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コンピュータとプログラミング

【情報Ⅰ】コンピュータの中身

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  • 2023.07.01
  • by おってぃ。
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今回はコンピュータとは何か、コンピュータはどのようなもので構成されているか、CPUはどのように動くのかについて学んでいきます。高校生のみなさんもスマートフォンやパソコンを日常的に使っていると思うのでその中身について理解しよう！

コンピュータとは

コンピュータは、情報を処理し、データを保存し、さまざまなタスクを実行する電子機器です。キーボードやマウスを使って操作し、画面やスピーカーから情報を受け取ることができます。
コンピュータと言われたらパソコンだけを思い浮かべると思うがスマートフォンやタブレットなどもコンピュータです。また最近は量子コンピュータも出てきている。

コンピュータの５大装置

コンピュータには演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置、出力装置の５つの装置とそれらを接続するバスというもので構成されています。

演算装置

演算装置とはデータの計算を行う装置である。

制御装置

制御装置とはプログラムの実行、それぞれの装置の制御を行う装置である。

コンピュータの中には演算装置と制御装置を合わせて中央処理装置（CPU）というものが入っている。
※CPUについての詳しい説明はこの記事の後半で説明してあります。

記憶装置

記憶装置はプログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置には主記憶装置（メインメモリ）と補助記憶装置（ストレージ）がある。

主記憶装置（メインメモリ）

主記憶装置は命令やデータを一時的に保存するために使われる。コンピュータの中ではメモリという部品である。また主記憶装置は電源を切るとデータがなくなってしまう。この性質を揮発性と言い、主記憶装置は揮発性メモリという。

補助記憶装置（ストレージ）

補助記憶装置は永続的にデータを保存するために使われる。コンピュータの中ではHDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）という部品である。また補助記憶装置は電源を切ってもデータがなくならない。この性質を不揮発性と言い、補助記憶装置は不揮発性メモリという。

入力装置

入力装置は外部からデータを取り込む装置である。マウスやキーボード、カメラなどが入力装置にあたります。

出力装置

出力装置は外部へデータを出力する装置である。ディスプレイ、プロジェクターなどが入力装置にあたります。

バス

バスはコンピュータの各装置や周辺機器をつなぎ、データが通る道である。コンピュータの内部のバスは想像しにくいが周辺機器をつなぐUSBケーブルなどがバスにあたります。

中央処理装置（CPU）とは

中央処理装置（CPU）とは、コンピュータの「頭脳」とも言われる部分で、コンピュータの操作やデータの処理を担当します。演算装置、制御装置、レジスタ、プログラムカウンタなどで構成されている。

レジスタとは

レジスタとはCPUの中での記憶場所のことである。

プログラムカウンタとは

プログラムカウンタとはレジスタの１つで次に実行する命令がメモリのどこ（アドレス）にあるかを記憶しておくものである。

CPUの動作

CPUの動作は基本的に以下のステップで進みます。

①取り込み（Fetch）

CPUはメモリから次に実行する命令を取り込みます。メモリ内にはプログラムやデータが格納されています。

②解読（Decode）

取り込んだ命令をCPUが理解できる形式に変換します。CPUは命令の種類に応じて適切な処理を行うために、命令を解読します。

③実行（Execute）

解読された命令が実行されます。CPUは算術演算（たとえば、足し算や引き算）や論理演算（たとえば、ANDやOR）などの命令を処理します。

④書き込み（Write back）

実行された命令の結果が必要であれば、結果がメモリやレジスタに書き込まれます。これによって、計算結果やデータの更新が反映されます。

これらのステップを繰り返すことで、CPUはプログラムを実行し、コンピューターの処理を行います。
また、CPUはクロックと呼ばれるタイミング信号に基づいて動作します。

クロック

クロックは一定の速さで振動し、CPUの動作を同期させます。クロックの速さが高いほど、CPUの処理速度も高くなります。クロックの単位は、ヘルツ（Hz）です。ヘルツは1秒間に何回の振動が起きるかを表す単位で、CPUのクロックは1秒間に何回の命令が実行されるかを示します。
例えば、1ギガヘルツ（1 GHz）のクロック速度を持つCPUは、1秒間に10億回の命令を実行します。同様に、2ギガヘルツ（2 GHz）のクロック速度を持つCPUは、1秒間に20億回の命令を実行します。

まとめ

今回はコンピュータの構成要素、CPUの動作について学びました。コンピュータの構成要素は５大装置はどのような役割をするのか、CPUの動作は４つのステップを覚え、定期テスト・共通テストでいい点数を取れるようになろう！

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