情報処理基礎

コンピュータの歴史

１９５０年代、ｊ．フォン・ノイマンは計算の手順を記憶装置に記憶させ、手順を順次とりだして計算していくプログラム記憶(Stored　Program)方式を提案した。現在もこのノイマン型がコンピュータの基本となっている。

デバイスの進化

このころの論理素子は真空管であったが、その後トランジスタ、IC、LSI、超LSIと進化してきている。

マイクロコンピュータ

１９７１年インテルから４ビットマイクロプロセッサ４００４（MCS-4）が発表された。その後 ８０８０、８０８６と進化してきた。X86と呼ばれるプロセッサである。そのほかにモトローラのM6800などがあった。
年代別

１９７１年	４ビット	4004
１９７３年	８ビット	8080
１９７７年	１６ビット	8086
１９８０年代	３２ビット

コンピュータの仕組み

主記憶

アドレスを指定(入力)すると、データが出てくる構造になっている。

アドレスを与えてからデータが出てくるまでの時間をアクセスタイムという。性能を示す重要な要素である。 従来は磁気コアが使われていた。そのため主記憶のことをコアということがある。 現在は半導体が使われている。 メモリ、RAMなどの呼称がある。 RAM(Random Access Memory)とROM(Read Only Memory)の２種類がある。RAMは自由に読み書きができるメモリである。ROMは読み取り専用のメモリで、通常は不揮発性であり、電源を切っても記憶は消えない。 RAMにはSRAMとDRAMがある。

演算・制御装置

演算装置は加算器と結果がはいるアキュムレータ（レジスタ）などで構成される。 制御装置はクロックに同期して全体を制御する。次に実行する命令の番地を保持するプログラムカウンタを内蔵する。

コンピュータの動作

ノイマン型コンピュータの動作は非常に単純。 命令のフェッチと実行を繰り返すだけ。 ただし、これを高速に実行する。１秒間に１００万回以上とか。 これを見ている人はコンピュータが同時にいろいろなことをやってくれている ように見える。１種の手品のようなもので、実際はその瞬間に行っているのは１つのことだけ。

フェッチしたとき、つぎの命令をとりだせるよう記憶装置への ポインタ(Addressを持つ)が＋１(インクリメント)される。 このポインタのことを通常プログラムカウンタ(インストラクションポインタ)という。 記憶装置には命令(Instruction)が蓄えられている。これは有用な動作を コンピュータがするように人間がプログラムしたもの。

基本はノイマン型だが、性能向上のために加えられてきた点をあげる。 １．クロック周波数のUP 実行速度が生命なのだが、これはクロックに同期している。クロックが倍になれば 性能も倍になる(と一般的には言える)。クロック周波数は年々UPしている。 より高いクロックに耐えるIC（半導体回路）の開発ということもできる。 ２．パイプライン方式 プログラムを実行している間に並行してつぎの命令をフェッチ(プリフェッチ)している。これをパイプライン方式という。 ３．割り込み 緊急の事象(Event)が発生した場合には、現在実行中のプログラムを一時中断してそ の事象の処理ためのプログラムを走らせることができる。もどり番地を保持するため にスタックポインタが使われる。 ４．キャッシュ CPUと同じチップ上にRAMを持ち、ここから命令をフェッチして実行する。 このことにより、マザーボード上の外部のRAM(主記憶)よりフェッチする場合に 比べて高速に実行できる。この内部RAMのことをキャッシュという。キャッシュ には２項のパイプライン方式でプリフェッチして、主記憶のコピーが作成される。 プログラムには条件判断による分岐があるためプリフェッチしてあるプログラムの 方に実行が行かない場合がある。この場合プリフェッチした内容は破棄される。 このことをヒット率という。(プリフェッチが役立った場合) ５．仮想記憶 主記憶の大きさには限界があるため、極端に大きなプログラムは実行できない。 そこでより大きな記憶領域をもつ補助記憶(HDD)を主記憶にみたてるのが仮想記憶 。主記憶をはみ出した部分を実行するときは主記憶を補助記憶にコピーして領域 を空ける。これをスワッピングという。WindowsでもRAMが少ない場合は、この スワッピングが発生し、その結果として実行速度が低下したりするのは周知のこと。 ６．RISC Fetch、Execを繰り返すので、この部分の設計(アーキテクチャ)が性能に重要な影響 を及ぼす。命令のビット長を短くし、命令の数を減らすことにより実行速度を上げよ うとする手法。対するものにCISCがある。X86プロセッサはCISC。

入力装置

キーボード
カード読み取り装置　CR：CardReadre
光学式マーク読み取り装置　OMR
紙テープリーダ　PTR
光学文字読み取り装置　OCR：Optical Character Reader
マウス
ライトペン
ディジタイザ

出力装置

CRT
液晶ディルプレイ
プリンタ
プロッタ

補助記憶装置

もっとも使われているのが磁気ディスク(ハードディスクドライブ：HDDともいう)である。 磁気テープ装置 フロッピーディルクドライブ MO その他

デジタル信号

コンピュータが内部で使っているのはデジタル信号である。これは１か０の値をもつ２値信 号である。通常は電圧で表現し相対的に高いほう(High)を１低いほう(Low)を０としている。 電圧としては５Vが一般的だが、３．３Vなどいろいろある。

アナログ信号は自然界に一般的に存在する信号で、マイクを通してとった人の声などは アナログ信号で連続値である。

アナログ信号は信号処理の過程で劣化していってしまう。ビデオのコピーなどがその例 で画質が低下する。これに対しデジタル信号は劣化するという現象はない。CDのコピ ーなどは使用価値的には原版と同じである。従って信号を早いうちにデジタル化して あとはデジタル回路(コンピュータも含まれる)で処理しようというのが最近の傾向と なっている。デジタル化してコンピュータのソフトで処理すればアナログ処理のように いちいち回路がいらない点もコスト的に有利だ。

ビット

Bit : Binary Digit
デジタル信号の１桁（最小単位）がビットである。 ８ビットの値を通常バイトという。また、１６ビットの値を通常ワードという。

２進数

桁の重み

１０進数:Decimal
例 １９８８ : ０から９の数字で構成

桁の重みとは１，１０，１００，１０００．．．のことで１０進数では１０倍になってゆく。

２進数:Binary

例 1011B : 0と1で構成

桁の重みとは１，２，４，８，．．．のことで２進数では２倍になってゆく。

１０進数でいち、じゅう、ひゃく、せん、まんとおぼえているように２進数でも １６ビットの値くらいは暗記しておく。

値	ビット番号（桁）
１	0
２	1
４	2
８	3
１６	4
３２	5
６４	6
１２８	7
２５６	8
５１２	9
１０２４	10
２０４８	11
４０９６	12
８１９２	13
１６３８４	14
３２７６８	15
６５５３６	16

（忘れたら覚えているところから倍々してゆく）

１０進数から２進数への変換

方法１
与えられた１０進数から引ける最大の２進数の重みを求めこれで引くことを繰り返す

２５は１１００１となる。

方法２
与えられた１０進数を２で割って余り（１か０になる）を並べてゆく。 最初の余りが最下位桁(LSB)、最後の余りが最上位桁となる。

(最上位ビット：MSB (Most Significant Bit), 最下位ビット：LSB (Least Significant Bit) という。)

２進数から１０進数への変換

１の立っている桁の重みを足したもの（和）が１０進数である。

小数

１０進小数

０．１２３５

２進小数

０．１０１１

相互の変換については各自のテーマとする。
１０進小数と２進小数間では正確に変換できない場合があるので注意が必要。 組込系のソフトウエアでは小数にせず、整数で扱うようにする場合も多い。 ５．１Vは５１とし単位を０．１Vとして扱うなどして小数にならないようにする。

２進数における負の値　-符号なしと符号付の整数-

マイナスの値の表現

８ビットの数値１１１１１１１１Bについて。 符号なしなら２５５、符号付なら－１である。 符号付整数の場合MSB(最上位桁)をSignBit(符号ビット)といい、ここが１なら負の数となる。

符号付整数と１０進数の対比はつぎのようになる。

０１１１１１１１	+１２７
００００００１１	３
００００００１０	２
０００００００１	１
００００００００	０
１１１１１１１１	－１
１１１１１１１０	－２
１１１１１１０１	－３
１０００００００	－１２８

符号付８ビット整数は＋１２７から－１２８の範囲の値をとる。

２進数の四則演算と補数

加算

加算の規則はつぎの４通り。

被加数	０	０	１	１
加数	０	１	０	１
和	０	１	１	１０	Carry(桁上がり)

	１０１１	１１
＋	０１０１	５
	１００００	１６

減算

減算の規則はつぎの４通り

被減数	０	００		１	１
減数	０	０１		０	１
差	０	１１	Borrou(借り)	１	０

　

	１０１１	１１
－	０１０１	５
	０１１０	６

乗算

乗算の規則はつぎの４通り

被乗数	０	０	１	１
乗数	０	１	０	１
積	０	０	０	１

　　 　　 　 　　　　

１０１１	１１
１１０１	１３
１０１１
０００００
１０１１００
１０１１０００
１０００１１１１	１４３

除算

除算の規則は０で割る場合が除外されるのでつぎの２通り

被除数	０	１
除数	１	１
商	０	１

	１０	商：２
１０	１０１		５／２
	１０
	１	余り：１

補数

コンピュータの演算回路は加算が基本になっており、減算も補数を使って加算で処理する。

元の数　００００００１０　（１０進の２）

１の補数

各ビットを反転したもの
　　　　 １１１１１１０１

２の補数

１の補数に＋１したもの
　　　　 １１１１１１１０

これは－２となっている。
減算は２の補数を足せばよい。

１６進数

２進数で表現すると桁数が多くなってわかりにくい場合がある。２進数を４ビットづつ区切り これを１６進数として表現する方法が使われる。これには０～９の数字とA～Fの文字を使う。 対応表はつぎの通り。

２進数	１６進数	１０進数
００００	０	０
０００１	１	１
００１０	２	２
００１１	３	３
０１００	４	４
０１０１	５	５
０１１０	６	６
０１１１	７	７
１０００	８	８
１００１	９	９
１０１０	Ａ	１０
１０１１	Ｂ	１１
１１００	Ｃ	１２
１１０１	Ｄ	１３
１１１０	Ｅ	１４
１１１１	Ｆ	１５

表記方法

１０進数

そのまま。特に１０進数であることを確認したいばあいはDをつける。 Exp. 1011D

２進数

Bをつける。1011B

１６進数

Hをつける。0FAB2H
C言語では0xをつける。Exp. 0xFAB2

各プログラミング言語上では表記方法が規定されているのでそれに従う必要がある。

BCDコード

BCD : Binary Coded Decimal
１０進数の各桁を４ビットづつの２進数に置き換えて表すのが2進化１０進数である。

10進数	２進化１０進数
１３９	０００１　００１１　１００１

文字コード

８ビットの数値に文字を割り当てたものがASCIIコードである。８ビット(１バイト)で表せる 文字は２５６種類である。

ASCII CODE 表

(American Standard Code for Information Interchange)

	b3	b2	b1	b0
b7					0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
b6					0	0	0	0	1	1	1	1	0	0
b5					0	0	1	1	0	0	1	1	0	0
b4					0	1	0	1	0	1	0	1	0	1
	0	0	0	0	NUL	DE		0	@	P		p
	0	0	0	1	SH	D1	!	1	A	Q	a	q
	0	0	1	0	STX	D2	"	2	B	R	b	r
	0	0	1	1	ETX	D3	#	3	C	S	c	s
	0	1	0	0	ET	D4	$	4	D	T	d	t
	0	1	0	1	ENQ	NAK	%	5	E	U	e	u
	0	1	1	0	ACK	SN	&	6	F	V	f	v
	0	1	1	1	BL	EB	'	7	G	W	g	w
	1	0	0	0	BS	CN	(	8	H	X	h	x
	1	0	0	1	HT	EM	)	9	I	Y	i	y
	1	0	1	0	LF	SB	*	:	J	Z	j	z
	1	0	1	1	HM	EC	+	;	K	[	k	{
	1	1	0	0	FF		+		L	\	l	|
	1	1	0	1	CR				M	]	m	}
	1	1	1	0	S0		.		N	^	n
	1	1	1	1	S1		/	?	O	_	o

文字コードにはこのほかにつぎのようなものがある。 Shift Jisコード Windows JISコード EUCコード UNIX,Linux UNICODE

論理演算

論理積　AND

真理値表

A	B	OUT
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

論理和　OR

真理値表

A	B	OUT
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

否定　NOT

真理値表

A	B	OUT
0		1
1		0

排他論理和　EXOR

真理値表

A	B	OUT
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

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