ITの基礎的知識

ハードウェア

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ハードウェア
  1. コンピュータの基本構成と機能
  2. コンピュータの種類
  3. データの表現方法
  4. アドレスの表現とアドレスの指定
  5. 磁気テープ装置と磁気ディスク装置
 ハードウェア体系
     |
     |--中央処理装置(CPU)
     |    |
     |    |--制御装置
     |    |
     |    |--演算装置
     |
     |--記憶装置
     |    |
     |    |--主記憶装置
     |    |
     |    |--補助記憶装置
     |          |
     |          |--磁気テープ装置
     |          |
     |          |--磁気ディスク装置
     |          |
     |          |--フロッピーディスク装置
     |          |
     |          |-- ・・・・・
     |
     |--入力装置
     |    |
     |    |--OCR
     |    |
     |    |--スキャナ
     |    |
     |    |--マウス
     |    |
     |    |--キーボード
     |    |
     |    |-- ・・・・・
     |
     |--出力装置
          |
          |--ディスプレイ装置
          |
          |--プリンタ
          |
          |--プロッタ
          |
          |-- ・・・・・


1.コンピュータの基本構成と機能

コンピュータは5大機能と呼ばれている制御演算記憶入力出力の機能をそれぞれもつ5大装置から構成されている。

入力装置

中央処理装置

制御装置

演算装置

出力装置

↓   ↑

主記憶装置

↓   ↑

補助記憶装置

  • 中央処理装置(CPU)

    (1) 制御装置

        中央処理装置(CPU)は制御装置と演算装置から構成されている。

    (2) プログラムの制御・実行

        コンピュータが実行できるプログラムは、機械語のプログラムであり、
       0と1で表現されています。
        命令語は、四則演算など処理内容を指示するオペレータ部(演算)と、
       処理対象データ、演算結果、次の命令語の位置を示すアドレス部(被操作部)
       とからなる。

    (3) 演算装置

        演算装置は、算術演算、論理演算、大小比較、桁移動(シフト)などの処理を
       実行する。

    (4) 論理回路

        真と偽あるいは1と0のように、2つの状態のうちどちらか一方の状態をとるものが
       あるとき、それがとっている状態を論理値と呼んでいる。
       そして、入力された1つ以上の論理値に対して演算を行い、論理値を求めることを
       論理演算という。

        ①AND回路 : 論理積を求める回路である。
                   0:0=0、0:1=0、1:0=0、1:1=1
        ②OR回路  : 論理和を求める回路である。
                   0:0=0、0:1=1、1:0=1、1:1=1
        ③NOT回路 : 否定の演算を行う回路である。
                   0:1=1、1:0=0
        ④NAND回路: 否定論理積を求める回路である。
                   0:0=1、0:1=1、1:0=1、1:1=0
        ⑤NOR回路 : 否定論理和を求める回路である。
                   0:0=1、0:1=0、1:0=0、1:1=0
        ⑥XOR回路 : 排他的論理和を求める回路である。
                   0:0=0、0:1=1、1:0=1、1:1=0

    (5) 組み合わせ回路

        現在の入力状態だけから出力の値が決定される回路のことをいう。
       (演算器、デコーダ、加算器、エンコーダ(符号器))

    (6) 順序回路

        過去の回路への入力状態の変化が出力の値を決める回路である。
       (フリップフロップ回路、カウンタ)

    (7) 論理回路素子

        ・第一世代・・・・・真空管

        ・第二世代・・・・・トランジスタ(集積していない状態)

        ・第三世代・・・・・集積回路(IC:SSI、MSI、LSI)

        ・第四世代・・・・・VLSI(超LSI)

    (8) レジスタ

        置数器ともいい、中央処理装置内で1語あるいは数語の情報を記憶する装置
       である。
       (汎用レジスタ、指標レジスタ、命令レジスタ、命令アドレスレジスタ)

  • 主記憶装置

    (1)
    プログラムやデータなどを記憶するための領域である。
        記憶できるひとかたまりごとにアドレスがつけられる。アドレスを指定することで
       データを記憶したり、データを取り出したりすることができる。
       アドレスがバイト単位につけられたコンピュータをバイトマシン、ワード単位に
       つけられたコンピュータをワードマシンと呼んでいる。

  • 記憶装置の種類

    (1) RAM
        プログラムやデータの読み出しや書き込みを行うことができる記憶装置である。
       揮発性の記憶装置であり、電源を切ると記憶内容が失われる性格をもっている。

        ・ダイナミックRAM(DRAM)
          コンデンサに電荷が蓄えられることを利用した記憶装置であり、
         短時間でデータの記憶内容が消失するので、適当な時間間隔でデータの
         書き直しを行うリフレッシュの必要がある。

        ・スタティックRAM(ARAM)
          2つのトランジスタによるフリップフロップ回路を多数組み込んだ記憶装置で
         あり、リフレッシュが不要である。

    (2) ROM
        読み出し専用の記憶装置である。
       あらかじめプログラムやデータを記憶させた記憶装置であり、電源を切っても
       その記憶内容は保持されるという性格をもっている。
       
        ・マスクROM
          製造時にその記憶内容がセットされるROMである。

        ・PROM
          ROM書き込み器で記憶内容の変更が可能なROMである。
         一度書き込んだ内容は修正できないものと、書き直しの可能なEPROMがある。

  • 補助記憶装置

    (1)
    外部記憶装置ともいい、主記憶装置を補助するために、プログラムやデータを
      記憶しておく装置である。

  • 記憶階層と仮想記憶

    (1) 記憶階層

        コンピュータでは、それぞれの記憶装置の特徴を生かして、システム全体として
       の効率を上げるために、記憶装置を階層的に構成している。

        ・レジスタ記憶
          処理中のデータの一時記憶場所として用いられるレジスタによる記憶である。

        ・バッファ記憶
          主記憶装置と入出力装置との間のように、データの流れの速度の違いの調整
         なおどに用いる記憶装置である。

          ①キャッシュメモリは、主記憶装置と制御装置との間のデータの流れの差を
           埋めるために用いられる記憶装置で、制御装置なみの高速なアクセスが
           可能である。

          ②スプールは、プリンタなどの周辺装置と、中央処理装置の間の処理速度の
           違いを調整するために用いられる記憶領域で、補助記憶装置を緩衝記憶
           として用いられるものである。

    (2) 仮想記憶

        コンピュータの主記憶装置には一定の記憶容量しかないため、大きなプログラム
       や大量のデータを記憶するには限界がある。そこで、主記憶装置の記憶容量
       よりも大きなプログラムでも実行可能なように仮想記憶方式が考案された。

        ・ページング方式
          補助記憶装置上の仮想記憶アドレス空間と、主記憶装置上の実記憶
         アドレス空間を、ページと呼ばれる固定長ブロックに分割して取り扱う。
         仮想記憶アドレスと実記憶アドレスとの間でアドレス変換を行って処理している。

        ・ロールアウト
          実記憶装置の記憶内容を補助記憶装置上に記憶させることをいう。

        ・ロールイン
          補助記憶装置の記憶内容を主記憶装置に読み込むことをいう。

  • 入力装置

     プログラムやデータなどを外部から与えるために用いられる装置である。

      入力装置
        |
        |--カード読取装置
        |
        |--紙テープ読取装置
        |
        |--OMR(光学式マーク読取装置)
        |
        |--OCR(光学式文字読取装置)
        |
        |--MICR(磁気インク文字読取装置)
        |
        |--バーコードリーダ
        |
        |--デジタイザ
        |
        |--イメージスキャナ
        |
        |--音声認識装置
        |
        |--マウス
        |
        |--キーボード
        |
        |-- ・・・・

    (1) カード読取装置

        カードリーダともいい、カードせん孔機によってせん孔されたカード上のデータを
       読み取り、コンピュータに入力するための装置である。

    (2) 紙テープ読取装置

        紙テープリーダともいい、紙テープせん孔機によって紙テープを読み取り、
       データをコンピュータへ入力するための装置である。

    (3) OMR

        光学式マーク読取装置のことで、マークシートと呼ばれる用紙上の欄に、
       鉛筆などによってつけられたマークの有無を光学的に読み取るためのものである。

    (4) OCR

        光学式文字読取装置のことで、OCRシート上に記入された文字を光学的に
       読み取るための装置である。

    (5) MICR

        磁気インク文字読取装置のことで、磁気を帯びた物質を含むインクで印字した
       文字や記号を磁気ヘッドを使って読み取る装置である。

    (6) バーコードリーダ

        バーコード読取装置ともいい、バーコードで表示されたデータを、スキャナなど
       によって光学的に走査(スキャン)して、データを電気信号に変換して入力する
       装置である。

    (7) デジタイザ

        図形情報をコンピュータに入力するための装置である。

    (8) イメージスキャナ

        画像や図形などの情報を光学的にスキャンするための装置である。

    (9) 音声認識装置

        人間の音声により、マイクを通して直接コンピュータにデータを入力するための
       装置である。

    (10) マウス

        机などの面の上を移動させて操作する位置入力装置である。

    (11) キーボード

        英数字、記号などを表すキー(押しボタン)によって構成されている。キータッチ
       (キーを押すこと)によって、コンピュータに直接データを入力することができる。

  • 出力装置

     主記憶装置からデータを受け取り、帳票や画面など人が利用しやすい形態で表示した
    ものである。

      出力装置
        |
        |--ディスプレイ装置
        |
        |--プリンタ---インパクトプリンタ----ラインプリンタ
        |       |             |
        |       |             |--シリアルプリンタ
        |       |
        |       |--ノンインパクトプリンタ---インクジェット
        |                       |
        |                       |--感熱
        |                       |
        |                       |--レーザプリンタ
        |
        |--プロッタ--- X-Yプロッタ

                |
                |--静電プロッタ
        

    (1) ディスプレイ装置

        コンピュータで処理した文字や図形をCRT液晶画面上などに表示するための
       装置である。
       文字だけを表示できる文字表示装置(キャラクタディスプレイ)と、図形も表示
       できる図形表示装置(グラフィックディスプレイ)とがある。

    (2) プリンタ

        印字装置ともいい、コンピュータの処理結果を用紙上に印字する装置である。
       (インパクト方式:(ライン、シリアル)、インクジェット方式、感熱方式、レーザー)

    (3) プロッタ

        作図装置ともいい、コンピュータ上に描かれた図形を描くX-Yプロッタと、ペン
       を使用せずに静電写真方式で描画する静電プロッタとがある。


2.コンピュータの種類

  • スーパーコンピュータ(スパコン)

     複雑な数値計算などを高速で行い、しかも大量のデータを処理できるように開発
    されたコンピュータである。

  • 汎用コンピュータ(ホスト)

     大型コンピュータ、ホストコンピュータ、メインフレームなどともいい、広い範囲の問題
    が処理できるように設計されているコンピュータのことをいう。

  • オフィスコンピュータ(オフコン)

     オフィス内などに設置され、比較的小規模のデータ処理を行う中型のコンピュータ
    である。

  • ミニコンピュータ(ミニコン)

     汎用コンピュータの中心機能を抜き出して、小型化、低価格化した中小型の
    コンピュータのことをいう。

  • ワークステーション(サーバー)

     CRTディスプレイ装置にキーボードを取り付けた装置で、一般にそれ自体でデータ
    処理が可能なインテリジェント機能をもったコンピュータのことをいう。

  • パーソナルコンピュータ(パソコン)

     低価格で高性能な小型のコンピュータである。机上に置く形式のもをディスクトップ型、
    ひざの上に乗せられる程度のものをラップトップ型、持ち運べるA4サイズのものを
    ノートブック型などと呼んでいる。


3.データの表現方法

  • データの表現単位


    (1) ビット

        コンピュータ内部では、データを0と1の組み合わせで表現する。
       この情報を表現するための最小単位のことをビットという。ビットは、0と1の値、
       つまり2進数の1桁を意味する。2進数は2を基数にした数値の表現方法である。

    (2) バイト

        バイトは、文字や数字の1桁を連続した1組のビットで表現したものである。
       バイトは一般に8ビットで構成され、1バイトは2の8乗(256)通りの情報の表現が
       可能である。

    (3) ワード

        ワード(語)とは、2バイト、4バイトなど、1単位として取り扱われる一連のビット
       またはバイトの集まりのことをいう。どのような長さを1語とするかは、コンピュータ
       によって計算や記憶の単位として決められる。

  • データの表現形式

     コンピュータにおいて取り扱われるデータは、数値データと文字データに大別される。

      データ
        |
        |--数値データ---2進数 ----固定小数点数
        |         |        |

        |         |       
    |--浮動小数点数
        |         |
        |         |--10進数---ゾーン10進数
        |                 | (アンパック形式)
        |                 |
        |                 |--パック10進数
        |
        |--文字データ


    (1) 固定小数点数

        固定小数点数は、小数点の位置を固定してデータを表現したものである。

    (2) 浮動小数点数

        浮動小数点数は、M×Bの形で表現される形式である。このとき、
       Mを仮数、Bを基数、Eを指数という。

    (3) ゾーン10進数

        ゾーン10進数は、1バイトを4ビットずつ区切って、上位4ビットをゾーンビット、
       下位4ビットを数字データ部として、10進数を表現する。

    (4) パック10進数

        パック10進数は、1バイトの4ビットごとに1つの数字を表現し、1バイトに
       2数字を格納して表現したものである。

    (5) 文字データ

        文字データは、コンピュータ内部で、一般に1バイト(8ビット)によって表現される。

        ①EBCDIC(エビシディック)
          EBCDICコードは、拡張2進化10進コードのことで、IBM社の汎用コンピュータ
         IBM360シリーズで採用された文字コードである。
         8ビットの組み合わせで256(2)種類の文字を表すことができる。

        ②ASCII
          ASCIIコードは、米国標準情報交換用コードのことである。
         ISO(国際標準化機構)によって制定された。パーソナルコンピュータの
         コード体系として広く採用されている。


4.アドレスの表現とアドレスの指定

  • アドレスの指定

      コンピュータの命令は、オペレータ部とアドレス部とからなる。この命令をどこの
     アドレスに作用(オペレート)させるか決定することをアドレス指定という。

    (1) 直接アドレス指定

        直接アドレス指定は、命令のアドレス部で直接データの記憶場所を指定する
       方式である。

    (2) 間接アドレス指定

        間接アドレス指定は、命令のアドレス部で、データの記憶場所を示すアドレスが
       入っているアドレスを指定する方式である。

    (3) 指標アドレス指定

        指標アドレス指定は、命令のアドレス部の指標レジスタ番号の値と、定数の値
       とを加えてオペレートの対象となるアドレスを求める方式である。
       このような機能のことを、アドレス修飾、指標レジスタ修飾、インデックス修飾と
       呼んでいる。

    (4) 即値アドレス指定

        即値アドレス指定は、命令のアドレス部の内容が、処理の対象となるデータの値
       そのもの(オペランド)となっている指定方式である。


5.磁気テープ装置と磁気ディスク装置

  • 磁気テープ装置

     磁気テープは、プラスチックをベースとしたテープに磁性材料を塗布したものである。
    磁気テープ上でのデータの記憶可能な範囲を示すものとして、始端を示すBOT
    (Beginning Of
    Tape)と、終端を示すEOT(End Of
    Tape)がある。
     この磁気テープとの間のデータの読み書きは、磁気テープ装置が行う。
    磁気テープは、供給リールから巻き取りリールに巻き取られ、その途中の磁気ヘッド
    によって読み取られる。
     磁気ヘッドが読み取る媒体上の記録帯の単位をトラックという。そして、1つのトラック
    の単位長に何ビットのデータが記録できるかを記録密度という。
     また、データの読み書きを行う際には、テープを起動してから速度が一定になるまで
    待つ必要がある。このとき、テープ上の何も書き込まれていない部分をIBG
    (Inter Block
    Gap)という。このIBGに要する部分を少なくするために、複数のレコード
    をひとまとめにして磁気テープに書き込むブロック化が行われる。1ブロック当たりの
    レコード数をブロック化係数という。なお、IBGでブロック化係数が1の場合は、
    1ブロック1レコードとなるため、特にIRG(Inter
    Record Gap)と呼ぶことがある。

    そして、ブロック化係数が1の場合を非ブロック化レコードという。

  • 磁気ディスク装置

     磁気ディスクは固定ディスクともいい(パソコンではハードディスクと呼ばれている)、
    金属性の円盤(ディスク)の表裏に磁性体を塗布したものである。回転盤上のどの位置
    にでも直接データを読み書きすることができる。
     磁気ディスクは、磁気ディスク装置によって読み書きされる。磁気ディスクは、高速で
    回転し続け、各ディスク面上のトラックに、アクセスアームに付けられている磁気ヘッド
    によってデータが読み書きされる。
     磁気ディスク装置上では、複数の磁気ディスクを重ねてある。アクセスアームの位置を
    変えずにデータを取り出すことができるトラックの集まりをシリンダという。アクセスアーム
    は、高速で水平に移動することができるので、どこに記憶されているデータも瞬時に取り
    出すランダムアクセスが可能である。なお、アクセスアームを動かして指定されたシリンダ
    に磁気ディスクを位置づけることをシークと呼んでいる。

  • フロッピーディスク

     フロッピーディスクは、フレキシブルディスクともいい、デスク(円盤)に磁性体を塗った
    ものを四角のジャケットに封入した磁気ディスクの一種である。
     フロッピーディスクのサイズには、8インチ、5.25インチ、3.5インチなどがある。
    主として、入出力媒体として使用されたり、補助記憶媒体として使用される。
    特にパーソナルコンピュータで広く用いられている。
     フロッピーディスクを、ジャケットのままフロッピーディスクドライブに装着すると、磁気
    ヘッドがアクセスホールからディスク面に接触してデータが読み書きされる。
     なお、フロッピーディスクの種類としては、両面倍密度倍トラックの2DDと、
    両面高密度倍トラックの2HDなどがある。

  • アクセス方式

     補助記憶装置へデータを書き込んだり、補助記憶装置のデータを読み込んだりする
    方式をアクセス方式と呼ぶ。
     シーケンシャルアクセスは、あらかじめ定められた順番に処理していく方式で、
    磁気テープとのデータのやりとりに多く用いられる。また、ランダムアクセスは、
    補助記憶媒体上の特定の部分に記憶されている内容に対して直接読み書きを行う
    方式であり、磁気ディスクやフロッピーディスクとのデータのやりとりに多く用いられている。

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