この第３章では、コンピュータの内部構造と仕組みがどのようになっているのかについて、見ていきます。この学習を通して、コンピュータが単なる機械であることを正しく認識し、コンピュータの中には小さいおじさんも居ないし、コンピュータが人格を持つこともないということを理解します。
1. コンピュータの基本構成
ハードウェアの構成要素
- 入力装置: キーボード、マウス、タッチパネルなど
- 出力装置: ディスプレイ、プリンタなど
- 主記憶装置（メインメモリ）: プログラムやデータを一時的に保存
- 補助記憶装置: ハードディスク、SSDなど、データを永続的に保存
- 中央処理装置（CPU）: 演算装置と制御装置から構成
CPU
CPUは演算装置と制御装置から構成され、コンピュータの中核として動作します。コンピュータの中の一番大事な部分で、他と替えがきかないパーツです。
- 演算装置: 計算処理を実行
- 制御装置: 各装置を制御し、プログラムの実行を管理
性能の目安
性能が高いほど、データの処理が速くなり、デバイスの動作が快適になります。
性能は、クロック周波数(GHz)とコア数により決まります。
クロック周波数(GHz) → 処理スピードの速さ
コア数 → 同時に作業できる人数のイメージ。多いほど複数の作業を並行してこなしやすくなります。
代表的なメーカーとブランド (米国企業が圧倒的シェア)
Intel: Core i3 / i5 / i7 / i9
AMD: Ryzenなど
Apple: M3 / Pro / Max / Ultra
2. CPUの内部構成と動作原理
CPU内部の主要構成要素
| 構成要素 | 機能 |
|---|---|
| プログラムカウンタ | 次に実行する命令の番地を指定 |
| 命令レジスタ | 主記憶装置から取り出した命令を一時保存 |
| 命令解読器 | 命令を解読して各部を制御 |
| データレジスタ | データを一時的に保存 |
| 演算装置 | 算術演算やその他の演算を実行 |
CPUの動作サイクル
CPUは以下の3段階を繰り返してプログラムを実行します：
STEP
命令の取り出し（Fetch）
プログラムカウンタが指定する番地から命令を取り出す
命令を命令レジスタに格納
STEP
命令の解読（Decode）
命令解読器が命令の内容を解析
実行に必要な制御信号を生成
STEP
命令の実行（Execute）
解読された命令に従って処理を実行
プログラムカウンタを次の命令番地に更新
基本的な命令セット
- READ: メモリからレジスタにデータを読み出し
- WRITE: レジスタからメモリにデータを書き込み
- ADD: レジスタ間でデータを加算
- STOP: プログラムの実行を停止
計算処理の具体例（3 + 5 = 8）
実行される命令の流れ
- READ A, (10): 10番地のデータ「3」をレジスタAに読み出し
- READ B, (11): 11番地のデータ「5」をレジスタBに読み出し
- ADD A, B: レジスタAとBの値を加算し、結果「8」をレジスタAに格納
- WRITE (12), A: レジスタAの内容「8」を12番地に書き込み
- STOP: プログラム実行終了
レジスタとは、CPU内部の高速な記憶領域で、演算に必要なデータを一時的に保存します。プログラムカウンタもレジスタの一種です。
コンピュータは命令を一つずつ順番に実行し、各命令の完了後に次の命令に進みます。これを逐次実行と言います。
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