コンピュータの仕組みとディジタルデータ

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）
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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
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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
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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）
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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，…
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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
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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
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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
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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
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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。
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