【解説】コンピューターの仕組みと五大装置

   2014/11/11

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コンピューターとは

 コンピューターとは電気信号を高速に処理し、多様な計算を実行できる装置のことです。コンピューターは5つの構成要素から成り立ちます。5大装置がそれぞれ相互にデータの通信と制御を行いながらコンピュータが動作する様子を模式的に表してみました。

コンピューターの5大装置を図解

この5つの要素(装置)をコンピュータの5大装置とびます。これらは相互に通信を行い、データ通信と制御により計算を行います。以下の図を見ながらお読みください。


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 赤い矢印がデータの流れ、青い矢印が制御の流れの方向をそれぞれ示しています。

それぞれを詳しく見てみる

    5大装置はそれぞれオレンジの枠で示しました。5大装置はそれぞれ字面からも分かると思いますが、以下のような装置です。

  • 入力装置 - データや命令等を入力する装置。マウス、キーボードなど。
  • 出力装置 - 出力する装置。ディスプレイなど。
  • 演算装置 - CPUの一部。四則演算や論理演算などを処理する演算論理装置(ALU)を指す。
  • 記憶装置 - データを記憶する装置。主、補助記憶装置(メモリ、HDD/SSD)など。
  • 制御装置 - これら4つの装置を制御する。演算装置と同じくCPUの一部。
  •  こんな感じになります。この5つの分類は機能による分類になりますので、実際の機械と必ずしも一致するわけではないので注意してください。たとえば通信装置などは入力装置、出力装置両方の機能を備えています。

     また、ある計算をする場合のデータと制御の流れとしては、ユーザが入力装置で数式を入力→記憶装置に(一時的に)記憶→演算装置で演算処理→制御装置が記憶装置に出力装置への出力を命令→出力装置に計算結果が表示されると言った感じです。間に一時記憶がされたり、もっと複雑ではありますが、こんな感じと考えてください。

    演算装置と制御装置

     演算装置と制御装置はCPUにある(制御装置はCPU外にあることもあるが)ので、CPUとは演算、制御装置であると言っても過言ではありません。入出力装置、記憶装置はそれぞれパーツとして存在するのでPCハードウェアのページでパーツとして説明します。

     さて、ここでは演算装置と制御装置についてもう少し詳しく見てみます。演算装置と制御装置をまとめてマイクロプロセッサーと言う呼び方をします。ちなみにプロセッサ (processor) は、コンピュータの中で、組込みソフトウェアを動作させるためのハードウェアであり、演算装置、周辺回路、命令や情報を格納するメモリから構成されるものでCPUはマイクロプロセッサーの総称です。

     演算装置とはALUを指し、これは四則演算や論理演算など算術的な処理を行なう回路のことです。 マイクロプロセッサはMPUと略されたりして、ややこしいですが、現在では大抵の場合CPUとMPUは区別されず、メーカーによってCPUといったり、MPUといったりしています。ルネサス テクノロジ(日本メーカー)ではMCU(Micro Control Unit)または、マイコンと読んでいます。CPUの構成については別記事にてより詳しく紹介しています(以下の参考リンクより)。

    参考「PCハードウェア~CPU編~」

    マイクロプロセッサの構成、処理

     マイクロプロセッサは多数のトランジスタ、ICで構成されていたCPUを1つのICで実現したものです。膨大な数のトランジスタを組み合わせることで、コンピュータを構成するさまざまなパーツを制御したり演算を行ったりします。

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    トランジスタとは上の図のようなものです。ちなみにこのトランジスタはこちらのサイトの製品です。

    トランジスタとはスイッチ動作をする半導体素子のことです。スイッチですので当然onとoffしか表す事ができません。このため、PCは2進数なのです。
     何故2進数が採用されたかというのは、コンピュータが考えられた当初、トランジスタの出力をデジタル表現しようとした場合、3つの状態を安定して得られる素子なく、2つの状態だと、ある値の電圧より高いか低いかで判断できるので、安定性があったため採用されることになりました。

    プログラムは、マイクロプロセッサが理解できる命令が多数並べられたものです。では、マイクロプロセッサーはどのようにして命令をこなしているのでしょうか。マイクロプロセッサの処理は4つの工程から成ります。

  • フェッチ - メインメモリーから命令を取り出す 
  • デコード - 取り出した命令の具体的な指示内容を解読する
  • 実行 - 計算対象となるデータをメインメモリーから読み出し、命令の指示内容に従って計算処理を行う
  • ライトバック - 計算結果をメインメモリーに書き戻す
  •  メインメモリーとマイクロプロセッサとのやりとりなどは最初の模式図を見ていただければイメージできるかと思います。

     マイクロプロセッサーはこのたった4つの工程を何度も何度も繰り返すことにより処理を実行しているのです。今日ではより処理効率を上げるためにこの4つ以外の特別な工程を追加するようになりましたが、マイクロプロセッサー内部に命令を送り込み、それを実行し、最後に計算結果を出力するという大筋の流れは変わっていません。

    このように、5つの機能に分類される装置がそれぞれ相互にデータをやり取りし、そのデータを制御、処理しているところがコンピュータの中心(脳)ともいえる、このマイクロプロセッサ(CPU)なのです。

    参考ページ:http://www.intel.co.jp/jp/intel/museum/mpuworks/index.htm(インテルホームページ)


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