情報技術の基本について

Photo: Jonathan Cutrer / CC BY 2.0

ソフトウェアとハードウェアについて

情報技術は情報を速く、正確に、大量にあつかうための技術です

現代の「情報の技術」は、膨大なデータを、人間には不可能なスピードと正確さで処理することを可能にしました

その中心にあるのがコンピュータです

コンピュータという道具を理解するために、まずはそれを形づくっている「ハードウェア」と「ソフトウェア」という2つの役割について理解しましょう

ハードウェアについて

ハード（ハードウェア）はさわることができる、実体がある機械です

• 例：パソコン、モニター、マウス、ゲーム機本体

ソフトウェアについて

ソフト（ソフトウェア）はさわることができない、中に入っているデータやプログラム

ハードウェアという言葉は英語の Hard（硬い） という意味から来ています

昔のコンピュータは、鉄のカタマリや大きな機械でできていて、一度作ると形を変えるのが大変（＝硬い）でした

それに対して、中身のプログラムは書きかえるだけで簡単に変えられるので、Soft（柔らかい） と呼ばれるようになりました

コンピュータ五大装置について

ハードウェアと五大装置

コンピュータを構成するハードウェア（機械）は、その役割から大きく5つに分類されます

これを「コンピュータの五大装置」と呼びます

実際の部品（パーツ）に当てはめると、次のようになります

入力装置（人間の指示をパソコンに伝える）

例：キーボード、マウス、マイク、タッチパネル

出力装置（パソコンの処理結果を人間に伝える）

例：モニター（画面）、プリンター、スピーカー、タッチパネル

記憶装置（データや命令を覚えておく）

ここには役割の違う2つの部品が含まれます

主記憶装置（メモリ）：

・補助記憶装置（HDDやSSD）：

演算装置（データを計算する）

演算装置は、コンピュータにおける「実際の計算」を専門に行うパーツです

制御装置から送られてくる指示に従い、主に以下の2種類の計算を実行します

算術演算（さんじゅつえんざん）

足し算（+）、引き算（-）、掛け算（＊）、割り算（/）といった数学的な計算です

論理演算（ろんりえんざん）

2つのデータを比較して「どちらが大きいか」や、「YES（真）かNO（偽）か」を判定する、論理的な判断（AND, OR, NOTなど）です

ポイント：

現代のパソコンでは、この演算装置と「制御装置」がひとつに合体し、CPU（中央処理装置）として機能しています。データは記憶装置（メモリ）から取り出され、演算装置で処理されたあと、再びメモリへ戻されます。

例：CPU（の中の計算担当）

制御装置（他の装置に命令を出す監督）

制御装置は、コンピュータの「司令塔」として、プログラムの実行を管理し、他のすべての装置（演算・記憶・入力・出力）を統制するパーツです

自らデータの計算（加工）は行わず、以下のプロセスを繰り返すことでコンピュータを動かします

制御装置が「タイミング（同期）」や「実行順序」を厳密に管理することで、複雑なプログラムが正確に動作します

例：CPU（の中の監督担当）

五大装置はどうつながっている？（データの流れ）

五大装置はバラバラに動いているのではなく、お互いにメッセージをやり取りしています

その中心にいるのが「制御装置」と「記憶装置」です

Photo by Hmvn / CC BY-SA 4.0

1. 命令の流れ（コントロール）

制御装置が「指揮者」となり、他のすべての装置に「次、動いて！」と指示を出します

• 制御装置 → 入力・出力・記憶・演算のすべてへ

2. データの流れ（メインルート）

データは基本的に記憶装置（メモリ）を中継地点にして動きます

• 入力装置 　→　 記憶装置　→　 出力装置
  
• 記憶装置 　←→　 演算装置（計算するためにやり取りする）

わかりやすい動作のステップ

例えば、パソコンで「1 + 1」の計算をして画面に出すときは、こんな順番で動いています

1. 入力： キーボードで「1 + 1」と打ち込む
2. 記憶： そのデータが一旦、メモリ（記憶装置）に保存される
3. 制御： 制御装置が「演算装置さん、これ計算して」と命令する
4. 演算： 演算装置が「答えは 2 だ！」と計算する
5. 記憶： 答えの「2」がまたメモリ（記憶装置）に保存される
6. 出力： 制御装置が「画面さん、メモリにある 2 を表示して」と命令し、モニターに映る

演算と制御装置について

データが動くとき、この二人の間では次のようなやり取りが行われています

１．命令を受け取る（制御の仕事）

まず、制御装置（監督）が「記憶装置（メモリ）」へ行き、これからやるべき仕事が書かれた「指示書」を持ってきます。

２．命令を読み解く（制御の仕事）

制御装置（監督）は、その指示書を読んで「今回は足し算だな」と理解します

そして、演算装置（作業員）に「これとこれを足して！」と指示を出します

３．実際に動く（演算の仕事）

演算装置（作業員）は、言われた通りのデータを使って、一瞬で計算を終わらせます。

４． 報告する（二人の連携）

演算装置（作業員）が「答えはこれです！」と報告し、それを聞いた制御装置（監督）が、答えをまた「記憶装置（メモリ）」に書き込みます

制御装置の働き

五大装置の図を見ると、制御装置からすべての装置（入力・出力・記憶・演算）に矢印が伸びていることがわかります

これは、コンピュータの部品たちが勝手にバラバラに動かないように、制御装置が「今は入力の番！」「次は演算の番！」と、交通整理をしているからです

• 制御装置がいないと… どの装置も「いつ動けばいいか」わからず、パニックになります
• 演算装置がいないと… 命令はわかっても、実際の計算がいつまで経っても終わりません

まとめ

コンピュータの頭脳の内側では、

1. 制御装置が「指示書」を読んで、みんなにゴーサインを出す
2. 演算装置がその指示通りに、必死に計算する

この「指示」と「作業」がセットになることで、初めてコンピュータは動くことができるのです

アナログからデジタルへの変換

私たちが入力装置（キーボードやマイク）で扱う情報は、もともと連続的なアナログ情報です

これをコンピュータが理解できる「0」と「1」の不連続なデジタル情報に変える必要があります

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なぜデジタルは0と１だけなのか？
（ハードウェアの都合）

コンピュータが2進数を採用しているのは、「電気のスイッチ」と相性が抜群に良いからです

• 電圧が高い（ON）＝ 1
• 電圧が低い（OFF）＝ 0

もし人間のように10進数を使おうとすると、電圧を10段階（0V, 1V, 2V…9V）で正確に制御しなければならず、ノイズで簡単にエラーが起きてしまいます

しかし「あるか・ないか」の2種類なら、多少のノイズがあっても判別できるため、非常に安定して動作します

2進数ってどんな数字？

ではコンピューターは「0」と「1」だけなのに、どうやって「32」や「512」や「1024」といった大きな数字まで表せるのでしょうか？

答えは「位の重み」を使っているからです

10進数の考え方

10進数では、位が左に1つずつずれるごとに10倍になります。

123（10進数）＝ 1×100 + 2×10 + 3×1

2進数の考え方

これと同じように、2進数では位が左にずれるごとに2倍になります

私たちが普段使っている数字は10進数（0〜9までの10種類の数字を使う）ですが、コンピュータは2進数（0と1だけの2種類）を使っています

10進数と2進数をくらべると

例を見てみましょう

2進数では「位」が増えるたびに2倍ずつ大きくなっていきます。

• 1の位 → 1 × 2⁰ = 1
• 2の位 → 1 × 2¹ = 2
• 3の位 → 1 × 2² = 4
• 4の位 → 1 × 2³ = 8

だから「1001」という2進数は、10進数で 1×8 + 0×4 + 0×2 + 1×1 = 9になります

２進数から１０進数のトレーニング