計算機基礎

計算機基礎
根来�均�
（第 10, 11 週）
ハードウェア
（補助記憶装置）�
授業の目的�
各種、補助記憶装置の働きと構造を理解し、
用途に応じて適当な製品が選べるようになる。�
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授業の目的�
各種、補助記憶装置の働きと構造を理解し、
用途に応じて適当な製品が選べるようになる。�
補助記憶装置と外部インターフェイス�
CPU Core/Chip
L1 Cache
CPU
Video Chip
HD, CD/DVD
Drive
USB
FireWire
Ethernet
L2 Cache
Chip Set
Main Memory
(North Bridge, Memory Controller Hub)
Chip Set
(South Bridge, I/O Controller Hub)
PCI
PCI
slot
Bus
SCSI
board
HD
Mouse, Keyboard, Floppy
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補助記憶装置�
n 
n 
電源を落として消えない、大量のプログラムやデータ
を保存する装置
磁気的に記憶
n 
n 
n 
光特性を用いた記憶 (CDなど)
n 
n 
磁性体に磁気的な変化を与えて書き込み、読み込み（HD、
FD、テープなど）
レーザ光線と磁気を併用して書き込み、読み込み（MO ディ
スクなど）
基盤上の孔（凸凹）や物質の反射率の違いにより記憶
電気的に記憶（フラッシュメモリなど）
n 
不揮発性半導体を用いて記憶�
計算機に内蔵しない HD を除いて、
他は「リムーバブルディスク」などと呼ばれる�
磁気による記憶�
n 
原理
n 
n 
書き込み：（電流）磁場による磁性化（磁化）
読み込み：磁場の向きの違いを以下の原理で（電流の変化と
して）検出
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n 
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特徴
n 
n 
n 
物性物理学�
（コイルを通過する磁場の変化による）電磁誘導
（磁場により抵抗値が変化する）磁気抵抗 (MR) 効果
電磁気学�
物性物理学: 07 年ノーベル物理学賞�
（高密度化による）大容量化が可能（→ ハードディスク、
テープ）
比較的長い保存期間（10-30 y）
安価（これも大容量のデータ保存に適している重要な要因）
3
原理: 0/1 情報と磁極�
ハードディスク (Hard Disk, HD)
[ハードディスク駆動装置 (HD Drive, HDD)]
n 
計算機での最も主な補助記憶装置
n 
高速、大容量
起動のためのプログラム(OS)や、頻繁に利用するプ
ログラム(アプリケーション)やデータを収納�
n 
n 「シンクライアント」：セキュ
リティ問題から、HDD を内
蔵しない端末
→ それほど広がらず�
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現行の HDD の種類�
n 
3.5 inch HD（主にデスクトップコンピュータ用）
n 
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2.5 inch HD (主にノートパソコン用)
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n 
n 
容量: 1 TB - 2 TB が主流 (max 5 TB 14/12 現在)
(連続) 実効�読/書き速度: 50-200 MB/s
5,000~10,000 円/TB (= 5-10 円/GB) (14/12)
容量: ~500 GB が主流 (max 2TB 14/12 現在)
3.5 inch に比べ、読み書き速度は、20-50 % 遅い。(主にディ
スクの回転数の違いから)
1.8 inch HD (主に小型•薄型ノートパソコン用)
05 年から記録する磁場の向きを
横から縦にして高密度化。�
S
NS
N N
水平磁気記録方式�
垂直磁気記録方式�
S
（フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
より）�
5 inch
3.5 inch
2.5 inch
PCMCIA 型？!
(1.8 inch)
5
HD における動作原理�
n 
書き込み�
n 
読み込み�
このヘッドの先端に
磁気抵抗 (MR) 効果
を利用�
44Ru
(ルテニウム) が使用されている�
SSD について�
n 
n 
（量子力学で習う）トンネル効果を利用して電荷を閉じ
込める、次世代の HDD
SSD (Solid State Drive)
n 
n 
n 
日本では、フラッシュドライブ (Flash Memory Drive) とも呼
ばれているが、海外では Flash Drive は一般にフラッシュメ
モリのことを指すようである (“USB Flash Drive”, “Clip Flash
Drive” など)
記録媒体としてフラッシュメモリ（後述）を用いる
ディスクを用いず電気的に処理
n 
n 
n 
n 
シーク／サーチ時間なし → 高速（特にフラグメンテーションに強い）
機械的に動く部分がない → 衝撃に強く、消費電力も少ない
容量: 128-256 GB が主流 (max 1 TB 14/12 現在)
5,000~10,000 円/100 GB (= 50~100 円/GB, cf. HD 5~10
円/GB)
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磁気による他（過去）の記憶装置�
n 
フロッピーディスク
Floppy Disk (FD)
n 
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n 
10 年ほど前までの保存や流通
のための主な媒体（メディア）
大きさは、3.5, 5, 8 インチの3種
類
容量は 3.5 インチで、720 kB
(2DD型), 1.44 MB (2HD型) な
どがある。
読み書きは極めて遅い（~数10
kB/s）
すでに国内メーカー生産中止�
n 
磁気テープ
Magnetic Tape (MT), DAT,
Exabyte (8mm), DLT, …
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n 
バックアップのために主に利
用
大容量 (数 GB~数十GB)
様々な規格あり（互換性低い）
読み書き遅く、データ検索に
も時間がかかる。
Zip, Jaz
n 
n 
Lomega 社が開発したリムー
バブル磁気ディスク
日本ではほとんど利用されず。
（米では MO より主。）�
FD, 8mm (Exabyte), MO
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FD と FDD
光磁気による記憶装置の原理�
n 
書き込み：レーザー光により、磁性体を（キュリー温度
~200 oC まで）高温化して磁性を一旦無くし、冷え始め
たところを外部磁場により磁化
物性物理学�
常温でも高い磁性を持つ 64Gd (ガドリニウム) が記録層に使われている�
n 
読み込み：弱いレーザー光を当て、（磁場の影響を受け
た）反射波の偏光方向の違いを検出�
電磁気学、光学�
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MO (エムオー, Magneto-Optical Disk)
n 
数年前まで、保存やデータ受け渡し（流通）のための媒
体（メディア）として主に国内で利用
n 
n 
n 
n 
現在は DVD が主に利用されている。
容量: 230, 540, 640 MB が主流。「ギガモ
(GIGAMO)」と呼ばれる 1.3, 2.3 GB も
読/書き速度: (最大) 数 MB/s
保存期間が非常に長い (50-100 y)
MD (MiniDisk) も同じ原理�
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光による記憶装置の原理�
読み込み：基盤に付けられた凸凹や、状態
（相）変化、化学的変化を起こした領域のレー
ザー光に対する反射率の違いを検出
n  書き込み：レーザー光による媒体表面の状態
（相）変化、化学的変化�
n 
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CD
DVD-RW
DVD-RAM
CD と DVD の違い�
780nm
635nm
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CD (Compact Disk)
■ 
n 
n 
3規格（記録方法の違いによる分類）
規格�
特徴�
記録方式�
CD-ROM
読み込みのみ�
金属(Al)のプレス�
CD-R
一度だけ書き込み可能�
（熱による）有機色
素の化学変化�
CD-RW
複数回書き換え可能�
結晶とアモルファス
の相変化�
容量: 650 MB, 700 MB が主流
読/書込み速度: max 52/52 倍速 (14/12 現在, 1倍速
は 150 KB/s)
DVD (Digital Versatile Disk)
n 
n 
n 
規格は乱立状態（装置依存に注意）
規格�
特徴�
記録方法�
DVD-ROM
読み込みのみ�
金属のプレス�
DVD-R, -R DL
DVD+R,+R DL
一度だけ記録可能�
色素の化学変化�
DVD-RW, +RW
複数回記録可能�
結晶の相変化�
DVD-RAM
(HDやMOのように)
書き換え記録可能�
結晶の相変化�
容量: 4.7 GB, 8.5G (片面2層, DL), 9.4 GB (両面各1層)
書込み速度: max 24 倍速 (12/06現在, 1倍速は 1.385 MB/s)
相変化を起こす記録膜には 52Te (テルル) が使用されている�
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Blu-ray (DVD の次世代規格)
n 
HD-DVDと競合したが、2008 年に HD-DVD が実
質撤退。
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HD-DVD:
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405 nm の青紫色レーザーを用いた次世代規格
ハイビジョン放送の録画が主目的
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ハイビジョン規格 (High Definition
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n 
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15 GB, 30 GB (片面2層)
DVD と構造が近く、互換性高い
HDV 720p (1280x720) or 1080i (1440x1080)
cf. DV (720x480) → HDV は従来の約4倍の情報量
(7.5, 23.3,) 25 GB, 50 GB (DL 片面2層), 100 GB
(XL 3層) [128 GB (XL 4層) 14/12 まだ流通せず]
n 
ROM, R, RE, あり
参考：http://www.sony.jp/bd/about/column/vol02/index.html
量子力学�
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(トンネル効果を利用し）電気的に消去、書込み
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不揮発性 (cf, SRAM, DRAM)
EEPROM バイト単位で、フラッシュはセクタ単位でデータを消去するところ
が違う
以下、どれも基本的に同じ原理（形状は異なる）
n 
n 
Flash Memory
USB フラッシュメモリ [主な用途: データ移動/保存]
SD (SDHC, SDXC), miniSD, microSD メモリカード [写真、映像]
コンパクトフラッシュ (CF) [写真]
スマートメディア (Sony) [マルチメディア]
xDピクチャーカード [写真]
記憶容量は max 256 GB (特殊な�1TB もあり) (USB メモリ), 32
GB (SD メモリ), 256(512) GB (SDXC) [14/12 現在]
SSD として、ハードディスクに代わるものになりつつある。�
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入出力インターフェイス�
n 
シリアル (Serial)
n  RS-232C (Recommended Standard 232, 昔)
n 
n 
(D-sub wikipedia より)�
USB (Universal Serial Bus)
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Dsub 9 pin, 25 pin, 転送速度: max 115 kbps
転送速度: max 12 Mbps (USB 1.1), 480 Mbps (USB 2.0), 4.8 (5)
Gbps (実効 500 MB/s) (USB 3.0, 2012 から Chipset に内蔵?)
ハブを使ったスター型の接続, MAX 127 台
キーボード、マウス、プリンタ等に利用
IEEE1394 (Firewire, iLink)
n 
n 
n 
転送速度: max 100, 200, 400, 800 Mbps
(USB wikipedia より)�
デイジーチェーンまたはツリー接続, MAX 63 台
AV 機器、HD 等の接続に利用されていた (過去の規格となりつつあり)
(続き)�
n 
シリアル (Serial) – 続き
n  Serial ATA (Advanced Technology Attachment)
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SAS (Serial Attached SCSI)
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実効転送速度: 150 (SATA), 300 (SATA2), 600 (SATA3, 6 Gbps) MB/s
HD 等を計算機内部で接続するための規格 (主にホームPC用)
eSATA 外部装置接続用の I/F
SCSI (後述) のシリアル発展版 150, 300 600 MB/s
SATAより最大ケーブル長が長く、サーバー用途が多い
Thunderbolt
n 
次世代の高速データ伝送の規格 max 1250 MB/s�
(SATA wikipedia より)�
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n 
パラレル (Parallel)
n 
セントロニクス準拠インターフェイス
n 
n 
SCSI (Small Computer System Interface)
n  転送速度: 5 MB/s (SCSI-1), 10, 20 MB/s (SCSI-2),
20, 40, 80 MB/s (SCSI-3) など。最速は SCSI-3 の�1
つである Ultra640 SCSI の 640 MB/s。
n 
n 
主にプリンタ（パラレル、というとこれを指す場合が多い。）
チェーン型がで最大7台（距離の制限がネック）
IDE (ATAPI)
n 
n 
かつての HD の主流 (現在 Serial ATA が主流)
HD 等を接続するインターフェイスの規格の遷移
n 
SCSI → IDE → EIDE → Ultra ATA (→ Serial ATA)
Modular
Ethernet
cable
cable
USB
FireWire
これら以外に、
モニター等をつなぐ、
（デジタルでは）DVI, HDMI などの規格がある。�
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補助記録メディアの用途のまとめ�
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（長期）保存目的
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データの受け渡し
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CD, DVD, Blu-ray, MO
USB メモリ, DVD, CD
（大容量）バックアップ
ハードディスク
n  磁気テープ
n  (Blu-ray)
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