則、Ａ法則）
- MP3
◆MP3
MP3が社会的に与えた影響については、後半の講義で。◆エラー訂正
CD の音質がよいことの理由のひとつ。チェックサムによる誤り検出
保存（通信）するデータに、ビット列を数の並びと思った時の合計（sum）を 付加する。合計が在っていれば、データが正しい、そうでない場合、 どこかでデータが壊れた（誤りが含まれた、エラーが生じた）とと判断する。 その場合、もう一度、正しいデータを得ることを試みる。
実際には、検出して再び試みる（再転送）ではなくて、冗長(redundant)なデー タをうまくつかって、回復させる方法がある。その１つで良く使われるのが、 CRC (Cyclic Redundancy Check) と呼ばれる方法である。
◆CD (digital)は、音がいいか
アナログのレコードより、ディジタルの CD の方が音がよいか。CD では、ディジタルで記録された情報は、ディジタルの範囲では正確に再現 できる。
音がよいかは、ディジタル以外の部分に大きく依存する。
- ミキシング
- Ａ／Ｄコンバータの性能
- Ｄ／Ａコンバータの性能
■動画像の符号化
コンピュータで動画像を扱うには、基本的には、テレビ、映画、アニメーショ ンと同じで、静止画像を次々と切り替えることをする。 次の２つの数で決まる。- 画素数。
- 階調。
- １秒当たりの画像の数（フレーム数）。
VHS ビデオ品質のデータ。
- 画素数: 235ドット×240ドット
- 階調: 16ビットくらい?
- １秒当たりのフレーム数: 30
HDTV (高精細テレビ) High Definition TeleVision
- 画素数: 720ドット×480ドット、または、1280×720ドット
- 階調: 24ビット
- １秒当たりのフレーム数: 60
１秒あたりのデータ量: 720*480*24*60 == 497,664,000 ビット。
DVD (片面２単層)には、約4.7Gバイト(37.6ビット)のデータを保存することが できる。圧縮しないで動画像だけを保存した場合、
37.6 [G bit] / 497,664,000 [ビット/秒] == 約 80 [秒]。
とにかく圧縮したい。
- MPEG-1
- MPEG-2。DVD (Digital Versatile Disc)で使われている。
- 差分をつかう。前の画像との差分だけを記録する。
- 劣化圧縮。人間の目では気が付かない部分のデータを復元できない形で 落している。
DVD は、画質がよいか。
CD (圧縮されていない)と同じように、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換の問題がある。
さらに、MPEG-2 で圧縮する時に、品質を調整できる。 品質を落とせば、長時間録音・録画できる。
平均的な DVD で想定されているデータ量
- 画像
- 3.5 M [ビット/秒] (１秒間に 3,500,000,000ビット)
- 音声
- 384 K [ビット/秒] (１秒間に 384,000ビット) × 3 言語
- 字幕
- 10 K [ビット/秒] (１秒間に 10,000ビット) × 4 言語
音質は、PCM (Linear PCM) なら、CD よりもよくできる。サンプリング・レー トやサンプリング・サイズが高くすることで。
Dolby Digital, MPEG Audio (MP3), DTS (Digian Theater Systems) では、CD よりも悪いこともある。ただし、サラウンド（チャネル数が２以上）は、DVD でないと規格がない。
■コンピュータのハードウェアの話
ハードウェアの話は、この授業では、これだけである。大事なことは、２種類のメモリが使われている所。
- CPU(Central Processing Unit)。
- メモリ(主記憶)
- 入出力装置（Ｉ／Ｏ）。コントローラと呼ばれる部品を
経由して接続されている。
- ハードディスク(２次記憶)
- キーボード
- マウス
- ディスプレー（ＣＲＴ、）
- ネットワーク
部品は、「バス」と呼ばれる配線の束で結ばれている。 部品間は、バスを通じてデータを交換する。
コンピュータの内部の部品
- 計算のための部品
- 記憶のための部品
- 通信のための部品
◆記憶のための部品：メモリ
コンピュータの中では、いろいろな種類の記憶のための部品、すなわち、メモ リが使われている。もっとも重要なものは、メインメモリ（主記憶）と呼ばれ ているもので、単にメモリといった時には、メインメモリを差す。メインメモリは、ＩＣ（Integrated Circuit、シリコンという元素による半導 体で作られた電気回路）でできている。その他に、ハードディスクやフロッピ・ ディスクも重要な記憶のための部品である。
- メモリ(RAM(Random Access Memory))
- 実行中のプログラムを保持する。加工するデータを一時的に保持する。 揮発的(電源を切ると消えてしまう)。非常に速い。容量は、ハードディスクよ りは小さい。
- ハード・ディスク (HD(Hard Disk), HDD(Hard Disk Drive))
- プログラムやデータをデータを保持する。永続的(電源を切っても 残っている)。容量は、メモリより大きい。
メモリには、数字で番地（アドレス）が付いている。番地を指定して、データ を保存する。番地を指定すると、データが取り出せる。
◆メモリの分類
記憶のための部品は、いろいろな分類方法がある。メモリの分類（その１）。
- 揮発的（volatile）。電源を切ると消えてしまう。
- 永続的（persistent,stable）。電源を切っても残っている。
- 読み込み専用。
- 読み書き可能。
- 読み書き可能。ただし、追加しかできず、１度書込んだものは 消せない。
- 逐次アクセス。先頭から順にしかデータを読み書きできない。 テープのようなもの。
- ランダムアクセス。どんな順番でもデータを読み書きできる。
- 固定されている。取り外し不可能。ハードディスク。
- 取り外し可能(removable)。 フロッピ・ディスク。光磁気ディスク（ＭＯ）。メモリ・カード。 ＭＤ。ＣＤ。ＤＶＤ。
メモリの分類（その５）。
- 細かい番地付け（バイト単位）
- 荒い番地付け（５１２バイト、１０２４バイト、８１９２バイト）
- 速い。
- 遅い。
- 値段が高い。
- 値段が安い。
- RAM (Random Access Memory)。IC。
- 揮発的。読み書き可能。ランダム・アクセス。固定。細かい番地付け。 速い。高い。
- ROM (Random Access Memory)。IC。
- 揮発的。読み込み専用。ランダム・アクセス。固定。細かい番地付け。 速い。高い。
- フロッピ・ディスク。光磁気ディスク。DVD-RAM。DVD-RW。CD-RW。
- 永続的。読み書き可能。ランダム・アクセス。取り外し可能。荒い番地付け。 遅い。安い。
- ハードディスク。
- 永続的。読み書き可能。ランダム・アクセス。固定。荒い番地付け。 遅い。安い。
- CD-ROM。
- 永続的。読み込み専用。ランダム・アクセス。取り外し可能。荒い番地付け。 遅い。安い。
- CD-R (CD Recordable)。
- 永続的。１度だけ書き込み可能。ランダム・アクセス。取り外し可能。 荒い番地付け。遅い。安い。
◆メモリの値段と速度
速度は、欲しいと思ってから手に入るまでの時間。1997/04/24 ごろの話 ---------------------------------------------------------------------- 媒体 値段 容量 1MB当りの値段 速度 ---------------------------------------------------------------------- フロッピ 40円 1.4MB 30円 光磁気ディスク 1000円 230MB 4.3円 30x10^-3 ハードディスク 4万円 2000MB 20円 10x10^-3 CPU 数万円 数100B 1億円 5x10^-9 D-RAM 1万円 16MB 625円 50x10^9 CD-ROM 数100円 640MB 1円 ---------------------------------------------------------------------- 2000/04/27 ごろの話 ---------------------------------------------------------------------- 媒体 値段 容量 1MB当りの値段 速度 ---------------------------------------------------------------------- フロッピ 40円 1.4MB 30円 - 光磁気ディスク 500円 230MB 2.3円 30x10^-3 ハードディスク 2万円 2500MB 0.8円 10x10^-3 CPU 数万円 数100B 1億円 0.5x10^-9 SD-RAM 1万円 128MB 78円 30x10^9 CD-R 150円 640MB 0.2円 DVD-RAM 3500円 5200MB 0.6円 ----------------------------------------------------------------------
◆CPU (Central Processing Unit)
CPU (Central Processing Unit、中央処理装置、中央演算装置)は、コンピュー タの計算を行う部品である。MPU (Micro Processing Unit) と言われることも ある。
CPU には、数が少ないが、計算の中間結果を置くための高速なメモリ（レジス タ）が入っている。
CPU は、メモリ（主記憶）に入っいているプログラムに従って、やはりメモリ （主記憶）に入っいているデータを操作する。CPU が実行できるプログラムは、 機械語と呼ばれる。
CPU の種類によって、プログラム(機械語)が違う。 プログラム（ソフトウェア）を買う時には、CPU の種類に気をつける。
- Pentium
- PowerPC
- SPARC
CPUが速いほど、計算は速い。CPUの速さは、クロックの周波数(単位は、Hz)を 目安にできる。たとえば、500MHz の CPU は、250MHz の CPU の２倍の速度が 出ると期待できる。ただし、CPU の種類が違うと直接的な比較はできない。
しかし、コンピュータの処理には、CPU による加工だけでなく、加工を伴わな いコピーもかなり多い。コンピュータの性能を決めるのは、CPU の計算だけで はない。特にハードディスクからメインメモリに対するコピーの速度や、ネッ トワークを経由したコピーの速度も大きな影響を与える。
メインメモリをたくさん積むと、ハードディスクからメインメモリへのコピー の回数が減らせる。前にメインメモリにコピーしたデータを、それだけたくさ ん残しておけるからである。(キャッシング)。
クロックとは、コンピュータの内部でタイミングをとるために使われている、 一定時間ごとに０と１が交代するようになっている電気信号。
◆利用者インタフェース
人間の意思を符号に変えてコンピュータ送る機器。 （コンピュータにとっては、入力装置（Ｉ／Ｏ装置（input/output）））- キーボード
- マウス
- マイクロホン＆Ａ／Ｄコンバータ
- イメージ・スキャナ
- ディジタル・カメラ
- 手書き文字認識と音声認識
- ＣＲＴ（cathode-ray tube,ブラウン管）
- 液晶ディスプレー
- ブザー
- Ｄ／Ａコンバータ＆スピーカ
- 音声合成
↑[もどる] ←[9月12日] ・[9月19日] →[9月26日]
Last updated: 2000/09/26 00:05:29
Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>
