Transcript 第４章
第４章 コンピュータのハードウェア コンピュータは機械である．この機械は高速計算と大容 量記憶という２つの特徴をもつ．この章では，コンピュータ のハードウェアを解剖することによって，コンピュータがな ぜ高速計算・大容量記憶できるかを理解する． コンピュータ ＝ ハードウェア システム ＋ ソフトウェア 1 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●ハードウェアは五大装置から構成 （１）中央処理装置（CPU）：コンピュータの「脳」にあたり，デー タを計算・処理したり，コンピュータを制御したりするものであ る．プロセッサ（processor）ともいう． （２）主記憶装置（メインメモリ：main memory）：プログラムと データを一時的に記憶する装置である．半導体素子のメモリ （ROMとRAM）が主体である． （３）入力装置：データ，プログラム，命令を入力する．キー ボード，マウスなどは代表的な装置である． （４）出力装置：処理結果を出力する．プリンタ，ディスプレイ などは代表的な装置である． （５）補助記憶措置：プログラム，データなどを保存する装置で ある．ハードディスク，フロッピーディスク，CD-ROMなどが挙 げられる． 2 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 本体 ●パソコンの構成 パソコンは一般に本体，キー ボード，ディスプレイなどの３つの 部分から構成される． CPU位置 メモリ位置 本体にはマザーボードと呼 ばれるプリント基板がある． そこに中央処理装置（CPU）と 主記憶措置（メモリ）が装着さ れている． 3 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 4.1 中央処理装置 中央処理装置はCPUとも呼ばれ， コンピュータの心臓部である．その 性能がコンピュータの性能を決める． CPUは，制御装置と演算 CPUは，制御装置 装置から構成， 装置から構成される．各 装置 か ら 構成 ， 主 記憶 構成部分の機能は以下 装置とデータのやりとり の通りである． をする． 4 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPU構成の説明 ●プログラムカウンタ 命令が主記憶装置に順次に保存され るため，次に実行される命令のアドレスを示す． ●命令レジスタ 主記憶装置から命令がここに読み出される． ●命令デコーダ（DEC） 命令レジスタの命令コードを解読して， 操作指示の信号を送り出す装置である． ●算術論理演算器（ALU） 算術演算と論理演算を行う． ●汎用レジスタ 演算データまたは演算結果を一時的に置く 場所である．アキュムレータともいう． ●アドレスレジスタ 演算データのアドレスを示す場所である． 5 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの基本動作 CPUに与える機械語の命令は，あらかじめ主記憶装置 （メモリ）に保存さている．１つの機械語の命令に対して，次 の４つのステップで実行される． STEP 1：命令の読み出し プログラムカウンタに命令が保 存されているメモリのアドレスが示されているので，機械 語の命令を命令レジスタに読み出す． STEP 2：命令の解読 命令レジスタで命令部の内容がデ コーダにより解読され，算術論理演算器に命令の演算内 容を伝える．演算の対象データがある場合，そのデータを 算術論理演算器に，または算術論理演算器を通してレジ スタに読み出す． 6 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの基本動作 STEP 3：演算の実行 算術論理演算器で読み出したデー タとレジスタのデータが演算され，その結果をレジスタに 保存する． STEP 4：命令のアドレス更新 １つの命令が実行終了後， プログラムカウンタを次の命令のアドレスを更新する． 7 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 例えば，機械命令01111110 （LD A, (HL)）は図4.4に示した順序で実 行される．前の命令でレジスタHLに8009が転送してあるとする．① プ ログラムカウンタにより，命令が命令レジスタに転送される．② 命令 が解読され，演算命令（load）をALUに送り，データのアドレス（8009） をアドレスレジスタに送る．③ 演算に必要なデータ（0A）を読み出す． ④ ALUは演算を行い，その結果を汎用レジスタに書き込む． 8 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの性能評価 ●CPUの処理速度 ●CPUのビット数 ●アドレス能力 ●キャッシュメモリ ① クロック周波数（動作クロックともいう）： この数が大きくなればなるほど，多量で高速なデータ処理が 可能ということになる．例えば，クロック周波数が800MHz な ら毎秒8億回の基本動作が正確にコントロールされている．ク ロック周波数とは，CPUが仕事を処理するテンポのことである． 3.2GHzのCPUの場合，もし１つの命令が2クロックで実行完成 できるとしたら，一秒間に16億個の命令が実行される．した がって，ロック周波数はあくまでもCPUが処理速度の尺度で ある． 9 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの性能評価 ●CPUの処理速度 ●CPUのビット数 ●アドレス能力 ●キャッシュメモリ ② MIPS（Million Instructions Per Second）は，１秒間に何 百万の命令を実行できるかを測ることにより，CPUの処理速 度を評価できる．例えば，100MIPSのCPUといえば，１秒間に １億個の命令が実行できる． ③ FLOPS（Floating-point Operations Per Second）は，１秒 間に浮動小数点形式で表した数の加算を何回実行できるか という尺度で，CPUの速度を評価する．例えば，1GFLOPSの CPUは，１秒間に10億回の浮動小数点で表した数の加算が できる． 10 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの性能評価 ●CPUの処理速度 ●CPUのビット数 ●アドレス能力 ●キャッシュメモリ CPUのビット数とは，CPU内部のレジスタで処理できる データのビット数（桁数）のことである．１回あたりに処理でき るデータ量をこれで表す．ビット数が大きくなるほど，一気に 処理できるデータの量が多くなる． CPUの進化の過程で，8ビット，16ビット，32ビットと変わっ ている．現在，32ビットのCPUが主流で，64ビットのCPUも高 機能コンピュータに使われ始めている． 11 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの性能評価 ●CPUの処理速度 ●CPUのビット数 ●アドレス能力 ●キャッシュメモリ アドレス能力とは，CPUが管理できるメモリの容量のことで ある．CPUの性能の良し悪しが決まる．CPUはメモリにふら れたアドレスをより多く管理できるほうが，大量のメモリを管 理できるということになり，性能が高くなる． メモリをどこまで増やせるか，CPUによって異なるが，新し いコンピュータに，増設メモリの容量が大きくなっている． 12 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CPUの性能評価 ●CPUの処理速度 ●CPUのビット数 ●アドレス能力 ●キャッシュメモリ キャッシュ（cache）とは，作業領域のようなもので，この容 量が多ければ多いほど，CPUと主記憶装置のやりとりが速 くなる． キャッシュメモリはCPUと主記憶装置の間にある「高速なメ モリ」のことで，この容量が多いほどCPUが高性能である． 13 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 4.2 主記憶装置 主記憶装置は，データやプログラムを記憶する装置であり， メインメモリとも，また単にメモリともいう． CPUの動作は非常に速いので，主記憶装置はCPUと直接 データのやりとりができる． 主記憶装置は，半導体素子（順序回路）を利用して電気的 に記憶を行うため，CPUと同程度の高速動作ができる． しかし，主記憶装置の記憶性能は電気的にできているた め，電源を切ると記憶内容が全部失われてしまう． 14 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●主記憶装置の役割 プログラムが実行されるとき，そのプログラム及び処理され るデータが主記憶装置に読み出されて，CPUと直接的にやり とりしながら実行される． 主記憶装置の容量が大きいほど，いろいろな機能のプログ ラムを同時に主記憶装置に読み出して蓄えることができるの で，コンピュータの処理速度が速くなる． 主記憶装置の性能はコンピュータにとって非常に重要である． 15 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●主記憶装置の分類 主記憶装置は半導体素子から作られ，大きく分けて ■RAM（Random Access Memory） ■ROM（Read Only Memory） になる． RAMは読み書き可能なメモリで，電源を切ったら記憶内容 が全部消えてしまう．この特性を揮発性という． ROMは読み出し専用メモリで，電源を切っても記憶内容が 消えない． 16 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア DRAMは主記憶装置として使用する．回路構成が簡単で，集 積密度が高いが，一定の時間が経つと，記憶されているデータ が失ってしまう特性があるため，数ミリ秒ごとにリフレッシュ（再 書き込み）する必要がある． レジスタとして使うメモリはSRAMである．リフレッシュする必要 がない．DRAMと比べて，データのやりとりが速い． 17 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●アクセス時間 アクセス時間は記憶装置性能の１つである．アクセス時間 とは，CPUからのデータ転送要求があってから，そのデータ をCPUまで転送完了するまでの所要時間のことである． 18 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 4.3 補助記憶装置 ●主記憶装置は電気的に記録を行うので，揮発性があり， 容量も制限されている．そのため，長期的にデータやプログ ラムを保存するには補助記憶装置が利用される． ●補助記憶装置には，ハードディスク，フロッピーディスク， MO，CD-Rと磁気テープなどがある．一般に記憶容量が大 きい．電源を切っても記録内容が消えない．動作が遅く，中 央処理装置（CPU）と直接読み書きすることができない． 19 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●ハードディスク 補助記憶装置の代表的なものがハード ディスク（HD：hard disk）である． ハードディスクに金属製（アルミなど）の 円盤（ディスク）が重ねられ，モーターで高 速に回転することができる．円盤の両面に 厚さ約十nm（ナノメートル：10-9 ）の磁性金 属層が作られ，さらにその上に保護膜が つけられる．したがって，円盤は磁性を帯 びたものとなる． 20 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●ハードディスクの原理 磁気記録ヘッドがアームで取り付けら れ，円盤の上に浮かんでいる（隙間はわ ずか1000分の1mm）．回転数が上がる につれヘッドと円盤の間に空気が入り込 み，ヘッドが浮き上がる．書き込み信号 の電流がヘッドに流れると，ヘッド近傍 の円盤の磁性膜が磁化され，データが 記録される．逆に，ヘッドに通る円盤の 磁気が拾い上げられ，電気信号となる． この電気信号を利用して記録したデータ が再生される． 21 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●CD-R，CD-RWとDVD CD（Compact Disc or Disk）は樹脂製の円盤にレーザーなど で小さい凹凸を刻んで，または，キズを焼付けて，データを記 録するメディアである． CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）は，記録済みの CDでレーザーを使ってデータを取り出す専用光ディスクである． CD-R（CD-Recordable）やCD-RW（CD-ReWritable）は，データ を書き込む方法が違うため，CD-Rは1回だけ書き込み可能， CD-RWは1000回以上書き換え可能である． DVD（ Digital Versatile Disc またはDigital Video Disc ）は映 画，音楽などの多用途向けの大容量光ディスクである．DVDに は，DVD-ROM，DVD-R，DVD-RWなどの規格がある． 22 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア CDやDVDなどの原理は，記録されたデータを読み取るには， レーザー光をCDに当て，その反射光を読み取る．反射の度合 いは凸凹（キズ）の有無によって変わってくるので，反射してき た光を読み取ることで，CDのデータを読み取れる．例えば， ●キズがある場合，反射光がすくないので，０と読み取る． ●キズがない場合，全反射ので，1と読み取る． 23 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 4.3 入力装置と出力装置 入力装置はコンピュータにプログラムやデータなどを入力す るための装置である．入力装置を用いて，コンピュータにユー ザが伝えたい情報などを伝える．キーボード，マウスなどが入 力装置である． 出力装置は，主記憶装置に格納されているデータをコン ピュータの外部環境に出力する装置である．ディスプレイやプ リンタなどが出力装置である． 24 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●キーボート キーを指でたたいて文字を入力するコンピュータの最も基本 的な入力装置である． キーボードに，キーの数により101タイプ，106タイプ，109タイ プ及び112タイプなどがある．キーボードには，ホームポジショ ンがあり，すなわち，人差し指を置く位置のことである．触って 分かるように Fキー と Jキー の上に小さな出っ張りがある． 25 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●マウス マウスは，コンピュータの重要な入力装置の1つである． コンピュータの画面上で位置の指定を行うポインティングデ バイスである．画面上では，マウスの移動量と方向に応じ てマウスポインタと呼ばれる目印が移動する．マウスポイン タを操作したいアイコンに合わせ，マウスについているボタ ンを押して（クリック），コンピュータに指示を与える． マウスには，ボール式と光学式がある．また，赤外線を使 うワイヤレスマウスなどもある． 26 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●スキャナ スキャナは，絵や写真などを光学的にデジタル画像デー タに変換して，コンピュータに読み取る入力装置である．読 み込みの精度をdpi（dot per inch）を用いて表す．すなわち， １インチあたりのドット数で表し，ドット数が大きいほど画像 をきれいに取れる． 27 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●ディスプレイ ディスプレイは出力装置で，文字や図形を画面に表示する． ディスプレイには，ブラウン管（CRT）と液晶の２種類がある． 液晶ディスプレイは薄型で，STNとTFTの２つの代表的な方 式がある．TFTはSTNと比較して高価だが，カラー表示が鮮 明で，高性能である． 28 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア ●プリンタ プリンタには，インパクト型とノンインパクト型の２種類がある． ■インパクト型のプリンタとは，活字などをインクリボンの上か ら打ち付けて紙に印刷する方式のプリンタのことである．カーボ ン紙をはさむなどして複写式の伝票を印刷するには，インパクト 型プリンタが必要になる． ■ノンインパクト型のプリンタは，インパクト型プリンタ以外のプ リンタ（インクジェットプリンタとレーザプリンタなど）を指す．１イン チあたりのドット数（dpi）を用いてプリンタの解像度を表す．ドット 数が多ければ多いほど，きれいに印刷できる．印刷速度はPPM （page per minutes）で評価する．すなわち，１分間に何ページ印 刷できるかで，プリンタを評価する． 29 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 第４章のまとめ １．コンピュータのハードウェアは五大装置からなる． ２．中央処理装置 ●CPUの構成及び各部分の機能 ●機械語とアセンブリ言語 ●CPUの基本動作過程 ●CPUの評価：クロック周波数，MIPS，FLOPS，ビット数 ３．主記憶装置 ● RAMとROMの特徴 ● RAMとROMの分類 ●各記憶装置のアクセス時間 30 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア 第４章のまとめ 完 ４．補助記憶装置 ●ハードディスク ●CD-RとCD-WR ５．入力装置と出力装置 ●キーボードとマウス ●ディスプレイとプリンタ 31 コンピュータとネットワーク概論 第４章 コンピュータのハードウェア