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マルチメディアシステム論 コンピュータとは? ENIAC(1946

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マルチメディアシステム論 コンピュータとは? ENIAC(1946
コンピュータとは?
マルチメディアシステム論
情報処理のハードウェア上での実現
ソフトウェアとハードウェア
ENIAC(1946)
18000本の真空管
消費電力140kw
重量30トン
24m x 2.5m x 0.9m
J. W. MauchlyとJ. P. Eckertが陸軍と共同で作成、
弾道計算を目的として
ハードウェアの基本構成
(システムレベル)
主記憶
出 力 装 置
入 力 装 置
CPU
• コンピュータとは?
数を数えるための道具?
電卓との違いは?
• コンピュータにとって得意な計算、不得意な計算
コンピュータにとって得意な計算 不得意な計算
定められた計算の繰り返し
柔軟な処理
• 人間の能力と計算機の能力
記号とパターン
論理的思考と直感的思考
• ソフトウェア(ソフト)
コンピュータを動かすためのプログラム
プログラムは大きく分けて二種類
システムプログラム
ユーザプログラム
• ハードウェア
コンピュータとそれに接続されている装置
(目に見える機器類そのもの)
コンピュータの周辺機器
• 入力装置
キーボード、スキャナ、マウス、マイク、タブレット
• 出力装置
プロジ クタ ディスプレイ プリンタ スピ カ
プロジェクタ、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ、
プロッタ
• 記憶装置
主記憶装置、補助記憶装置(ディスク、CD、DVD)
• 通信装置
モデム、ネットワーク機器
1
メモリの構成(アーキテクチャレベル)
バス
バス
データ
CPUの基本構成
(アーキテクチャレベル)
PC
R
レジスタ
プログラムカウンタ
CU
制御装置
・
・
・
命令
記憶装置
命令レジスタ
命令
演算レジスタ
データ
メインメモリ
四則演算回路
演算装置
CPU
コンピュータの動作
命令
命令
命令
アドレス
デコーダ
CPUの基本動作
バス
プログラム
カウンタ
データ入出力
メインメモリ
CPU
アドレス
ゲート
ゲート
アドレス0
アドレス1
アドレス2
データ
番地
0
1
2
3
・
・
・
メモリ
コンピュータ内の表現と論理
 命題(proposition)
制御装置
各装置へ
各装置
1. 記憶装置から次に実行する命令の記述
を制御装置へ読み出す
2. 読み出した命令を実行する
命令の分類
•入出力命令
•演算命令
•分岐命令
正しいか、正しくないかが確実に定まる文
 命題論理(propositional logic)
いくつかの命題を組み合わせ、その真偽を考
える論理体系
 コンピュータ内の表現と論理との対応
状態0を偽(false)に、 状態1を真(true)に対
応させる
2
デジタル情報の表現と単位
コンピュータ内での数の表現
0と1とだけの2進法を使用
ウ ア
、
ハードウェアとしては、
スイッチのオン・オフで実現
 情報の単位
ビット
0と1の並びの1桁(2通り)
ビット列 ビットの並び
バイト
8ビットのビット列(256通り)
ワード
2バイト(4バイト、8バイト、16バイト)

論理演算
 論理演算
0と1の組合せに0か1かを対応させる規則
 基本論理演算
論理積、連言(AND)
A・B
AかつB
論理和、選言(OR)
A+B
AまたはB
否定、補(NOT)
A
Aでない
論理演算(その2)
真理値表(truth table)
A A
0 1
1 0
A
0
0
1
1
B A・B A+B
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
論理演算(その3)
ベン図
A
A
排他的論理和(exclusive OR:XOR)
A・B
A+B
論理代数
 論理式
A+B
A
B
A+B
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
A+B=A・B+A・B
基本論理演算を組み合わせて得られる文
例えば、 (X・Y)+(Y・Z)+(Z・X)
論理式に現れるもっとも単純な命題を0か1
の値をとる変数とみなすとき、論理関数とよぶ
 論理代数・ブール代数
0と1からなる世界で、論理演算を対象に、系
統的に組み上げた体系
3
論理代数の性質
ド・モルガンの法則(de Morgan’s law)
A+B=A・B
A・B=A+B
A B A+B A+B A B A・B
A
B
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
論理回路(logical circuit)
論理回路
論理関数を実現する回路
論
関数を実現す 回路
論理回路の物理的実現
トランジスタ(transistor)を用いて実現
MOS(metal oxide semiconductor)方式
CMOS(complementary MOS)方式
論理ゲート(その2)
 分配則
A・(B+C)=A・B+A・C
A+(B・C)=(A+B)・(A+C)
(
) (
) (
)
 双対性(duality)
・と+、0と1をすべて一度に置き換えてもその
論理式の真偽は不変
論理ゲート(logical gate)
基本的な論理関数を実現する論理回
路を論理ゲート(logical
路を論理ゲ
ト(logical gate)とよぶ
NOTゲート
ANDゲート
MOSトランジスタによる論理ゲート
宿題:
このゲートのメ
カニズムの説明
V
A
XORゲート
V
X
NORゲート
NANDゲート
ORゲート
X
A
B
NOTゲート
4
組合せ回路(combinational circuit)
入力の値を全て決めれば、出力値が完
全に定まる回路
y  f ( x1 , x2 ,  , xn )
多数決関数の回路
A、B、Cという3変数の
多数決を行う論理関数
X=A・B・C+A・B・C
+A・B・C+A・B・C
=B・C+C・A+A・B
多数決関数の回路(その2)
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
X
0
0
0
1
0
1
1
1
多数決関数の回路(その3)
A
A
B
B
C
C
加算回路の設計
A B S C
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
NANDゲートによるXOR回路
A
S=A・B+A・B
A+B
C=A・B
桁上がり(carry)
半加算器(half adder)
B
5
全加算器(full adder)
全加算器の回路
A B C S C’
0 0 0 0 0
下からの桁上がりを考慮
0
0
0
1
1
1
1
S= A+B+C
C’=M(A,B,C)
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
A
S
0
0
1
0
1
1
1
B
M
C’
C
全加算器の回路(その2)
C
HA
A
HA
B
S
C
S
C
S
C’
6
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