Transcript 第2回スライド
コンピュータの基本 情報機器工学 2015年4月13日 Ⅳ限目 コンピュータとは？ 内部に蓄積された手順に従って 計算などの処理を実行する機械 コンピュータの五大機能 コンピュータの世代 コンピュータ前史 第 1 世代 (1960) 真空管 第 2 世代 (1960 1965) トランジスタ 第 3 世代 (1965 1970) IC (集積回路) 第 3.5 世代 (1970 1980) LSI (大規模集積回路) 第 4 世代 (1980 ) 超LSI (超高密度集積回路) コンピュータに使用する計算用回路素子で分割 コンピュータ前史 1649 パスカル 歯車式加減算機 1833 バベジ 解析機関 パンチカードを読み取る入力装置 演算結果を印刷する出力装置 演算装置、記憶装置を持ち、 現在のコンピュータの基本を備える コンピュータに使用する計算用回路素子で分割 第1世代 1946 モークリー、エッカート ENIAC 弾道計算用 真空管 18,800本 床面積畳60畳、重量30ｔ、 1ｋWストーブ150台の消費電力 真空管のフィラメントは切れると交換する必要 平均寿命2000時間、2万本の使用のため、 1/10時間(6分)で真空管が故障 → 工夫で週に真空管2,3本 第1世代 1946 モークリー、エッカート ENIAC プログラムの変更： 真空管や回路の配線を つなぎかえる必要。 真空管のフィラメントは切れると交換する必要 平均寿命2000時間、2万本の使用のため、 1/10時間(6分)で真空管が故障 → 工夫で週に真空管2,3本 第2世代 1958 IBM、米軍 IBM-7070、7090 真空管より小型の トランジスタを利用した回路 第2世代 1958 IBM、米軍 IBM-7070、7090 真空管より小型の トランジスタを利用した回路 第3世代 1964 IBM System/360 トランジスタを多数チップに収めた IC(集積回路)を用いた世代 第3世代 1964 IBM System/360 トランジスタを多数チップに収めた IC(集積回路)を用いた世代 第4世代～現在 1970 IBM 370 IC(集積回路)をさらに高集積化した LSIを(Very Large Scale Integration)用いた世代 コンピュータの五大機能 コンピュータには五つの機能で成り立つ …ことが多い。 必ずしもと言うわけではないが、 ノイマン型コンピュータの大半にはこれらがある。 それではその五つの機能とは？ コンピュータの五大機能 コンピュータの種類 デスクトップ型 主に机の上に備え置いて使用する用途で 作られ，移動して使うことを前提とはしてい ないパーソナルコンピュータのことである． ノートブック型 モニタなどの表示画面，キーボードなどの 入力装置，バッテリーなどがコンピュータ本 体と一体化された，ユーザーが任意の場所 へ移動させて利用する（持ち運ぶ）ことを前 提として設計された，軽量のパーソナルコン ピュータの総称である． コンピュータの種類 パームトップ型 手のひらにのるサイズのコンピュータ． PDA (Personal Digital Assistant)とも呼ば れる．住所録，スケジュール表，電子メール などに用いられる．電子手帳に似ているが、 ソフトウェアのインストールによって，機能の 拡張が可能． その他のコンピュータ 定義はあいまい。 ワークステーション： 通常のPCよりも高機能。言った者勝ち。 シンクライアント： サーバにデータ格納や処理を任せる。 表示、入力の機能に絞った低機能、低価格のコンピュータ。 役割による名称。 マイクロコンピュータ： 小さなコンピュータ。通称マイコン。 １つのチップの中にコンピュータの機能が含まれている。 見た目は他のICとそんなに変わらない。 その他のコンピュータ スーパーコンピュータ： 科学技術計算など大規模な計算を超高速に行うことが可能な コンピュータ。通称スパコン。 気象予測、遺伝子解析など最先端の科学に利用。 非常に高価になりがちで、コレを用いた公的事業が非効率と みなされ事業仕分け対象。 復活してよかった。 汎用コンピュータ： メインフレームとも呼ばれる。企業・組織が用いる汎用プログラ ムを利用するためのコンピュータ。１部屋がコレの場合もある。 デスクトップ型PCの構成要素 計算機の構造（デスクトップ型） ＣＰＵ（中央処理装置） 主に演算装置と制御装置の機能をまとめたハード ウェアで，CPUの能力によって，コンピュータシステ ム全体の性能が大きく左右される． IntelCore2DuoE6600 Athlon 64 X2 E6 3800+ CPUとは CPU：Central Processing Unit 中央処理装置や 中央演算処理装置 と呼ばれる Intel Core2 Duo E6600 CPUとは CPU：Central Processing Unit 制御装置 演算装置 レジスタ インターフェース (記憶装置・入出力) などで構成 Intel Core2 Duo E6600 コンピュータの五大機能 ①制御機能 プログラムの命令を解読し、他の各装置に指示を出す機能． 制御機能は、全て装置を統括する ＣＰＵ マザーボード 制御機能について CPU (Central processing unit)が担当。 プロセッサ自体、その他に対し… ・動作タイミング ・動作内容 の指示を担当 作業者に指示を与える管理者の役割 ②演算機能 解読されたプログラムの命令に従って，データを処理する機能 演算機能について CPU (Central processing unit)が担当。 ・算術演算 ・論理演算 の実行を担当 実際に仕事をする作業者の役割 CPUとは CPU：Central Processing Unit 中央処理装置や 中央演算処理装置 と呼ばれる CPUとは(概要) 記憶装置にあるプログラムを順次読み込む プログラムの内容を解釈、実行 バスと呼ばれる回路を通じて、入出力装置、 記憶装置へデータ通信 CPUの構造 クロック同期型のCPUが一般的 規則正しい命令タイミング：クロック信号 クロック信号が早いほど、高性能 …と言われる CPUの動作 フェッチ、デコード、実行の3ステップで動作 フェッチ：メモリ内に蓄積されたプログラムの 呼び出し デコード：CPUにとって意味のある形式に分割 実行：指定された操作を実行 ムーアの法則 最も有名な公式：集積回路上のトランジスタ数 は「18ヶ月ごとに倍になる」 式での表現：n年後の倍率 p は、 p = 2n / 1.5 5年後：10.08倍 20年後：10 321.3倍 ムーアの法則 ビット幅 マイコンやPC用のCPUが演算回路、データバス、 一度に処理できるデータで扱えるビット数 →ビット幅、データバス幅 マイコンでは演算回路内のバス幅で 定義されることが多い ビット幅 マイコンやPC用のCPUが演算回路、データバス、 一度に処理できるデータで扱えるビット数 →ビット幅、データバス幅 CPUでは一度に処理できる データのサイズで定義 → 8ビットCPU といった呼称 バス（BUS) CPUへデータを渡したり，CPUで処理したデータや 制御信号を他の装置へ伝達したりするデータ転送路 バス（BUS) 内部バス CPU内部でデータや制御信号をやりとりする伝送路． パラレル(8，16，32, 64ビット)に処理を行う． 外部バス CPUと周辺回路との間でデータや制御信号をやりとり する伝送路．メモリなどを制御． 拡張バス CPUと周辺機器との間でデータや制御信号をやりとり する伝送路．ハードディスクやグラフィックカード等を制御 拡張バスの種類 種類 ISA PCI AGP PCI Express バス幅 16 32，64 32 32, 64 転送速度 8Mbps 備考 PC/AT互換機の標準バス， 現行製品には不採用 132～ 現行PCの標準バス 533Mbps 266～ 2128Mbps グラフィック専用バス。PCIで は対応できなくなったため 5Gbps PCIバスをさらに高速化させ た規格。最近の主流 コンピュータの五大機能 ③記憶機能 プログラムやデータ，処理結果などを記憶として保存する 機能 主記憶装置：プログラムやデータを 一時的に保存する装置 メモリ 補助憶装置：プログラムやデータを保存する装置 ハードディスク フロッピーディスク CD-ROM/DVD ハードディスク データを磁気的に（カセットテープのように）記録 不揮発性（電源を切っても消えない） SSD (Solid State Drive) 記憶媒体としてフラッシュメモリを使用 ハードディスクドライブ(HDD)と同じ接続インタフェース (ATAなど)を備え、ハードディスクの代替として利用可能。 計算機の構造（デスクトップ型） CD／DVD装置 ＣＤ－ＲＯＭドライブは、レーザ光をディスクの記憶面に当て、 反射してくる光の強弱でデータを読みとっている USBフラッシュメモリ 「USBマスストレージ」という仕様に対応し，パソコン に接続すると，自動的に外部記憶装置として認識され る その他のメモリ 様々な規格が乱立 CF （コンパクトフラッシュ） ハードディスク （マイクロドライブ） その他のメモリ デジタルカメラ用フラッシュメモリ SDカード miniSDカード ｘD-Picture SDカード（松下など）・・・デジカメ，カーナビ，音楽プレイヤーなど miniSDカード（松下など）・・・携帯電話など xD-Pictureカード（オリンパス，富士写真フイルムなど）・・・デジカメ 記憶機能について１ 各種メモリが担当 処理手順記載のプログラム 処理前後のデータ 一時的、恒久的に記憶(保存)する 事務作業をするときの机やノートの役割 記憶機能について2 記憶装置には大きく2種類 主記憶装置 補助記憶装置 主記憶装置：CPUチップ内やDRAM,SRAM (机やその上のノートに相当) 補助記憶装置：ハードディスクやDVD、USBメモリなど (引き出し、キャビネット、倉庫に相当) 記憶装置の階層構造 一次(主)記憶装置 CPUが直接アクセス可能な 記憶装置。 キャッシュメモリや メインメモリが該当。 記憶装置の階層構造 一次(主)記憶装置 机やノートに該当。 キャッシュメモリ：数kB～8MB メインメモリ：数百kB～数GB 記憶装置の階層構造 二次(補助)記憶装置 必要な情報を一次記憶装置に 伝送。 大きな容量 頻繁にアクセスしないデータ 等を保存。 記憶装置の階層構造 二次(補助)記憶装置 HDD、CD、DVD、BR、 フラッシュメモリ、フロッピー 磁気テープ、紙テープ、パンチ カード などなどが該当 ハードディスク データを磁気的に（カセットテープのように）記録 不揮発性（電源を切っても消えない） その他のメモリ デジタルカメラ用フラッシュメモリ SDカード miniSDカード ｘD-Picture SDカード（松下など）・・・デジカメ，カーナビ，音楽プレイヤーなど miniSDカード（松下など）・・・携帯電話など xD-Pictureカード（オリンパス，富士写真フイルムなど）・・・デジカメ 記憶装置の階層構造 三次記憶装置 ロボット機構等を使用。 滅多に使わないデータ保存 企業等にて大規模な ストレージシステムを準備 倉庫に該当 記憶装置の階層構造 三次記憶装置 ロボット機構等を使用。 滅多に使わないデータ保存 アクセス時間：数十秒単位 記憶装置の階層構造 三次記憶装置 ロボット機構等を使用。 滅多に使わない、 大量のデータ保存 アクセス時間：数十秒単位 ③記憶機能 プログラムやデータ，処理結果などを記憶として保存する 機能 主記憶装置：プログラムやデータを 一時的に保存する装置 メモリ 補助憶装置：プログラムやデータを保存する装置 ハードディスク フロッピーディスク CD-ROM/DVD 記憶装置の特性 揮発性メモリと不揮発性メモリ 不揮発性： 電力供給がなくなっても、保存され続ける (一般的に低速) 揮発性： 電力供給がなくなると、保存内容が消える。 (高速) 記憶装置の特性 書き換え可能？ 読み書き可能(リードライト) 情報をいつでも上書きできる。 例：RAM (Random Access Memory) 一次記憶装置に使用。 読み取り専用(リードオンリー) 例：CD-ROM、DVD-ROM 記憶装置の特性 書き換え可能？ 一度だけ書き込み可能(ライトワンス) 三次記憶装置やオフラインストレージに使用 例：CD-R、DVD-Rなど リライタブル 読み出しは自由。上書きは自由にできない。 例：CD-RW、DVD-RWなど 記憶装置の性能 記憶容量 デバイスまたは媒体が記憶できる全容量。 大きいほど、記憶できるデータも大きいが… 記憶密度 情報をどれだけコンパクトに記憶できるか。 単位長さ、面積、体積辺りの記憶容量。 記憶装置の性能 レイテンシ ストレージの特定位置にアクセスするまでの時 間。 一次：ナノ秒、二次：ミリ秒、三次：秒単位程度 スループット 単位時間当たりの読み書きの速度。 メガバイト毎秒などの単位を使用。 主記憶装置（メモリ） 書き込みの可否 書き込み可能：RAM (Random Access Memory) 読み出しのみ：ROM (Read Only Memory) 電源OFF時の振る舞い 揮発性：電源 OFF で忘れてしまう パソコンに搭載されている RAM は揮発性 不揮発性：データは消えない ROM は不揮発性． 電源を入れた直後の動作を決める パソコンには少しだけしか搭載されていない 組み込み機器のプログラムは全て ROM に格納されている 主記憶装置（メモリ） 最近は「書き込み可能・不揮発」なメモリが増加 フラッシュメモリ（デジタルカメラの記憶媒体）など 読み書きが遅く，また書き込みに多くの電力が必要 RAM SRAM ・リフレッシュ不要 ・アクセスは高速で消費電力が少ないが，高価，回路が複雑 ・キャッシュメモリに使われる． DRAM ・リフレッシュと呼ばれる再度読み込みが必要 ・アクセスは低速で消費電力も大きいが，安価，回路が単純 ・メモリに使われる． -キャッシュメモリ・1次キャッシュ(L1)と2次キャッシュ(L2)がある ・CPUの演算に使用（L1） ・CPUとメモリ間のデータ転送速度を改善して処理速度を上げ るために実装(L2) 補助記憶装置 ハードディスク デスクトップPC用 ノートPC用 不揮発性メモリ USBメモリ SDカード CD-R : CD-Recordable （１度だけ書き込み可） CD-RW CD-ReWritable （何度でも書き換え可） DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R,-RW, DVD+R,+RW ， Blue-ray Disk (BD) 提出レポートについて A4 3-5枚 程度 10.5-12pt 程度 提出レポートについて タイトル ソフトウェア名 ダウンロードURL、紹介URL 何をするものか どのように使うか 使用する上でのポイント