51  コンピューター・アーキテクチャ

現在のほとんどのコンピューターは，ノイマン型（von Neumann architecture）と呼ばれるアーキテクチャに基づいて設計されている．ノイマン型コンピューターは，演算装置，制御装置，記憶装置，入力装置，出力装置から構成される．これらの装置は，日本ではコンピューターの5大装置とも呼ばれる．次の図では，ノイマン型を示している．

ノイマン型

ノイマン型では，プログラムをハードウェアから独立して，データと同様に扱う．このような考え方をプログラム内蔵方式（stored-program computer）と呼ぶ．

数学者ジョン・フォン・ノイマン（John von Neumann）が書いた報告書「First Draft of a Report on the EDVAC」（1945年）で最初にこのアーキテクチャを公開した．

51.1 演算装置と制御装置

演算装置は，算術論理演算装置（arithmetic/logic unit, ALU）とも呼ばれ，算術演算や論理演算を行う装置である．制御装置（control unit, CU）は，プログラムの命令を解読して他の装置を制御する．演算装置と制御装置を統合したものを中央処理装置（central processing unit, CPU）と呼ぶ．CPUは，コンピューターの中心的な役割を果たし，コンピューターの頭脳とも呼ばれる．以下の図は，Intel CoreのCPUを示している．

An Intel Core i9-14900KF
ノート命令サイクル

CPUが命令を実行するサイクルを命令サイクル（instruction cycle, fetch-execute cycle）と呼ぶ．

CPUがこのサイクルを繰り返すことで，プログラムが実行される．命令サイクルは，次の3つのステップからなる．

  1. フェッチ（Fetch）：次の命令を取得する．
  2. デコード（Decode）：命令を解読する．
  3. 実行（Execute）：命令を実行する．

Sometimes I think the only universal in the computing field is the fetch-execute cycle.

– Epigrams on Programming, Alan J. Perlis

練習問題： 命令サイクルにおいて，演算装置と制御装置はそれぞれどのような役割を果たすかを考えよ．

現在のCPUは，演算装置，制御装置，レジスタ（register）と呼ばれる高速な記憶装置を持つ．レジスタは，CPU内部でデータを一時的に保存するための記憶装置である．レジスタは，CPUが直接アクセスできるため，主記憶装置よりも高速にデータを読み書きできる．CPUは，バス（bus）と呼ばれる回線を通じて，記憶装置とデータをやり取りする．

CPUと主記憶装置

51.2 記憶装置

記憶装置は，データやプログラムを保存するための装置である．現在のほとんどのコンピューターには，主記憶装置と補助記憶装置がある．

主記憶装置（main memory）は，CPUが直接アクセスできる記憶装置である．主記憶装置はデータやプログラムを一時的に保存する．電源を切るとデータが消える揮発性（volatile）を持つ．

補助記憶装置（secondary storage）は，データやプログラムを永続的に保存するための装置である．電源を切ってもデータが消えない不揮発性（non-volatile）を持つ．補助記憶装置は，HDD（Hard Disk Drive），SSD（Solid State Drive），USBメモリ，SDカードなどがある．

51.3 入力装置と出力装置

入力装置（input unit）は，コンピューターにデータやプログラムを入力するための装置である．キーボード，マウス，タッチパッドなどがある．

出力装置（output unit）は，コンピューターからデータ処理の結果を出力するための装置である．ディスプレイ，プリンター，スピーカーなどがある．

コンピューターの入力装置と出力装置を合わせて入出力装置（I/O device）と呼ぶ．インターフェース（interface）は，コンピューター本体と周辺機器との間でデータをやり取りするための方式である．コンピューター本体に周辺装置との入出力のため設けられた接続端子をポート（port）と呼ぶ．次の図は，ThinkPad L13 Gen 4 AMDのポートを示している．

ThinkPad L13 Gen 4 AMD © Lenovo
  1. HDMI
  2. USB 3.2 Gen1
  3. USB 3.2 Gen1 Type-C
  4. セキュリティスロット
  5. SIMカードスロット
  6. USB 3.2 Gen2 Type-C
  7. USB 3.2 Gen1
  8. マイクロホン/ヘッドホン・コンボ・ジャック
  9. スマートカードスロット

HDMIは，ディスプレイとパソコン，ゲーム機などを接続するためのインターフェースである．

USBは，パソコンと周辺機器を接続するための汎用インターフェース仕様の1つである．マウス，キーボードなどの接続に使われる．現在多くのスマホ，ゲーム機，パソコンに搭載されているのがUSB Type-Cである．USB Type-Cの特徴は，コネクタ部分に上下の区別がないことである．さらに，USB Type-Cは，電源供給やデータ転送，映像出力などが可能である．

51.4 用語

略称 意味 日本語訳
CPU Central Processing Unit 中央処理装置
ALU Arithmetic/Logic Unit 演算論理装置
CU Control Unit 制御装置
OS Operating System オペレーティングシステム
PC Personal Computer パーソナルコンピューター

51.5 練習問題

  • google classroom