コンピュータのハードウェアと符号

共通科目情報処理(講義)、社会学類対象、1997年04月18日

                                       電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■復習

情報扱い方の種類（広義の情報処理）

計算(computation)
通信(communication)
記憶(storage)

フィルタリング。スタートレック。

■ディジタル・コンピュータ

⇔アナログ・コンピュータ。

計算に便利。再現性。いつも同じ結果が出る。
通信に便利。正確なコピーが作れる。誤り訂正。
記憶に便利。正確なコピーが作れる。誤り訂正。CD(Compact Disc)の勝利。

コンピュータとは、ビット列を入力し、ビット列を出力する機械である。入力。出力。

図1 単純なコンピュータのモデル

ビット（bit）とは、２つの状態のどちらかを表す情報の単位です。２つの状態を、普通は、０と１で表します。

コンピュータの内部には、次のようなビットに対する演算を行う回路が含まれています。

and演算
or演算
not演算

この３つの演算さえあれば、どんな計算でも可能であることが知られています。

１ビットでは、０か１の２つのことしか区別できません。２つだけでは、文字や数を表わすのに不足するので、普通は、複数のビットをまとめて使うことになります。現在の多くのコンピュータでは、複数のビットをまとめる場合、最小の単位として８ビットを単位として１バイト（byte）よ呼んで使っています。１バイト（８ビット）では、２の８乗、つまり、２５６種類のものを区別することができます。３２ビットのコンピュータとは、一度に３２ビットずつ計算をすることができるコンピュータです。

２進数を表現するのには、０と１だけで十分です。しかし、直接２進数を書くと、長くなりすぎるので、代りに１６進数が使われます。１６進数では、０～９、Ａ～Ｆで数を表現します。次の表は、２進数で 01000000 から01010000が 16 進数では、40 から 50 に相当することを表わしています。

----------------------------------------------------------------------
２進	 １６進	１０進
----------------------------------------------------------------------
01000000 40	64
01000001 41     65
01000010 42	66
01000011 43	67
01000100 44	68
01000101 45	69
01000110 46	70
01000111 46	71
01001000 48	72
01001001 49	73
01001010 4A	74
01001011 4B	75
01001100 4C	76
01001101 4D	77
01001110 4E	78
01001111 4F	79
01010000 50	80
----------------------------------------------------------------------

算盤。１０進の算盤、各桁に珠が５個。各桁で０～９の数を表わせる。

図2 １０進算盤

２進の算盤、各桁に珠が１個しかない。各桁で０か１の数を表わせる。

図3 ２進算盤

コンピュータは、ビットパタンを入力してビットパタンを出力するもの。ビットパタンに変えられるものなら、何でもできる。でも、得意・不得意はある。得意なのは、数と文字。最近は、音。図形。静止画像。動画像も。

図4 単純なコンピュータのモデル

コンピュータの対話的な使い方。

図5 コンピュータの対話的な使い方

コンピュータの、通信機器としての使い方。

図6 コンピュータの、通信機器としての使い方

電話、Ｆａｘのかわり。

■情報量

8 bit == 1 byte
1 k == 1024
1 M == 1024 k

■構成要素

CPU(Central Processing Unit)。
メモリ(主記憶)
入出力装置（Ｉ／Ｏ）
- 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

コンピュータの内部

演算装置
通信装置
記憶装置

◆メモリ

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。

メモリの分類（その２）。

読み込み専用。
読み書き可能。

メモリの分類（その３）。

逐次アクセス。テープ（磁気テープ、８ｍｍ、紙テープ）。
ランダムアクセス。

メモリの分類（その４）。

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。フロッピ・ディスク。光磁気ディスク。メモリ・カード。ＭＤ。ＣＤ。

メモリには、番地が付いている。

メモリの分類（その５）。

細かい番地付け（ビット単位、バイト単位、ワード単位）
荒い番地付け（５１２バイト、１０２４バイト、８１９２バイト）

メモリの分類（その６）。

速い。
遅い。

メモリの分類（その７）。

値段が高い。
値段が安い。

コンピュータで使われているメモリ。

RAM (Random Access Memory)。半導体。: 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)。半導体。: 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。: 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。

◆CPU

CPU には、数が少ないが、高速なメモリ（レジスタ）が入っている。

機械語のプログラムとデータがメモリに入っている。CPUは、PC (Program Counter)が差しているメモリの内容を読みだし、それを「機械語」として解釈し、実行する。場合によっては、メモリからデータを読み出したり、メモリにデータを書き込んだりする。

命令の読み込み
命令の解読
命令の実行
データの読み込み
データの書き込み

命令の種類

計算（加算、減算、乗算、除算、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＴ）
コピー。
条件判定。繰り返し実行。

CPU の種類によって、命令の形式やレジスタの構成が違う。命令セット・アーキテクチャ。

Pentium
PowerPC
SPARC

CPUが速いほど、計算は速い。CPUの速さは、クロック数を目安にできる。しかし、コンピュータの処理のほとんどは、コピーである。計算だけでなく、コピーの速度も大事である。

◆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）

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

コンピュータの中のビットパタンを人間が理解するための道具。（コンピュータにとっては、出力装置。）

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

■符号化

「計算」からビジネス情報処理へ。チューリング・マシン、λ計算、ＩＢＭ（International Business Machines）。

◆数字の符号化

整数
- 4ビット
- 8ビット
- 16ビット
- 32ビット
- 64ビット
- 多倍長整数。CPUでは直接扱えないが、いくつかに分割して計算する。
小数（実数）
- 固定小数点(fixed point)
- 浮動小数点(floating point)。指数部と仮数部に分けて表現する。
分数(有理数)
複素数

◆文字の符号化

ASCII
Latin-1
JIS X 0208-1983符号
EUC
Microsoft 漢字コード(Shift-JIS)

ポケットベル・コード。４６４９。３３４１。

新聞１ページの情報量

80行×12文字×15段 == 14400文字
14400 [文字] × 16 [ビット/文字] == 230400 [ビット]

新聞では、普通１ページを 256k ビットとして解説する。

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Last updated: 1997/04/24 16:19:02

Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>