コンピュータの仕組みとディジタルデータ プログラミングの予備知識 T G M K ： テラ （1012=1兆） ： ギガ（109 =10億） ： メガ （106 =100万） ： キロ（103=1000） Hz ： ヘルツ（周波数の単位） B ： バイト （データ量の単位） 1 コンピュータとはどのような機械か？ 「あらかじめ指示されたことを正確に高速に行う機械」 ＝ プログラム（program：ある物事の進行状態についての 順序・組み合わせ・筋などのこと。及び、それを書いたもの。 ） コンピュータプログラム＝ コンピュータに一定の仕事を行わせるための コンピュータ固有の命令（instruction）の集まり 「命令」とは ？ コンピュータの内部状態を変更するための指示 z データを持ってこい z データを保存しろ z 足算しろ，引算しろ，掛算しろ，... z 二つの数が等しいかどうか判断しろ z どっちの数が大きいか判断しろ z ... 電卓とコンピュータ ： 何が違うか z 電卓（calculator） – データ入力と計算手順を人間が操作する → 計算速度の限界 z コンピュータ（computer） あらかじめデータと計算の手順（命令）を記憶装置（メモリ） に格納しておき，命令を順番に一つずつ取り出して，命令 を実行する。 プログラム内蔵（stored program）方式 / Von Neumann方式 世界最初のプログラム内蔵方式コンピュータ ： EDSAC（ケンブリッジ大学，1949年） 2 ビデオ ： コンピュータ誕生の歴史 身の回りのコンピュータ カーナビ パソコン 洗濯機 ゲーム機 デジタルカメラ DVDプレーヤ 冷蔵庫 携帯電話 テレビ ロボット 3 パソコンの中身 マザーボード プロセッサ（CPU） 主記憶（メモリ） コンピュータの構成要素 プロセッサ （CPU） メモリバス 主記憶 （メモリ） 入出力バス 入力装置 キーボード マウス 出力装置 ディスプレイ プリンタ 補助記憶装置 ハードディスク フロッピーディスク CD、DVD z プロセッサ ： CPU（Central Processing Unit，中央処理装置）とも呼ぶ z 主記憶 ： メインメモリあるいは単にメモリとも呼ぶ z バス ： 信号線の束 4 プロセッサ（processor：処理装置） z 演算や実行制御（条件判断，繰返しなど）を行う z プロセッサには命令（演算命令，条件判断命令など）が定義されている – プログラムは命令を組み合わせて作られる – 命令は0と1の組合せによって表現される（機械語） プロセッサLSI Large Scale Integrated circuit メモリ（memory） ¾ 2進数（０と１）で表現されたプログラムやデータを記憶する素子 記憶場所の指定 番地 パッケージ 端子 メモリチップ メモリIC 0 01001010 1 11010111 2 10001111 3 00110110 コネクタ （メモリスロットに接続） … … PSD メモリ（1Gbyte） 999999998 10011001 999999999 01101010 命令 / データがメモリに 格納される 5 コンピュータの構成要素 演算データを保持 実行する命令の 番地を保持 プロセッサ メモリ（1GByte） 0番地 R0 R1 R2 R3 1番地 レジスタ ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑｶｳﾝﾀ（PC） 命令，データ 2番地 命令レジスタ（IR） 命令解読器(ID) ALU PCの指す番地から 読み出した命令を 保持 計算を実行 命令レジスタの 内容を解読 999999999 番地 プログラムの命令と データを格納 PC ： Program Counter IR ： Instruction Register ALU : Arithmetic Logical Unit ID : Instruction Decoder コンピュータの動作 z プロセッサはメモリに格納された「命令」を順番に実行していく ① メモリから命令を読み出してくる。 【命令読出し（Fetch）】 ● 何番地から命令を読み出すか？ ⇒ プロセッサ内部の「プログラムカウンタ（PC）」により指定する 次の命令の実行に備えてPCの値を増やす。 ● ② 読み出した命令を解読する。 【命令解読（Decode）】 ③ 命令を実行する（計算を行う）。【命令実行（Execute）】 ④ 計算結果を格納する。【結果格納（Store）】 命令とデータ データ （計算結果） 6 プロセッサの時間動作を決めるもの ＝動作周波数（クロック周波数） 周波数：1秒間の繰返し回数（単位: Hz（ヘルツ）） 時間 クロック信号 （コンピュータの メトロノーム） サイクル時間 1秒間に10億回の繰返し → 10億Hz＝109Hz＝1GHz サイクル時間= → 1 動作周波数 サイクル時間 1 =10-9=1ns（ナノセカンド） 109 1秒間に 5億回の繰返し 1 → 5億Hz＝500×106Hz＝500MHz → 500×106 =0.002×10-6=2×10-9 =2ns（ナノセカンド） 1ns という時間 ： 光が約33cm進む距離（光の速度30万km/秒） 量と単位の表し方 接頭語 (補助単位) 単位例 記号 フェムト f 1兆分の1 ピコ p 10-9 10億分の1 ナノ n 10-6 100万分の1 マイクロ μ μs 10-3 1000分の1 ミリ m ms 10-15 10-12 100 =1 ps ns bit Byte Hz 103 1000 （210） キロ k kbit kByte kHz 106 100万 （220） メガ M Mbit MByte MHz 109 10億 （230） ギガ G Gbit GByte GHz 1兆 （240） テラ T Tbit TByte THz 1000兆 （250） ペタ P 1012 1015 7 s プロセッサの時間動作を決めるもの ＝動作周波数（クロック周波数） 1命令の実行サイクル 時刻 1 時刻 2 時刻 3 時刻 4 命令実行 結果格納 クロック信号 （コンピュータの メトロノーム） 命令読出し 命令解読 500MHz動作 の場合 2ns 2ns 1GHz動作 の場合 1ns 2ns 2ns 8ns（=8×10-9 秒） = 1命令が8nsで実行できる 1ns 1ns 1ns 4ns（=4×10-9 秒） = 1命令が4nsで実行できる コンピュータの何が凄いのか コンピュータの命令はきわめて単純な動作しか実行できない。 しかし，個々の動作はもの凄く高速に実行できる。 ex. 動作周波数1GHzのコンピュータ：4nsに1命令=1sに2.5億命令 （秒） 単純な動作でも何千，何万，何十万，何百万… と組み合わせれば， 「たくさんの便利なこと」ができる。 「たくさんの便利なこと」：文書処理，表計算，コンピュータ通信， 機器（家電品，自動車など）の制御，… 8 情報の量を表す単位 z bit（binary digit） ： 2進数1桁で表すことのできる情報量 （電子回路では，電圧/電流の有無，スイッチのON/OFF に対応させる） z 1byte（B） = 8bit ¾ 1kbyte ＝ 1000 byte （正確には210=1024 byte） ¾ 1Mbyte ＝ 1,000,000 byte （正確には220=1048576 byte） ¾ 1Gbyte ＝ 1,000,000,000 byte （正確には230 byte） 記憶メディアの容量 • フロッピーディスク ： 1.4MB ・ USBメモリ ： 1GB ～ 128GB • CD 700MB ・ DVD 4.7～17GB • Blu-ray Disc 25/50GB （地デジ録画時間：3h / 6h） ・ HDD 40 ～ 1000GB（1TB） 文字データ 文字のデータ ABC... 012... !@#$%... 英字 数字 記号 アイウ... あいう... 亜唖娃… カタカナ ひらがな 漢字 １文字ずつ，固有のビット列を割り当てて，文字を表現する ＝文字コード z 英数字，記号文字（半角文字）： 8 bit （1byte）で表現（ASCII） ‘A’： 01000001 ‘a’：01100001 ‘1’：00110001 z 日本語文字（全角文字）：16 bit （2byte）で表現（JIS，SJIS，EUCコード） ‘一’： 10001000 11101010 ‘橋’： 10001011 10110100 9 画像データ（カラー画像） 画素（pixel） カラー画像の表現 • 光の三原色（赤、緑、青）の3色の 重ね合わせですべての色を表現する。 • 各色はそれぞれ 1byte=8 bit で表現 する。（28=256 通りの明度） 0 255 R（赤） G（緑） B（青） • 全体として 3（色）×8（ bit） = 24 bit で色を表現する。 • 表現できる色数は，224 ≒ 1600 万色 10 画像データ 赤 11111110 (1byte) 緑 11101001 (1byte) 青 10100110 (1byte) 1画素あたり 24bit（3 byte）のデータ 256×256画素のデータ量： 256×256×3byte＝196608byte ≒196Kbyte 最近のディジタルカメラ 1400万（4320×3240）画素 パナソニック LUMIX ZX3 1画素3byteの色情報をもつとすると： 全体の情報量 4320×3240×3byte≒4200万byte=42Mbyte 512MbyteのSDカードに何枚記録できる ? 512Mbyte÷42Mbyte＝512Mbyte÷42Mbyte≒12枚 カタログでは... → 『約83枚』 JPEG : 圧縮技術（画素レベルでは隣接する画素の色は それほど違わないという性質を利用） 圧縮率83÷12＝6.9 11 動画データ • １秒間に30枚（30フレーム）の静止画を連続して表示 動画データ • 1画面720×480画素のディジタルビデオカメラの映像では， 1画面 ： 720×480×3byte＝1036800byte≒1MB 1秒間で約30MB 1分間で約1800MB（=1.8GB）程度 • CD（700MB）で23秒（700MB÷30MB≒23秒） DVD（4.7GB）で156秒（4.7GB÷30MB≒156秒） 実際には， MPEG:圧縮技術（画像の中の動く部分だけを検出し保存） → 1枚のDVDに133分録画可能 12 電圧 時間 電圧 時間 一定時間ごとにアナログ信号をサンプ リングする。 データ 65536 音楽CDの場合，1秒間に44100回 のデータをサンプリングする （サンプリング周波数：44.1kHz） 32768 各点の信号の電圧を16ビットの ディジタル値に変換する。 時間 音楽データのデータ量 1秒間に44100個のディジタルデータ（2byte）： 88200byte ステレオの場合（右と左）は2倍：176400byte = 176.4kbyte 1枚のCD（700Mbyte) には， 700Mbyte ÷ 176.4kbyte ≒ 3968秒＝66分 の楽曲を記録できる。 13
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