コンピューターとは

1. コンピューターとは#

コンピューター（computer）とは，電子回路を用い，指示された通り自動的にデータの貯蔵・検索・加工を行う装置であり，電子計算機とも呼ばれる．計算機という言葉は，狭義では電子計算機を指すが，広義では計算を行う装置全般を指す．

コンピューターには，日常生活で使われるパーソナルコンピュータをはじめ，スーパーコンピューター，スマートフォン，タブレットなどがある．個人が利用するために設計されたコンピューターをパーソナルコンピュータ（パソコン，PC）と呼ぶ．パソコンは，デスクトップパソコンとノートパソコンに分けられる．

下の図は，日本のスーパーコンピューター「富岳」を示している．

富岳

Fig. 1.1 兵庫県神戸市に設置されている「富岳」 © Barsaka2, CC BY-SA 3.0#

1.1. ハードウェアとソフトウェア#

コンピューターは，ハードウェア（hardware）とソフトウェア（software）から構成されている．ハードウェアは，コンピューターを構成する物理的な装置であり，ソフトウェアは，コンピューターを利用するためのプログラムの総称である．

1.1.1. ハードウェア#

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．

ノイマン型アーキテクチャ

Fig. 1.2 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）が書かれた報告書「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．

1.1.2. 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，2024年10月から発売されているIntel Core UltraシリーズのCPUである．

Intel Core Ultra

Fig. 1.3 Intel Core Ultra © ZMASLO#

Note

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てみよう．

1.1.3. 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．

Main Memory

Fig. 1.4 パソコン用の主記憶装置 © Evan-Amos, CC BY-SA 3.0#

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．

1.1.4. 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，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 Ports

Fig. 1.5 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一つである．マウス，キーボードなどの接続に使われる．現在多くのスマホー，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．

1.1.5. ソフトウェア#

ソフトウェアとは，コンピューターを利用するためのプログラムの総称である．一般的に，ソフトウェアは，システムソフトウェアとアプリケーションソフトウェアに分類される．

特定の仕事をするために作成されたソフトウェアをアプリケーションソフトウェア（application software）と呼ぶ．ワードプロセッサ，表計算ソフト，電子ゲームなどがアプリケーションソフトウェアの例である．

システムソフトウェア（system software）は，コンピューターのハードウェアを制御や管理するためのソフトウェアである．また，アプリケーションソフトウェアが動作するための環境を提供する．よく知られているシステムソフトウェアとして，オペレーティングシステム（operating system, OS）がある．Microsoft Windows，macOS，Linux，Androidなどがオペレーティングシステムの例である．

ハードウェアとソフトウェア

Fig. 1.6 ハードウェアとソフトウェア#

1.2. 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

1.3. 練習問題#

1.3.1. 選択問題#

正しいものを選びなさい．

  1. 次のうち、コンピューターを構成する物理的な装置を指す用語はどれか？

    1. ハードウェア

    2. ソフトウェア

    3. アプリケーション

    4. ファームウェア

  2. 現在のほとんどのコンピューターが採用しているアーキテクチャは？

    1. ノイマン型

    2. チューリング型

    3. ハーバード型

  3. コンピューターの五大装置に含まれないものはどれか？

    1. 演算装置

    2. 制御装置

    3. 通信装置

    4. 入力装置

  4. 演算装置（ALU）の主な役割は何か？

    1. 命令の解読

    2. データの保存

    3. 算術演算・論理演算

    4. データの入力

  5. 中央処理装置（CPU）に含まれる装置はどれか？

    1. 記憶装置

    2. 演算装置と制御装置

    3. 出力装置

    4. 補助記憶装置

  6. 主記憶装置の特徴として正しいものはどれか？

    1. 電源を切るとデータが消える

    2. データを永久に保存できる

    3. USBメモリのような外部記憶装置である

    4. CPUが直接アクセスできない

  7. HDDやSSDは何に分類されるか？

    1. 主記憶装置

    2. 補助記憶装置

    3. 入力装置

    4. 出力装置

  8. USB Type-Cの特徴として正しいものはどれか？

  9. コネクタに上下の区別がない

  10. データ転送はできるが電源供給はできない

  11. 映像出力はできない

  12. すべてのパソコンに搭載されている

1.3.2. 正誤問題#

次の文が正しい場合は○、誤っている場合は×を選びなさい。

  1. CPUはコンピューターの演算処理を行うが、制御は行わない。

  2. ノイマン型コンピューターではプログラムとデータは別々に保存される。

  3. システムソフトウェアにはOSが含まれる。

  4. キーボードは出力装置の一つである。

  5. HDMIは映像を出力するためのインタフェースである。

  6. ソフトウェアには物理的な形がある。

  7. OSがないとコンピューターは動作できない。

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