「コンピュータ構成要素」カテゴリーアーカイブ

プロセッサ

情報処理技術者試験での学習内容

【応用情報・基本情報】
・コンピュータの種類,構成を修得し,応用する。
・プロセッサの種類,アーキテクチャ,構造,方式,動作原理を修得し,応用する。
・プロセッサの性能を表す指標を修得し,応用する。
・プロセッサの高速化技術,高信頼化技術を修得し,応用する。

【ITパスポート】
・コンピュータの基本的な構成と役割を理解する。

(1)コンピュータの種類 ITパスポート 基本情報 応用情報

パーソナルコンピュータ(PC),ワークステーション,スーパコンピュータなどの特徴,用途を理解する。

用語例:デスクトップPC,ノートPC,サーバ,携帯端末(スマートフォン,タブレット端末ほか),汎用コンピュータ,制御用コンピュータ,マイクロコンピュータ

(2)コンピュータの構成 ITパスポート 基本情報 応用情報

コンピュータが五つの装置から構成されること,装置間の制御の流れ,データの流れを理解する。

用語例:演算装置,制御装置,記憶装置,入力装置,出力装置

(3)プロセッサの種類 ITパスポート 基本情報 応用情報

プロセッサの種類,それぞれの特徴,用途を理解する。

用語例:CPU,GPU,DSP

(4)プロセッサのアーキテクチャ 基本情報 応用情報

1.データ処理の単位

プロセッサのアーキテクチャによって,プロセッサが1 命令で処理するデータサイズに違いがあることを理解する。

用語例:ビット,キャラクタ,バイト,ワード

2.命令形式

1 命令で処理するオペランドの数で命令の形式を分類できることを理解する。

用語例:1 オペランド形式,2 オペランド形式

3.命令セット

プロセッサのアーキテクチャによって命令セットに違いがあること,プロセッサアーキテクチャとしてはRISC とCISC があることを理解する。

用語例:固定長命令,可変長命令

 (5)プロセッサの構造と方式 基本情報 応用情報

プロセッサを構成する制御装置と演算装置の役割,それらを構成する加算器,レジスタ,デコーダ(命令解読器,復号器)などの役割,プロセッサの能力とシステムの処理能力の関係を理解する。また,命令実行時のレジスタの動作を理解する。

用語例:アキュムレータ,補数器,乗算器,積和演算器,命令アドレスレジスタ(命令カウンタ, プログラムカウンタ, 逐次制御カウンタ), IR ( Instruction register:命令レジスタ),GR(General Register:汎用レジスタ),インデックスレジスタ( 指標レジスタ), ベースレジスタ, MAR ( Memory Address Register:メモリアドレスレジスタ),DR(Data Register:データレジスタ),MR(Memory Register:メモリレジスタ),スタックポインタ

(6)プロセッサの動作原理 基本情報 応用情報

1.演算の仕組み

AND 回路,OR 回路,NOT 回路などの基本となる論理回路の組合せによって半加算器,全加算器が実現され,演算が行われていることを理解する。

用語例:順序回路,組合せ回路,NAND 回路

2.命令とアドレッシング

代表的な機械語命令の種類,命令語の構成,命令の実行手順(命令の取出し,命令部の解読,データの取出し,命令の実行),アドレス修飾を理解する。また,機械語演算のバイナリ表現,アセンブラの記号表現との対応,相互の変換を行う方法を理解する。

用語例:算術演算命令,論理演算命令,転送命令,比較命令,分岐命令,シフト命令,入出力命令,アドレス部(オペランド),フェッチ,アドレス計算,アドレス方式,アドレス修飾,直接アドレス指定,間接アドレス指定,インデックスアドレス指定(インデックス修飾),ベースアドレス指定,相対アドレス指定,絶対アドレス指定,即値アドレス指定,有効アドレス(実効アドレス)

3.割込み

割込みの仕組み,内部割込み,外部割込みに分類される割込みの種類,多重割込み時の処理を理解する。

用語例:SVC(SuperVisor Call)割込み,入出力割込み,割込み制御,マシンチェック割込み,プログラム割込み

(7)マイクロプログラム制御 応用情報

プロセッサの動作を制御する仕組みとして,1 機械語命令を実行するためのプログラム(マイクロプログラム)をファームウェア化して内蔵する方式があること,その特徴を理解する。

用語例:マイクロプログラムメモリ,マイクロプログラムカウンタ,エミュレーション,水平型マイクロコード,垂直型マイクロコード

(8)プロセッサの性能 基本情報 応用情報

クロック周波数,CPI(Cycles Per Instruction),MIPS などの意味を理解する。

用語例:サイクルタイム,FLOPS,命令ミックス

(9)プロセッサの高速化技術 基本情報 応用情報

プロセッサの代表的な高速化技術の種類,特徴を理解する。

用語例:命令パイプライン,スーパパイプライン,スーパスカラ,VLIW,ベクトル処理方式,ハイパスカラ方式,超並列プロセッサ,パイプラインハザード,データハザード,構造ハザード,制御ハザード,シングルコアプロセッサ,マルチコアプロセッサ,マルチスレッディング

(10)並列処理 基本情報 応用情報

1.命令とデータの流れ

代表的な並列処理方式の種類,特徴を理解する。

用語例:SISD,SIMD,MISD,MIMD

2.並列処理の隘路

並列化できないため逐次処理にならざるを得ない処理として,複数のプロセッサからの主記憶装置の使用要求の競合,データベースへの同時アクセスによるロックの発生などがあること,それらの処理が能力向上を阻害する原因となることを理解する。

(11)マルチプロセッサシステム 基本情報 応用情報

複数のプロセッサを搭載し,高速化や高信頼化を実現したシステムについて,種類,特徴,仕組み,マルチプロセッサシステムを適切に組み合わせた基盤設計を理解する。

用語例:疎結合マルチプロセッサシステム,密結合マルチプロセッサシステム,タンデム結合マルチプロセッサシステム,アレイコンピュータシステム,アムダールの法則,同期, SMP(Symmetric Multi Processing:対称型マルチプロセッシング),クラスタ,トーラス,ハイパキューブ,ハイパツリー

 

コンピュータの種類

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

パーソナルコンピュータ(PC),ワークステーション,スーパコンピュータなどの特徴,用途を理解する。

用語例:デスクトップPC,ノートPC,サーバ,携帯端末(スマートフォン,タブレット端末ほか),汎用コンピュータ,制御用コンピュータ,マイクロコンピュータ

コンピュータの種類

コンピュータは、用途やサイズ、機能などによっていくつかに分けられます。

汎用コンピュータ
メインフレームとも呼ばれ、企業の基幹システムなどに用いられるコンピュータです。大量のバッチ処理やリアルタイム処理を高速に処理できます。
サーバコンピュータ
多数のクライアントに対してサービスを提供するコンピュータを総称してサーバコンピュータと呼びます。一般的にPCと比べて信頼性に優れる、高性能のコンピュータ(*)が使われます。サーバ向けコンピュータにはいくつかの形状があります。
・デスクトップ型: パソコンと同じような形状。
・タワー型: パソコンよりも筐体が大きい形状で、拡張性に優れる。
・ラックマウント型: サーバ用のラックに積み重ねて収納できる形状で、少ない設置面積で複数の機器を設置できる。
・ブレード型: 専用の母体に接続する形状で、電源や外部インタフェースを共有できる。
PC(Personal Computer:パソコン)
パソコンは、個人が使うのに適した小型のコンピュータの総称です。様々な用途に使うためのアプリケーションソフトが豊富にあるのが特徴です。
PDA(Personal Digital Assistants)
個人携帯情報端末ともいい、持ち運びに便利なように小型に設計された情報機器です。主な機能には個人スケジュールの管理や住所録の管理機能、無線LANや赤外線による通信機能、ビジネスソフトなどのアプリケーションがあります。
最近では、携帯電話が高機能化して、携帯情報端末となっているものが増えています。(スマートフォンやタブレット端末など)
*サーバ向けの高性能なコンピュータ

ここでいう「高性能」とは、CPUのクロック数やメモリの容量、といったカタログ上の「高性能」ということではなく、部品レベルでの「高信頼性」が大きい。
PCを使用していると時々「フリーズ」といったことが起こるが、サーバではそれが起こっては深刻な影響が出るため。

コンピュータの構成

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

コンピュータが五つの装置から構成されること,装置間の制御の流れ,データの流れを理解する。

用語例:演算装置,制御装置,記憶装置,入力装置,出力装置

コンピュータの5大要素

「コンピュータ」には、非常に多様な種類が存在するが、その構成要素は基本的に共通しています。一般的には、「コンピュータの五大構成要素」と呼ばれる、下記のもので構成されています。

制御装置/演算装置/記憶装置/入力装置/出力装置

 パソコンであれば、それぞれ下記の装置が、該当します。

  • 制御装置&演算装置:CPU(中央処理装置)、プロセッサとも呼ばれる。
  • 記憶装置:いわゆる『メモリ』のこと。ハードディスクやDVDドライブなどは補助記憶装置、または外部記憶装置と言われる。
  • 入力装置:キーボードやマウス、スキャナやマイクなど
  • 出力装置:モニタ、プリンタ、スピーカなど

 

プロセッサの種類とアーキテクチャ

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

プロセッサの種類,それぞれの特徴,用途を理解する。
プロセッサのアーキテクチャによって命令セットに違いがあること,プロセッサアーキテクチャとしてはRISC とCISC があることを理解する。

用語例:CPU,GPU,DSP、ビット,キャラクタ,バイト,ワード、1 オペランド形式,2 オペランド形式、固定長命令,可変長命令

CPU

CPU(Central Processing Unit:中央処理装置)は、コンピュータの五大構成要素(制御・演算・記憶・入力・出力)のうち、もっとも重要な働きである制御と演算を行う装置です。 

CPUは人間で言えば「頭脳」にあたる役割を担うので、CPUの性能がパソコン全体の性能を左右し、高速なCPUを搭載したコンピュータほど高性能といえます。

CPUの構造

コンピュータのCPUは通常、コンピュータ本体に内蔵されたマザーボード上にある一つのLSI(Large Scale Integration)チップからなっています。

CPUは主記憶装置からプログラムを読み出して、そこに書かれた命令を解読し、演算を行い、コンピュータ上の各装置の動作を制御する働きをします。

最近のコンピュータでは、一つのCPU内に演算の実行部分(=コア)を複数持たせることで高速化した、マルチコアプロセッサも使用されています。

CPUの構造の種類

CPUの実行できる命令の集まりを「命令セット」といいます。この命令セットの構造の設計概念には、CISCとRISCの2種類があります。

 RISCCISC
命令の長さ固定可変
重視するもの高速性機能性
ハードウェアの構造単純複雑
制御方式ワイヤドロジック制御方式マイクロプログラム制御方式

RISC

RISC(Reduced Instruction Set Computer:縮小命令セットコンピュータ)は、単純な動作をする命令セットを持つCPUです。ワイヤドロジック制御方式で単純な動作をする命令セットだけを持ち、構造が単純で高速に動作します。

ワイヤドロジック制御方式

ワイヤドロジック制御方式とは、コンピュータの制御部と演算部で行われる命令の実行を、ハードウェアの物理的な結線(電子回路)だけで制御する方式です。動作が高速なのが特徴ですが、複雑な命令には適しません。

CISC

CISC(Complex Instruction Set Computer:複合命令セットコンピュータ)とは、複雑な命令セットを持つCPUです。一つの命令で複数の処理を行い、マイクロプログラム制御方式を用います。

マイクロプログラム制御方式

マイクロプログラム制御方式とは、一つの複雑な命令を実行しようとすると、あらかじめ定義しておいた複数の単純な命令の並びである「マイクロプログラム」を実行する方式です。

ハードウェアの物理的な結線(電子回路)はRISC方式より複雑になりますが、全てをワイヤドロジックにするよりは単純ですみます。機能の追加や変更をマイクロプログラムの変更で行うことが出来るのも特徴です。

RISCに比べると、速度性能は劣ります。

 

プロセッサの構造と方式

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

プロセッサを構成する制御装置と演算装置の役割,それらを構成する加算器,レジスタ,デコーダ(命令解読器,復号器)などの役割,プロセッサの能力とシステムの処理能力の関係を理解する。また,命令実行時のレジスタの動作を理解する。

用語例:アキュムレータ,補数器,乗算器,積和演算器,命令アドレスレジスタ(命令カウンタ, プログラムカウンタ, 逐次制御カウンタ), IR ( Instruction register:命令レジスタ),GR(General Register:汎用レジスタ),インデックスレジスタ( 指標レジスタ), ベースレジスタ, MAR ( Memory Address Register:メモリアドレスレジスタ),DR(Data Register:データレジスタ),MR(Memory Register:メモリレジスタ),スタックポインタ

制御装置と演算装置の役割

コンピュータの五大機能のうち、中核となる制御と演算は、高速な中央処理装置(CPU)で行われます。LSIチップであるCPUの内部は、制御装置と演算装置とで構成されています。

演算装置は、それぞれの命令を実行する電子回路の集まりです。

制御装置は、コンピュータ全体の処理の進行を制御する電子回路です。

 

レジスタ

レジスタとは、CPUの内部に存在する高速の記憶装置です。計算入力や計算結果の一時的な保持や、周辺機器の動作状態の保持に利用されます。
大容量で相対的に低速な記憶装置の中のデータは、CPUの中の高速なレジスタへ移して処理します。
これによって処理を高速にしつつ、装置間の回路を単純にします。レジスタの動作は非常に高速ですが、容量は少量です。

レジスタは複数存在し、いくつかの種類があります。代表的なレジスタは以下の表のとおりです。

名称役割
アキュムレータ演算結果を一時的に格納するレジスタ
命令アドレスレジスタ次に実行する命令の先頭アドレスを格納するレジスタ
命令レジスタ現在実行中の命令を格納するレジスタ
汎用レジスタ様々な目的で利用することが出来るレジスタ
インデックスレジスタ
(指標レジスタ)
インデックスアドレス指定で、基準となるアドレスを格納するレジスタ
ベースレジスタベースアドレス指定で、基準となるアドレスを格納するレジスタ

命令アドレスレジスタ

命令アドレスレジスタは、制御装置の中にあるレジスタの一種であり、次に実行する記憶装置中の命令の先頭アドレスを格納するレジスタです。命令カウンタやプログラムカウンタとも呼ばれます。

通常は、一つの命令の演算が終わると、命令アドレスレジスタには次の命令の先頭アドレスが格納されます。これによって、複数の命令が並んだ順序に実行されます。

一方、プログラム言語の反復、選択、サブルーチンの呼び出しや再帰に対応する分岐命令は、分岐先の命令の先頭先アドレスを命令アドレスレジスタに格納する働きをします。

命令レジスタ

命令レジスタは、現在実行中の命令を格納するレジスタです。命令アドレスレジスタが指す記憶装置の中の命令が次々と格納されていきます。

汎用レジスタ

汎用レジスタは、演算やアドレス保持などの様々な用途を持つレジスタです。どんな用途で使うかは命令で指示します。

汎用レジスタは、電子回路を簡潔にし、プログラミングの自由度を増します。インデックスレジスタやベースレジスタを用途に含む場合もあります。

インデックスレジスタ

インデックスレジスタは、アドレスを扱うレジスタの一種です。指標レジスタともいいます。

命令に含まれるアドレス値に、レジスタに格納されているインデック値を加算する機能を持っています。

そのインデックス値は、プログラム言語の配列のインデックス値(添字)に相当するので、配列処理のプログラムが簡潔になります。

ベースレジスタ

ベースレジスタは、アドレスを扱うレジスタの一種です。命令に含まれるアドレス値に、レジスタに格納されているベース値を加算する機能を持っているのが特徴です。仕組みとしては、インデックスレジスタと変わりはなく、用途と呼称が違うだけです。

ベースレジスタの値を変えるだけで、プログラムの主記憶装置中の位置を自由に再配置したり、命令のアドレス用ビット数を節約したりする役割を果たします。

インデックスレジスタとベースレジスタの使い分け

簡単に両者の違いを言い表すならば、実行時にリロケータブルにするために、ベースアドレス方式を使い、配列要素を参照するためにインデックスアドレス方式を使う、というのが一般的な使い分け方です。

デコーダの役割

デコーダは、符号や暗号、圧縮状態に変えられていたデータを、元のデータに変換するハードウェアやソフトウェアです。

CPUの制御装置の中にある命令デコーダは、記憶装置から命令レジスタに移された命令コードを解釈して、命令の実行の準備をして、命令コードに対応する電子回路を選択する電子回路です。例えば、命令コードが「加算」を意味しているなら、演算装置の加算回路が実行されるようにします。

(参考)プログラムの再利用性に関するキーワード

再配置可能(リロケータブル)

プログラムを補助記憶装置から主記憶装置に読み込む際、主記憶のどの位置に読み込んでも実行が可能なプログラムを再配置可能なプログラムといいます。アドレス指定が、プログラムの先頭アドレスからの相対位置で表現されている必要があります。

再使用可能(リユーザブル)

主記憶に読み込まれて実行を終えたプログラムが、再度の主記憶への読み込みを行うことなく再実行できることをいいます。

再帰可能(リカーシブル)

自分自身を呼び出すことが可能なものを再帰可能なプログラムといいます。

再入可能(リエントラント)

1つのプログラムにおいて、複数の処理要求が来ても同時に処理できることを指します。各データが処理中に混合しないように、データの領域を処理要求の数だけ用意しています。

プロセッサの動作原理

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

・AND 回路,OR 回路,NOT 回路などの基本となる論理回路の組合せによって半加算器,全加算器が実現され,演算が行われていることを理解する。
・代表的な機械語命令の種類,命令語の構成,命令の実行手順(命令の取出し,命令部の解読,データの取出し,命令の実行),アドレス修飾を理解する。また,機械語演算のバイナリ表現,アセンブラの記号表現との対応,相互の変換を行う方法を理解する。
・割込みの仕組み,内部割込み,外部割込みに分類される割込みの種類,多重割込み時の処理を理解する。

用語例:順序回路,組合せ回路,NAND 回路、算術演算命令,論理演算命令,転送命令,比較命令,分岐命令,シフト命令,入出力命令,アドレス部(オペランド),フェッチ,アドレス計算,アドレス方式,アドレス修飾,直接アドレス指定,間接アドレス指定,インデックスアドレス指定(インデックス修飾),ベースアドレス指定,相対アドレス指定,絶対アドレス指定,即値アドレス指定,有効アドレス(実効アドレス)、SVC(SuperVisor Call)割込み,入出力割込み,割込み制御,マシンチェック割込み,プログラム割込み

加算機

加算器は、CPUの中にある2進数を加算する電子回路です。デジタル回路によって計算装置を発明する時に、考察の中心となった電子回路です。

加算器は、最下位の桁用の一つの半加算器と、それ以上の桁用の複数の全加算器とで構成されます。

半加算器

2進数の加算の一部を担う半加算器という電子回路は、AND・OR・NOTの3種類の論理回路の組み合わせで実現できます。
桁上りの信号は2桁目の全加算器へ送ります。

なお、半加算器を実現するには、上図の例以外にも色々な電子回路の組み合わせが考えられますが、排他的論理和(XOR)回路が使えるのであれば、下記のようにXORとANDの組合せが最も簡単です。

全加算器

2進数の加算の一部を担う全加算器という電子回路は、2つの半加算器と1つのOR回路で実現できます。

下位の桁用の回路から桁上りの信号を受け取り、それ自身の桁上りの信号は上位桁用の全加算器へ送ります。

命令とアドレス指定

一つの命令の形式は、CPUの種類や命令の種類によって異なりますが、典型的な命令の形式は「命令部」と「オペランド部」で構成されます。

命令部は命令の種類を表し、オペランド部は処理する対象のアドレス(主記憶装置中の位置)を表します。

命令の実行手順

一つの命令の実行は、一般には次のような細かい段階を経て進められます。細部は命令の種類によって異なる場合もあります。

  1. 命令の読み込み:
    次に実行するべき一つの命令を、主記憶装置からCPUの命令レジスタへ読み込む。
  2. 命令の解読:
    命令の命令部を解読して、以降の処理の種類を選ぶ。
  3. アドレスの決定:
    命令のオペランド部を解読して、処理スべき主記憶装置中の位置を決定する。
  4. データの読み込み:
    主記憶装置からデータをレジスタに読み込む。
  5. 命令の実行:
    選んだ演算処理の回路が演算などの処理をする。
  6. データの書き出し:
    レジスタからデータを主記憶装置に書き出す。

アドレス指定

直接アドレス方式

命令のオペランド部の値には、処理対象のアドレスが直接示されています。

間接アドレス指定方式

間接アドレス指定方式は、命令のオペランド部が指す「主記憶装置中の値」を最終的なアドレスとする方式です。

プログラムの実行中に主記憶装置中の値を変更することによって、最終的なアドレスを変更できます。

インデックスアドレス指定方式

インデックスアドレス指定方式は、オペランド部の値にインデックスレジスタの値を加えてアドレスを決定する方式です。
プログラム言語の配列の処理に役立ちます。

ベースアドレス指定方式

ベースアドレス指定方式は、オペランド部の値にベースレジスタの値を加えてアドレスを決定する方式です。プログラムを再配置自由にしたり、アドレスを表すオペランド部のビット数を節約したりするのに役立ちます。

相対アドレス指定方式

相対アドレス指定方式は、オペランド部の相対アドレス地に命令アドレスレジスタのアドレス値を加えてアドレスを決定する方式です。プログラムを主記憶装置中の任意の位置に再配置するのに適しています。

インデックスアドレス指定方式、ベースアドレス指定方式、および相対アドレス指定方式の仕組みは同じであり、用途や呼称が異なるだけです。

割込みの仕組み

割込みは、一つのプログラムの一連の命令の実行を中断することです。割込みによって別のプログラムの一連の命令を実行した後、中断していたプログラムの実行を再開します。
複数のプログラム全体の処理効率を向上させたり、例外状態に対処したりするのに役立ちます。

割込み発生時には、CPU内のレジスタ類の内容は他の記憶場所(スタック領域)へ退避して、再開する時に元通りにします。

割込みには、実行中のプログラムが原因で行われる内部割込みと、実行中のプログラム以外が原因で行われる外部割込みとがあります。

内部割込み

内部割込みは、実行中のプログラムが原因で行われる割込みです。内部割込みには次のようなものがあります。

  • 演算結果が許容範囲を越えようとする例外状態の割込み
  • 決定したアドレスが許容範囲を越えようとする例外状態の割込み。
  • プログラムが意図的に起こす割込み。(入出力装置用のプログラムに処理を依頼する時にスーパーバイザコールという命令を実行するときなど)
SVC割込み

スーパーバイザコール(SVC)割込みは、プログラム中のスーパーバイザコール命令を実行して発生させる割込みです。

入出力装置用のプログラムに処理を依頼するときなど、プログラム自身が意図的に割込みをしたい場合に用いられます。

外部割込み

外部割込みは、実行中のプログラム以外が原因で行われる割込みです。外部割込みには次のようなものがあります。

  • 入出力処理が完了したり、入出力処理で異常が発生したりした場合の割込み。
  • そのプログラムへ割当てた単位時間が終了した時のタイマ割込。
入出力割込み

入出力割込みは、入出力処理が完了したり、入出力処理で以上が発生したりした場合に発生する割込みです。

CPUの処理は入出力装置の処理に比べてケタ違いに高速なので、CPUが単純に入出力装置の処理の完了の終了を待つのは非常に効率が悪くなります。そのため、該当のプログラムが入出力処理の完了を待っている間に、CPUは他のプログラムを並行して処理します。入出力割込みによって、元のプログラムの実行を再開します。

タイマ割込み

タイマ割込みは、そのプログラムへ割当てた単位時間が終了した時に発生する割込です。

正確なタイミングを必要とする処理や、複数のプログラムに平等に時間を割り当てて処理する場合などに用いられます。

 

プロセッサの性能

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クロック周波数,CPI(Cycles Per Instruction),MIPS などの意味を理解する。

用語例:サイクルタイム,FLOPS,命令ミックス

クロック周波数

コンピュータの内部には、各装置の動作のタイミングを合わせるために、一定のテンポでパルス信号を発するクロック機構があります。その信号の頻度をクロック周波数と言います。

周波数とは1秒間に繰り返す振動の数で、単位は Hz(ヘルツ)です。クロック周波数が高いほど1秒あたりの振動数が多く、かつ一つの振動にかかる1クロック時間(周期)が短いことになります。

CPUの処理速度

CPUはクロック周波数に合わせて動作します。そのため、クロック周波数はCPUの性能を表す指標の一つとして用いられます。

通常、CPUは1~数クロックごとに1命令を実行します。つまり、クロック周波数によってCPUが命令を実行するタイミングが決まります。クロック周波数が高いほどCPUが1命令を実行する時間が早まり、コンピュータの処理速度も速くなります。

現在市販されているコンピュータの多くは1~3GHz(ギガヘルツ:1GHz=10億Hz)のクロック周波数で動作するCPUを搭載しています。

なお、クロック周波数が同じCPUであっても、機種が異なると処理速度が違う場合があります。また、コンピュータの処理速度には、メモリの容量や入出力の速度などいろいろな要素が影響するため、同じCPUを搭載したコンピュータでもプログラム実行性能が必ず同じとは限りません。

MIPS

MIPS(Million Instructions Per Second:ミップス)もCPUの性能を表す指標です。MIPSは、CPUが1秒間に何百万回の命令を実行できるかを表す数です。

*1MIPS = 100万命令/秒

なお、一般的にはほとんど分岐のない命令セットを用いて計測され、CPUのピーク性能を示す指標とされています。

CPI

命令あたりの平均クロックサイクル数(=CPI:Cycle Per Instruction)も、CPUの性能を表す指標です。これは少ないほど性能が良くなります。

FLOPS

FLOPS(Floating point number Operations Per Second:フロップス)はCPUが1秒間に何回の浮動小数点数演算が出来るかを表す数です。MIPSと似ていますが、こちらは主にコンピュータの科学技術計算の性能を表すのに用いられます。特に、天文や地学などの分野のシミュレーションに使うスーパーコンピュータの性能を比較する際に用いられます。

命令ミックス

命令ミックスとは、様々な種類の命令の使用頻度を考慮して、コンピュータの性能を評価する手法で、MIPSやFLOPSよりも実態に近い指標を出そうとする手法です。

命令の種類によって実行速度が異なるので、命令の平均速度で性能を評価するのは、命令の使用頻度によって左右されますので、コンピュータの応用分野によって標準的な使用頻度を定めた命令ミックスを用いて性能を評価します。

科学記述計算用のギブソン・ミックスや、事務計算用のコマーシャル・ミックスなどがあります。

プロセッサの高速化技術

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プロセッサの代表的な高速化技術の種類,特徴を理解する。

用語例:命令パイプライン,スーパパイプライン,スーパスカラ,VLIW,ベクトル処理方式,ハイパスカラ方式,超並列プロセッサ,パイプラインハザード,データハザード,構造ハザード,制御ハザード,シングルコアプロセッサ,マルチコアプロセッサ,マルチスレッディング

パイプライン

 

例えば、化学工場の場合、数々の加工装置の間をパイプでつないで、次々と物質を加工していきます。それぞれの装置は同時に並行して動作することで、効率を向上させています。

コンピュータのパイプライン方式とは、一つの命令の実行が完了するのを待つことなく、「命令の読み込み」「命令の解読」「アドレスの決定」「データの読み込み」「命令の実行」「データの書き出し」などの細かな段階を、命令ごとに段階をずらして同時に並行して処理する方式です。CPUの内部でも、命令の段階で使っている機器は異なる(デコーダ、各種レジスタなどなど)ので、それを有効に活用しようとする技術です。

一つの命令の実行を段階1(S1)から段階5(S5)まで、パイプライン方式で同時並行処理すると、処理の進行は次のようになります。

この場合の性能は5倍になります。但し、命令の種類によっては段階の間に依存関係があって、完全な同時並行処理はできない場合もあります。

スーパーパイプライン

スーパーパイプライン方式は、一つの命令を実行する段階を細分化して、パイプライン処理を更に効率良く行う方法です。通常のパイプラインは4~5段階ですが、7~10段階程度の方式をスーパーパイプライン方式と呼びます。

但し、段階を増やせば、並列度は高まるが、1命令に要するクロック数はどうしても増えてしまうので、一概に段階数を増やせば良いというものでもありません。

スーパースカラ

スーパースカラ方式は、命令実行の同じ段階を同時並行処理ができる装置を複数揃える方式です。二つの装置を揃えた場合の処理の進行は以下のようになります。

この場合には、パイプライン方式に比べて、性能が2倍になります。

VLIW

超長命令語(Very Long Instruction Word:VLIW)は、複数の命令で構成されるビット数の多い命令語のことです。
超長命令語を処理できるコンピュータは、複数の命令を同時並行処理して性能を向上させます。

プログラム言語のコンパイラが、依存関係を持たないことを保証できる命令語群にできる部分を見抜いて、超長命令語に変換します。この考え方は、コンパイラの性能向上に寄与しており、より効率の良い機械語への変換を行えるようになっています。

並列処理

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

代表的な並列処理方式の種類,特徴を理解する。

用語例:SISD,SIMD,MISD,MIMD

並列処理

並列処理とは、一つの処理を複数のプロセッサで並行して行うことです。並列処理の目的は処理効率を向上させることです。
サーバーコンピュータやそれよりも上位のコンピュータでは並列処理(マルチプロセッサ処理)はよく利用されています。

単一の処理のことをSISDといい、並列処理には SIMD、MISD、MIMDという種類があります。

  • SISD: Single Instruction Single Data
  • SIMD: Single Instruction Multiple Data
  • MISD: Multiple Instruction Single Data
  • MIMD: Multiple Instruction Multiple Data

SISD

SISD(Single Instruction Single Data)は、通常の単一の処理であり、一つの命令を一つのプロセッサで実行して、一つのデータを処理することです。

SIMD

SIMD(Single Instruction Multiple Data)は、一つの命令を複数のプロセッサで実行して、複数のデータを並行処理することです。

MISD

MISD(Multiple Instruction Single Data)は、複数の命令を複数のプロセッサで実行して、一つのデータを並行処理することです。

MIMD

MIMD(Multiple Instruction Multiple Data)は、複数の命令を複数のプロセッサで実行して、複数のデータを並行処理することです。

並列処理の隘路

並列化できないため逐次処理にならざるを得ない処理として,複数のプロセッサからの主記憶装置の使用要求の競合,データベースへの同時アクセスによるロックの発生などがあります。

これらの処理によっては、並列処理を行なっても処理能力の向上が図りにくい場合もあります。

マルチプロセッサシステム

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

複数のプロセッサを搭載し,高速化や高信頼化を実現したシステムについて,種類,特徴,仕組み,マルチプロセッサシステムを適切に組み合わせた基盤設計を理解する。

用語例:疎結合マルチプロセッサシステム,密結合マルチプロセッサシステム,タンデム結合マルチプロセッサシステム,アレイコンピュータシステム,アムダールの法則,同期, SMP(Symmetric Multi Processing:対称型マルチプロセッシング),クラスタ,トーラス,ハイパキューブ,ハイパツリー

マルチプロセッサシステム

 

マルチプロセッサシステムは、複数のプロセッサを有する単一のコンピュータシステムです。マルチプロセッサシステムの目的は処理能力の向上や可用性の向上です。

可用性

システムの一部に障がいが発生しても、使い続けることの出来る性質。

処理効率の向上も重要な要素ですが、24時間365日稼動のシステムを構築するにあたっては、可用性の確保のためにマルチプロセッサシステムが取られていることが多くあります。

マルチプロセッサシステムには、疎結合マルチプロセッサ、密結合マルチプロセッサ、クラスタなどの種類があります。

疎結合マルチプロセッサシステム

疎結合マルチプロセッサシステムは、複数のプロセッサが通信回線を経由してデータを共有する、マルチプロセッサシステムです。

プロセッサ同士の余分な影響が少ないことや、普通のコンピュータの組合せで実現できるのが利点です。

通信回線を経由するので処理効率は劣りますが、ローカルエリアネットワークの高速化によって処理能力が向上しています。

密結合マルチプロセッサシステム

密結合マルチプロセッサシステムは、複数のプロセッサが主記憶装置を共有するマルチプロセッサシステムです。複数のプロセッサは共通バスを経由して接続されます。

始めからマルチプロセッサシステムとして設計する必要があり、プロセッサ間の独立性も低いですが、バス接続なので処理効率が良いのが特徴です。

クラスタ

クラスタは、一つのシステムとして処理を実行するひとまとまりの複数のコンピュータ群です。

疎結合マルチプロセッサや密結合マルチプロセッサはプロセッサ同士が対称的な構成ですが、クラスタは対称性は問われません。

この技術の一つの発展形が、最近のトレンドである『クラウドコンピューティング』であり『グリッドコンピューティング』です。

機能分散の意味合いを持たせる場合もあり、可用性の向上、負荷分散を狙ったものなど、色々なケースがある。単に複数のコンピュータを連携させて、一台の高性能なコンピュータであるかのように動かす、というのがクラスタ構成のポイントです。

メモリ

情報処理技術者試験での学習内容

【応用情報・基本情報】
・メモリの種類,特徴,メモリ選択の考え方を修得し,応用する。
・主記憶装置の構成,メモリシステムの構成,記憶階層など,記憶装置の仕組みを修得し,応用する。
・記録媒体の種類,特徴を修得し,応用する。

【ITパスポート】
・メモリの種類と特徴を理解する。
・記録媒体の種類と特徴を理解する。

(1)メモリの種類と特徴 ITパスポート 基本情報 応用情報

半導体の記憶回路,磁気記憶,光記憶を用いたメモリなどの種類があること,半導体メモリ(IC メモリ)の種類,特徴(揮発性,不揮発性,アクセス速度,容量,コスト,物理サイズなど),代表的な用途,システム設計におけるメモリの選択の考え方を理解する。

用語例:RAM,ROM,DRAM,SRAM,リフレッシュ,マスクROM,PROM(Programmable Read Only Memory ), EPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory ), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory),フラッシュメモリ,SDRAM(DDR2 SDRAM,DDR3 SDRAM)

(2)主記憶装置の構成 基本情報 応用情報

主記憶装置の構成,主記憶装置内のデータがアクセスされるアドレス選択動作,アクセス動作などの手順を理解する。

用語例:記憶部,アドレス選択機構,読取り書込み機構,ECC(誤り検出訂正),パリティ

(3)メモリシステムの構成と記憶階層 ITパスポート 基本情報 応用情報

記憶階層の構成,キャッシュメモリからデータを主記憶に書き出す方式の種類と特徴を理解する。また,キャッシュメモリからデータを主記憶に書き出す方式を理解する。

用語例:補助記憶,ディスクキャッシュ,ライトスルー,ライトバック,ダイレクト方式,フルアソシエイティブ方式,セットアソシエイティブ方式,連想メモリ,命令キャッシュ,データキャッシュ

(4)アクセス方式 基本情報 応用情報

主記憶装置を高速化するメモリインタリーブ方式を理解する。

用語例:バンク

(5)メモリの容量と性能 基本情報 応用情報

アクセス時間とサイクル時間,キャッシュメモリのヒット率,ミス率,実効アクセス時間,ミスペナルティなど,メモリの容量と性能の関係を理解する。

(6)記録媒体の種類と特徴 ITパスポート 基本情報 応用情報

取り外しできる記録媒体(リムーバブルメディア)の種類,記録容量,可搬性,利用法,用途などの特徴を理解する。

用語例:読出し専用型,追記型,書換型,ハードディスク,SSD(ソリッドステートドライブ),光ディスク,CD(CD-ROM,CD-R),DVD(DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-R),ブルーレイディスク,光磁気ディスク,MO,半導体ディスク,フラッシュメモリ(USB メモリ,SD カード),ストリーマ,DAT,RAM ファイル

 

メモリの種類と特徴

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

半導体の記憶回路,磁気記憶,光記憶を用いたメモリなどの種類があること,半導体メモリ(IC メモリ)の種類,特徴(揮発性,不揮発性,アクセス速度,容量,コスト,物理サイズなど),代表的な用途,システム設計におけるメモリの選択の考え方を理解する。

用語例:RAM,ROM,DRAM,SRAM,リフレッシュ,マスクROM,PROM(Programmable Read Only Memory ), EPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory ), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory),フラッシュメモリ,SDRAM(DDR2 SDRAM,DDR3 SDRAM)

半導体メモリ

半導体メモリとは、半導体素子によって構成されるメモリです。半導体メモリは物理的な動作を必要とするメモリ(*)と比べて高速で耐震性に優れています。

半導体メモリは、RAM(Random Access Memory)とROM(Read Only Memory)の二種類があります。

*物理的な動作を必要とするメモリとは、例えばハードディスクなど、モーター等の動作部品がある記憶媒体のこと。

RAM

RAM(Random Access Memory)とは、自由にデータの読み書きを出来ることの出来るメモリです。電源を切ると記憶していた内容が消えてしまう「揮発性」という特徴があります。

RAMにはDRAM(Dynamic Random Access Memory)とSRAM(Static Random Access Memory)があります。

DRAMとSRAM

キャッシュメモリにはDRAMより高速なSRAMが使われます。SRAMは再書き込みをしなくても、通電している限りデータを保持できるメモリです。

 SRAMDRAM
特徴フリップフロップ回路を用いてデータを記憶するコンデンサの電荷のある無しでデータを記憶する
主な用途キャッシュメモリメインメモリ
記憶容量小容量大容量
ビットあたりのコスト高コスト低コスト
再読み込み
(リフレッシュ)
不要必要
消費電力小さい大きい
DRAMとSRAMの比較

名称特徴
ファーストページDRAM高速なデータ転送機能を持つ
EDODRAMファーストページDRAMの読み出し効率を向上させた
SDRAMSynchronous Dynamic Random Access Memory
クロック周波数に同期して高速読み出しを行う
DDR-SDRAMDDR:Double Data Rate の略で、SDRAMの2倍の速度
近年では、さらに高速化して、DDR2(SDRAMの4倍)、DDR3(8倍)、DDR4(16倍)といった規格も出ていている。
DRAMの種類

ROM

ROM(Read Only Memory)は、記録されている情報を読み出すことだけが可能なメモリです。

書き込みができる種類もありますが、RAMと比較して随時書き込みできないものはROMに分類されています。ROMには以下のような種類があります。

名称書き込み消去特徴
マスクROM製造時にデータが書き込まれ、その後は書き換え不可。
EPROMErasable Programmable Read Only Memory
紫外線照射で全消去可能。UV-EPROMという場合もある。
EEPROMElectrically Erasable Programmable Read Only Memory
電圧をかけて部分的に消去することが可能。
フラッシュメモリ電圧をかけて全消去、ブロック単位での消去が可能。
USBメモリやSDカード、SSDなどはこのタイプの記憶媒体。

主記憶装置の構成

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

主記憶装置の構成,主記憶装置内のデータがアクセスされるアドレス選択動作,アクセス動作などの手順を理解する。

用語例:記憶部,アドレス選択機構,読取り書込み機構,ECC(誤り検出訂正),パリティ

記憶装置

記憶装置とは、コンピュータが扱うデータやプログラムを記憶しておく装置です。

記憶装置のうち、システムバスを通じてCPUと直接データをやり取りするものを主記憶装置といい、主記憶装置とデータをやり取りするものを補助記憶装置といいます。

いわゆる「メモリ」と呼ばれるものは主記憶装置の方を指します。

主記憶装置

主記憶装置は、システムバスを通じてCPUと直接やり取りをし、CPUでのプログラム処理に必要なプログラムやデータを渡す働きをします。

主記憶装置には、データを電気信号として記憶する半導体を使ったDRAMというLSIチップが用いられます。DRAMはデータ容量あたりのコストが低く、大容量のメモリを構成できるという特徴があります。一方で、放電によってデータが消える性質(揮発性)であるため、データを保持し続けるためには、定期的な再書き込み(リフレッシュ)の動作が必要になります。

パソコンの主記憶装置には、DDR-SDRAMがよく用いられています。

主記憶装置の構成

主記憶装置は、記憶部、アドレス選択機構、読み取り書き込み機構から構成されています。

補助記憶装置

大量のデータを長期間記録するための記憶装置を、補助記憶装置といいます。

補助記憶装置にはOokuno種類があり、ハードディスクやSSD、CD、DVD、USBメモリなどが、用途に応じて使い分けられています。

主記憶装置は、CPUから要求されたデータが自身のもとになければ、補助記憶装置からそのデータを読み込み、CPUに渡します。

キャッシュメモリ

CPUのデータ処理速度に比べると、CPUと主記憶装置間のデータ転送は遅いので、主記憶装置とのやり取りの際にCPUが待たされることがあります。

この速度差を縮めるための仕組みとして、主記憶装置とは別にCPU内に高速な緩衝用のメモリを置きます。これをキャッシュメモリといいます。

キャッシュメモリは複数設置することが多く、CPUがアクセスする順番によって、1次キャッシュ、2次キャッシュなどと呼び分けます。CPUがメモリにアクセスするときには、1次キャッシュ→2次キャッシュ→主記憶装置、という順序で行われます。

キャッシュメモリは読み込みだけでなく書き込みもできます。書き込みには、主記憶装置に反映させるタイミングによってライトスルー方式とライトバック方式の二つの方式があります。

ライトスルー

ライトスルー方式は、キャッシュメモリにデータの書き込み命令が実行された時に、キャッシュメモリと主記憶装置の両方を同時に書き換える方式です。

キャッシュメモリと主記憶装置に同じデータを同時に書き込むためトラブルには強いですが、主記憶装置の処理速度に合わせるため、全体の処理速度は下がります。

ライトバック

ライトバック方式は、データの書き込み命令が実行された時にキャッシュメモリだけ書き換える方式です。キャッシュメモリのブロックを入れ替える時に主記憶装置の書き換えを行います。

キャッシュメモリにだけ書き込むので高速に処理が可能ですが、主記憶装置の書き換えが行われるまで、キャッシュメモリのデータが反映されないため、トラブルに弱く整合性に欠けるという問題もあります。

 

メモリシステムの構成と記憶階層

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

記憶階層の構成,キャッシュメモリからデータを主記憶に書き出す方式の種類と特徴を理解する。また,キャッシュメモリからデータを主記憶に書き出す方式を理解する。

用語例:補助記憶,ディスクキャッシュ,ライトスルー,ライトバック,ダイレクト方式,フルアソシエイティブ方式,セットアソシエイティブ方式,連想メモリ,命令キャッシュ,データキャッシュ

記憶階層

コンピュータの各種の記憶装置は、CPUから補助記憶装置まで、次のような階層構造を持ちます。このことを記憶階層といいます。

高速で小容量のレジスタから、低速で大容量の補助記憶媒体まで、順序よく階層にすることによって高速性と大容量とを両立させます。

ディスクキャッシュ

ディスクキャッシュは、主記憶装置と補助記憶媒体との間に、高速なメモリを置いて高速化する技術、又はそのための半導体メモリのことです。

使用頻度の高いデータを高速なメモリに置けば、いちいち補助記憶媒体からデータを読み込む必要が無いので、速度が向上します。

アクセス方式

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

主記憶装置を高速化するメモリインタリーブ方式を理解する。

用語例:バンク

主記憶装置の容量

主記憶装置は容量が大きいほど一度に多くのデータを保持しておけるので、CPUから要求されたデータを補助記憶装置に読みに行く回数が減り、全体の処理が速くなります。

パソコンの主記憶装置では、数Gバイト程度の容量が主流です。

主記憶装置の容量は、LSIチップを搭載したメモリモジュールを追加したり交換したりすることによって拡張できます。

メモリモジュールの種類には、デスクトップパソコン向けのDIMMや、ノートパソコン向けの小型のSODIMMなどがあります。

*DIMM:Dual Inline Memory Module
 SODIMM:Small Outline DIMM

メモリインタリーブ

メモリインタリーブは、CPUと主記憶装置との間のデータ転送を高速化する方法です。

主記憶装置を複数のメモリバンクという区分に分割し、CPUからのデータ転送要求を複数のメモリバンクへ並行して発行します。それによって、CPUの待ち時間が減って高速になります。

メモリの容量と性能

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

アクセス時間とサイクル時間,キャッシュメモリのヒット率,ミス率,実効アクセス時間,ミスペナルティなど,メモリの容量と性能の関係を理解する。

アクセス時間とサイクル時間

CPUが主記憶装置へアクセスする詳細な手順は次のとおりです。

  1. アクセス要求
  2. アドレス選択
  3. データ転送
  4. リフレッシュ(DRAMの場合)

アクセス時間は、アクセス要求を始めてからデータ転送が終わるまでの時間です。

サイクル時間は、アクセス要求を始めてから、次のアクセス要求を始められるまでの時間です。

キャッシュメモリのヒット率

キャッシュメモリのヒット率は、CPUが要求するデータがキャッシュメモリに存在する確率です。キャッシュメモリにデータが存在しない場合は、主記憶装置にアクセスする必要があります。ヒット率が高いほど、処理は高速になります。

実効アクセス時間

実効アクセス時間は、キャッシュメモリの効果を踏まえた主記憶装置へのアクセス時間です。以下の式で求められます。

この式は、キャッシュにあった場合のアクセス時間と、主記憶にあった場合の平均を取るための式となっています。

実効アクセス時間の計算例

キャッシュメモリのアクセス時間: 10ナノ秒
主記憶装置のアクセス時間: 60ナノ秒
ヒット率: 70%

実効アクセス時間= 10  × 0.7 + 60 × ( 1-0.7 )
  =7 +18
  =25(ナノ秒)

 

記録媒体の種類と特徴

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

取り外しできる記録媒体(リムーバブルメディア)の種類,記録容量,可搬性,利用法,用途などの特徴を理解する。

用語例:読出し専用型,追記型,書換型,ハードディスク,SSD(ソリッドステートドライブ),光ディスク,CD(CD-ROM,CD-R),DVD(DVD-ROM,DVD-RAM,DVD-R),ブルーレイディスク,光磁気ディスク,MO,半導体ディスク,フラッシュメモリ(USB メモリ,SD カード),ストリーマ,DAT,RAM ファイル

メモリを使った補助記憶装置

小型で持ち運びしやすい補助記憶装置には、SDカードやUSBメモリスティックなどがあります。

これらには、電源を切っても内容が消えない半導体メモリである、フラッシュメモリが使われているのでアクセスが高速です。

容量は数十MBのものから、数百GBのものもあります。

光ディスク

光ディスクは樹脂やアルミの円盤の表面のピットと呼ばれる穴を記録情報として、レーザー光を用いてデータを書き込み、読み出しする補助記憶媒体です。

名称特徴容量
CD-ROMCD-Read Only Memory
読み出し専用の光ディスク
650~700Mバイト
CD-RCD-Recordable
追記は出来るが書き換えはできない
650~700Mバイト
CD-RWCD-Re Writable
書き換えが可能
650~700Mバイト
DVD記録密度が高く大容量な光ディスク。片面記録や両面記録、2層記録など様々な方式がある。
読み出し専用のDVD-ROM、追記型のDVD-R、書き換え可能なDVD-RAM等がある。
数Gバイト
規格により異なる
ブルーレイ波長の短い青紫色のレーザーを使うことで記録密度を向上した光ディスク。片面1層で約25GB
両面2層で約50GB

 

磁気テープ

磁気テープは、粉末状の磁性体をテープ状のフィルムに塗布した記録媒体です。磁化の変化により情報を書き込み、読み出しする磁気記録媒体の一種です。

テープを巻き取るという構造上、アクセスは低速で、順読み出ししか出来ません。しかし数十~数百Gバイトなどの容量があり、単価が安いので、データのバックアップ用に使われます。

ストリーマ

磁気テープを記憶媒体とする補助記憶装置を、磁気テープ装置あるいはストリーマといいます。ストリーマはデータを次々と転送するストリーミング方式を用いるという意味の名称です。

磁気テープを扱う補助記憶装置には、音楽カセット用のDATの技術を用いたDDSなどがあります。

 

バス(概要)

情報処理技術者試験での学習内容

【応用情報】
・バスの種類,特徴,制御方式,標準規格を修得し,応用する。

【基本情報】
・バスの種類,特徴,構成のあらましを理解する。

(1)バスの種類と特徴 基本情報 応用情報

コンピュータ内部でデータをやり取りするための伝送路であるバスの種類,特徴,内部バス(CPU 内部バス),外部バス,拡張バスなどの分類,転送方式を理解する。

用語例:アドレスバス,データバス,コントロールバス(制御バス),システムバス,メモリバス,入出力バス,シリアルバス,パラレルバス

(2)バスのシステムの構成 基本情報 応用情報

バスのシステムの構成には,命令の読込みとデータのアクセスを分離したハーバードアーキテクチャ,両者を分離せず同一のバスでアクセスするプリンストンアーキテクチャがあること,アーキテクチャごとの特徴を理解する。

(3)バスの制御方式 応用情報

複数の装置がバスを共有している場合に,どの装置がバスを使用するかを決めるバスの制御方式や,具体的な動作を理解する。

用語例:バスアービタ,バスマスタ,集中制御方式,割込み方式,ポーリング方式

(4)バスのアクセスモード 応用情報

外部データバス幅を制御するモードであるバスのアクセスモード,その動作,モードを指定することによって,バス幅を指定できることを理解する。

(5)バスの容量と性能 基本情報 応用情報

バス幅を意味するバスの容量,クロック周波数を意味するバスの性能,バスのスループットの計算方法を理解する。

(6)バスの標準規格  応用情報

バスの標準規格の種類と特徴を理解する。

用語例:PCI(Peripheral Component Interconnect)バス,PCI Express,IEEE 1394,ANSI-X3.131(SCSI),USB(Universal Serial Bus)

バスの種類と特徴

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

コンピュータ内部でデータをやり取りするための伝送路であるバスの種類,特徴,内部バス(CPU 内部バス),外部バス,拡張バスなどの分類,転送方式を理解する。

用語例:アドレスバス,データバス,コントロールバス(制御バス),システムバス,メモリバス,入出力バス,シリアルバス,パラレルバス

バス

CPUや主記憶装置などの内部装置は、データをやり取りするための伝送路で結ばれています。この伝送路をバスといいます。

バスが一度に送信できるビット数をバス幅といいます。

CPUが内部でデータを伝送するバスを内部バスといいます。内部バスには16ビット、32ビット、64ビットなどのバス幅があり、パソコンでは32ビットバスが主流でしたが、近年は64ビットバスもかなり普及しています。

内部バスに対し、主記憶装置などマザーボード上の各装置を結ぶバスを、外部バス(システムバス)といいます。

アドレスバス

アドレスバスは、CPUがアクセスしたいデータのアドレスを主記憶装置に伝えるためのバスです。アドレスバスのバス幅が広いほど、大きなサイズの主記憶装置のアドレスを扱えます。

16ビットなら 216 = 65536のアドレス、32ビットなら232 = 4,294,967,296(約4G)のアドレス、64ビットなら 264≒約1,800京(約16E)のアドレスを扱うことが出来ます。

但し、64ビットの場合、理論上は16エクサのアドレスを扱うことが出来るが、あまりにも膨大すぎるので、パソコンなどでは数テラバイトまでとしている事が多い、(1エクサ=10億ギガ)

データバス

データバスはCPUが主記憶装置とデータをやり取りするためのバスです。データバスのバス幅が広いほど、一度に多くのビット数のデータをやり取りできます。

コントロールバス

コントロールバスは制御バスともいい、CPUと周辺機器などの間に、タイミング調整などの信号をやり取りするためのバスです。

バスのシステムの構成

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

バスのシステムの構成には,命令の読込みとデータのアクセスを分離したハーバードアーキテクチャ,両者を分離せず同一のバスでアクセスするプリンストンアーキテクチャがあること,アーキテクチャごとの特徴を理解する。

バスのシステムの構成

バスは3つ以上の装置が、バス(交通)の停留所を用いて乗り合いするように接続する伝送路です。他の結線方法に比べて単純なのが特徴です。

速度の遅い入出力装置のバスを、高速な装置用のバスと階層構造にする方法もあります。

ノイマンアーキテクチャとハーバードアーキテクチャ

ノイマンアーキテクチャは主記憶に命令もデータも格納する方式です。Pentiumなどの多くのCPUはこの方式です。

プログラムを記憶するメモリとデータを記憶するメモリを別にした構成をハーバードアーキテクチャといい、マイコンなどで使われる方式です。命令とデータに同時にアクセスできるので、高速化に向いています。

最近の高性能CPUチップでは両方の長所を活かした設計が利用されているものもあります。

バスの容量と性能

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

バス幅を意味するバスの容量,クロック周波数を意味するバスの性能,バスのスループットの計算方法を理解する。

バス幅とクロック周波数

バスが1クロックで送信できるビット数をバス幅といいます。バス幅には8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどがあります。バス幅が大きいほど性能が良くなります。
また、バスのクロック周波数が高いほど性能が良くなります。

これらのバスの性能と、CPUの性能(MIPS値やFLOPS値)によって、CPUとバスを接続した時の性能が決まります。

バスのアクセスモード

1ビットずつ順番に伝送するバスを、シリアルバスといいます。
対して、複数ビットを1度に伝送するバスをパラレルパスといいます。(伝送路の本数の違いではないので注意)

一見、パラレルバスのほうが高性能に思えますが、パラレルバスの場合、並行する通信路の干渉などの問題があり、そういった問題のないシリアルバスのほうが高性能であることが多いです。

特に通信路同士の干渉は、伝送距離が長くなるほど影響を受けやすくなります。そのため、物理的に距離の短いPCI等のコンピュータ内部のバスにはパラレルバスがよく用いられ、外部との接続に使うLANやUSBなどにはシリアルバスが採用されている。

なお、シリアルバスだからといって伝送路が1本というわけではなく、複数の伝送路で並行して別々の情報を伝送するタイプのシリアルバスもあります。

  • 並列で個別の異なる情報を流す:シリアルバス
  • 複数の伝送路でまとめて一つのデータを流す:パラレルバス

 

入出力デバイス

情報処理技術者試験での学習内容

【応用情報・基本情報】
・入出力インタフェースの種類,特徴を修得し,応用する。
・ デバイスドライバの役割,機能を修得し,応用する。

【ITパスポート】
・入出力インタフェースの種類と特徴を理解する。

(1)入出力インタフェース

1.入出力インタフェースの種類と特徴 ITパスポート 基本情報 応用情報

入出力インタフェースの種類,転送方式,伝送速度,接続可能台数,用途などの特徴を理解する。

用語例:USB,RS-232C,IEEE 1394,SCSI,HDMI,PC カード,シリアルATA, Bluetooth,ZigBee,IrDA,NFC,FC(ファイバチャネル)

2.データ転送の方式と接続形態 基本情報 応用情報

シリアルデータ転送方式とパラレルデータ転送方式や,周辺装置を接続する際の接続形態(トポロジ)の種類,特徴,使用される機器を理解する。

用語例:アナログ,ディジタル,スター接続,カスケード接続,ハブ,デイジーチェーン接続,ターミネータ,ツリー接続

3.入出力制御の方式 基本情報 応用情報

CPU を介さない転送方式であるDMA 方式やチャネル制御方式を理解する。また,入出力割込みが果たす役割を理解する。

用語例:プログラム制御方式,DMA(Direct Memory Access:直接記憶アクセス)方式,チャネルコマンド,光チャネル,オフラインシーク,オフラインサーチ,超高速チャネル,拡張チャネルシステム

4.チャネルの種類と特徴 応用情報

チャネルの種類,特徴,動作モードを理解する。

用語例:マルチプレクサモード,バーストモード

(2)デバイスドライバ 基本情報 応用情報

デバイスドライバの役割,プラグアンドプレイ,ホットプラグの機能,デバイスとの同期を理解する。

入出力インタフェースの種類と特徴

この記事での学習内容 ITパスポート 基本情報 応用情報

  • 入出力インタフェースの種類,転送方式,伝送速度,接続可能台数,用途などの特徴を理解する。
  • シリアルデータ転送方式とパラレルデータ転送方式や,周辺装置を接続する際の接続形態(トポロジ)の種類,特徴,使用される機器を理解する。

 

用語例:USB,RS-232C,IEEE 1394,SCSI,HDMI,PC カード,シリアルATA, Bluetooth,ZigBee,IrDA,NFC,FC(ファイバチャネル)、アナログ,ディジタル,スター接続,カスケード接続,ハブ,デイジーチェーン接続,ターミネータ,ツリー接続

入出力インタフェース

入出力インタフェースとは、コンピュータに周辺機器を接続するためのコネクタやケーブルの形状、伝送に用いる通信規格などを指します。

インタフェースは、コンピュータ本体と周辺装置との通信を整える働きをする部分で、データの転送方式には、シリアル方式のインタフェースと、パラレル方式のインタフェースとがあります。

シリアルインタフェース

1本の信号線を使って1ビットずつ順番にデータを転送する方式です。一度に転送するデータの量は少ないですが、ケーブルやコネクタの構造を単純化出来るので、高い動作周波数での転送速度を上げることが出来ます。

例:USB、LANケーブル、シリアルATA

パラレルインタフェース

複数の信号線を束ねたケーブルで、複数のビットを同時に転送する方式です。一度に転送するデータが多いので、動作周波数が低くてもデータを転送できます。しかし、シリアルインタフェースに比べ仕組みが複雑になること、ケーブルが太く、伝送距離が短いなどの短所もあります。

例:SCSIケーブル、IDE、パラレルケーブル

通信速度

データ通信の速度は「ビット/秒」(bps:bits per second)を単位として表します。「ビット/秒」は1秒間に転送できるデータ量をビット単位で表したものです。

1bpsは、1秒間に1ビットのデータを送ることが出来る速さです。

USB

USBはコンピュータ用の入出力インタフェースとして広く使われている規格です。現在主流であるUSB2.0規格は最高480Mbpsの高速通信が可能です。

USB2.0には3つの転送モードがあり、高速性の求められる外付けハードディスクなどには、480Mbpsのハイスピードモード、プリンタやスキャナなどには12Mbpsのフルスピードモード、低速なキーボードやマウスなどには1.5Mbpsのロースピードモードが使用されています。
*一見、フルスピードモードが最も速いように思えますが、12Mbps=フルスピードモードなのは、旧規格のUSB1.1の規格の名残で、USB1.1の最高速度が12Mbpsであったため。

なお、最近では、転送速度が5Gbpsとさらに高速なUSB3.0という規格も登場し、外付けハードディスクなど対応商品も出てきています。

USB普及の背景

USBが広く使われるのは、プラグ・アンド・プレイやホットプラグインに対応するインタフェースであることも理由の一つです。
ホットプラグインとはコンピュータの電源を入れたままでケーブルの抜き差しができる機能です。
プラグ・アンド・プレイは、接続した周辺機器をOSが自動認識する機能です。

また、USBケーブルを介して周辺機器の電源がコンピュータ側から供給される「バスパワー」にも対応するため、消費電力の小さい機器なら、電源ケーブルを使わずにコンピュータからUSB経由で電源供給を受けて稼働できます。

USBハブ

USBハブを用いると、一つのUSBポートにコンピュータやハブを含めて最大127台までの機器を階層的なツリー型に接続できます。

コンピュータと周辺機器、USBケーブル、USBハブのうち、USB1.1のみに対応する機器が一つでもあれば、USB1.1の最高速度である12Mbpsでしか通信できなくなるため、USB接続する機器の選定には注意が必要です。

IEEE1394

IEEE1394は転送速度が100Mbps以上という高速なシリアルインタフェースで、主にデジタルビデオカメラなどで採用されています。「FireWire」や「i.Link」という名称で商標登録しているメーカーもあります。

最大63台の機器をデイジーチェーン接続(数珠つなぎ)でき、周辺装置同士を直結することもできます。

その他の主なインタフェース

コンピュータに使われる入出力インタフェースには、次のようなものがあります。

名称接続方法特徴
RS-232Cシリアル従来からモデム、TAなどの接続に用いられてきた低速なインタフェース。
セントロニクスパラレル従来からプリンタなどとの接続に用いられてきたインタフェース。
現在はIEEE1284として規格化されている。
SCSIパラレル従来からスキャナや外付けのハードディスクなどに用いられてきたインタフェース。
最大7台までデイジーチェーン接続が可能。
IDE/E-IDEパラレル内蔵ハードディスク、CD-ROMなどを内部で接続するためのインタフェース。
別名でATA、ATAPIともいう。
シリアルATAシリアルIDE/E-IDEの後継として位置づけられる磁気ディスクの高速インタフェース。
ケーブルが細く延長距離も長いため接続がしやすい。
最大転送速度が150MB/秒などと高速である。
IrDA赤外線赤外線による無線通信インタフェース。
最大4Mbpsの通信速度があるが、通信距離が1m程度と短く、機器を向き合わせる必要がある。
PDAとコンピュータ間や携帯電話同士のデータ交換などに使われる。
Bluetooth電波2.4GHz帯の電波を利用する無線通信インタフェース。
半径10m以内で最大3Mbpsの通信速度がある。
赤外線を利用するIrDAと違い、機器間に障害物があっても通信できる。

デバイスドライバと入出力制御

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

  • デバイスドライバの役割,プラグアンドプレイ,ホットプラグの機能,デバイスとの同期を理解する。
  • CPU を介さない転送方式であるDMA 方式やチャネル制御方式を理解する。また,入出力割込みが果たす役割を理解する。

用語例:プログラム制御方式,DMA(Direct Memory Access:直接記憶アクセス)方式,チャネルコマンド,光チャネル,オフラインシーク,オフラインサーチ,超高速チャネル,拡張チャネルシステム

デバイスドライバ

デバイスドライバは周辺機器の動作をコントロールするソフトウェアです。OSと周辺機器の仲立ちをし、メーカーや機種の違いによる機器の制御方法の差を吸収するものです。

コンピュータに周辺機器を接続して正常に稼働させるためには、その装置に付属するデバイスドライバをコンピュータにインストールする必要があります。

入出力制御の方式

入出力制御の方式には、CPUを介さないDMA方式、チャネル制御方式、プログラム制御方式などがあります。

プログラム制御方式

CPUがプログラムを実行する中で、CPUが入出力装置と主記憶装置との間のデータ転送を行う方式です。低速の入出力装置が動作する間、CPUが待っているので処理効率が落ちます。

DMA方式(Direct Memory Access:直接記憶アクセス)

DMA方式とは、CPUを介さずに入出力装置が主記憶装置との間のデータ転送を行う方式です。DMA方式によってCPUの待ち時間を減らすことができます。この方式の場合、CPUからの入出力の指示は主記憶装置に対して行われます。

なお、別途DMAコントローラという装置が必要です。

チャネル制御方式

チャネル制御方式とは、チャネル装置が入出力装置と主記憶装置との間のデータの転送を行う方式です。この方式の場合、CPUからの入出力の指示はチャネルに対して行われます。

CPUとチャネルが並行処理をすることによって、CPUの待ち時間を減らすことができます。

 

入出力装置

情報処理技術者試験での学習内容

【応用情報・基本情報】
・代表的な入出力装置の種類,特徴,仕組み,用途を修得し,応用する。
・代表的な補助記憶装置の種類,特徴,仕組み,用途を修得し,応用する。

(1)入力装置 基本情報 応用情報

代表的な入力装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。

用語例:ポインティングデバイス(マウス,タッチパネル,タッチスクリーン,ジョイスティック,トラックボール,デジタイザ,ペンタブレットほか),キーボード,音声入力装置,画像入力装置(スキャナ,OCR,OMR,ディジタルカメラほか),生体認証装置,バーコード読取装置,磁気カード読取装置,IC カード読取装置,A/D コンバータ

 

(2)出力装置 基本情報 応用情報

代表的な表示装置や出力装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。また,画像のデータ容量などに関連する計算方法を理解する。

用語例:CRT ディスプレイ,液晶ディスプレイ,TFT 液晶,STN 液晶,有機EL ディスプレイ,プラズマディスプレイ,インタレースモード,ノンインタレースモード,テキストモード,グラフィックスモード,パックトピクセル方式,プレナピクセル方式,VGA,SVGA,XGA,電子ペーパ,インパクトプリンタ,ノンインパクトプリンタ,シリアルプリンタ,ラインプリンタ,ページプリンタ,レーザプリンタ,インクジェットプリンタ,3D プリンタ,プロッタ,D/A コンバータ,プロジェクタ,音声出力装置

(3)補助記憶装置 基本情報 応用情報

代表的な補助記憶装置や記憶媒体の種類,特徴,仕組み,用途,装置の諸元に基づく記憶容量や,平均アクセス時間の計算方法を理解する。

用語例:ハードディスク装置,SSD(ソリッドステートドライブ),SD/SDHC/SDXC カード,CD-R/RW ドライブ,ブルーレイドライブ,DVD-R/RW ドライブ,磁気テープ装置,トラック,シリンダ,ブロック化因数,IBG(Interblock Gap:ブロック間隔),セクタ,トラック密度,スピンドル,アクセスアーム,磁気ヘッド,固定ディスク,デフラグメンテーション,シークタイム,サーチタイム,データ転送時間,データ転送速度,ボリューム,ボリュームラベル,見出しラベル,後書きラベル,ディスクアレイ,RAID

(4)その他の入出力装置 基本情報 応用情報

代表的な通信制御装置,駆動装置,撮像装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。

用語例:有線LAN インタフェースカード,無線LAN インタフェースカード

入力装置

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

代表的な入力装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。

用語例:ポインティングデバイス(マウス,タッチパネル,タッチスクリーン,ジョイスティック,トラックボール,デジタイザ,ペンタブレットほか),キーボード,音声入力装置,画像入力装置(スキャナ,OCR,OMR,ディジタルカメラほか),生体認証装置,バーコード読取装置,磁気カード読取装置,IC カード読取装置,A/D コンバータ

代表的な入力装置

入力装置では、文字を入力するためのキーボードが代表的です。

その他の入力装置には、マウス、ペンタブレット、タッチパネルなどがあります。

マウスやペンタブレットなど、カーソルを移動して画面上の位置情報をクリックして指示入力できる装置を総称して「ポインティングデバイス」といいます。

画像を読み取る入力装置

イメージスキャナ
印刷物や手書きの絵を静止画像データとしてPCに読み込むことができます。
バーコードリーダ
バーコードを読み取り、数値や文字のデータに置き換えて処理することができます。小売店のPOSシステムなどで広く利用されています。
OCR
OCR(Optical Character Reader:光学文字読取装置)は、画像データを走査して、記憶してある文字とパターン認識して、手書きの文字や印字された文字を入力する装置です。
OMR
OMR(Optical Mark Reader:光学マーク読取装置)は、画像データを走査して、比較的単純な記号を認識して入力する装置です。いわゆる「マークシート」の読取り装置です。
キーボードの代わりに筆記具で記入し、OCRよりも正確に認識できるので、各種試験やアンケート用紙にコンピュータ処理に用いられます。
デジタイザ
デジタイザとは、画面上の位置を指示するためのペン型、あるいはマウス型の装置と、位置を検出するための板状の装置を組合せた入力装置で、ペンタブレットはデジタイザの一種です。
手書きの作業をそのままコンピュータに入力するのに用います。

出力装置

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

代表的な表示装置や出力装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。また,画像のデータ容量などに関連する計算方法を理解する。

用語例:CRT ディスプレイ,液晶ディスプレイ,TFT 液晶,STN 液晶,有機EL ディスプレイ,プラズマディスプレイ,インタレースモード,ノンインタレースモード,テキストモード,グラフィックスモード,パックトピクセル方式,プレナピクセル方式,VGA,SVGA,XGA,電子ペーパ,インパクトプリンタ,ノンインパクトプリンタ,シリアルプリンタ,ラインプリンタ,ページプリンタ,レーザプリンタ,インクジェットプリンタ,3D プリンタ,プロッタ,D/A コンバータ,プロジェクタ,音声出力装置

ディスプレイ

画像を表示するディスプレイとしては、以下の種類が代表的です。

液晶ディスプレイ
液晶を使ったディスプレイです。液晶自体は発光しないため、液晶に電圧をかけて光の透過を変え、バックライトなどをつけることで表示します。
プラズマディスプレイ
ガス放電による発光を利用したディスプレイです。阻止自体が発行するため視野角が大きく、薄型化・大型化しやすいですが、消費電力は大きく、価格は高めです。
有機ELディスプレイ
電圧をかけると発光する有機ELを使ったディスプレイです。バックライトが不要で消費電力が少なく、プラスチック等の曲がる基盤に作ることも可能です。
CRTディスプレイ
ブラウン管を使ったディスプレイです。コストが安く精細なカラー表示が可能ですが、設置面積が大きく、消費電力が大きいため、利用が減っています。

薄型で消費電力の少ない液晶ディスプレイは、パソコン用の画面装置として標準的に使われています。パソコン向けの液晶ディスプレイでは、精細なカラー表示が可能で応答速度も速いTFT型が主流です。

プリンタ

印刷用のプリンタとしては、以下の種類が代表的です。

インクジェットプリンタ
ノズルからインクを噴射して印字するプリンタです。印字音が静かで、小型・低価格でありながら高品質なため、オフィスや家庭で広く使われています。
レーザプリンタ
レーザ光線でドラムを感光させ、ドラムにトナーを付着させてページ単位に印字する方式のプリンタです。
高品質な印刷ができ、印字も高速ですが、印字時の消費電力が比較的大きくなります。
ドットインパクトプリンタ
印字ヘッドをインクリボンに打ち付けて印字するプリンタです。印字音が大きいため余り使われませんが、加圧式なので伝票などのカーボン複写が可能です。

プリンタの性能を表す値

プリンタの印字品質は「dpi値」が目安となります。
dpi(dots per inch)は1インチ(2.54cm)内に印字できるドット(画素)数のことで、この値が大きいほど精細な印刷ができます。

また、印刷性能は1秒間に印字できるページ数である「ppm」(pages per minute)などで表します。

プロッタ

プロッタはCADデータなどの精密な図面を描画する装置です。

描画方式で分類すると、ペンが用紙上を移動するペンプロッタと、図面をビットマップデータとして描画するペンレスプロッタに分けられます。

用紙送りの方式には、用紙を固定するフラットベッド型と、用紙を送り出しながら印字するフリクション型があります。

プロジェクタ

プロジェクタは、映像をスクリーンに投影する投影機です。コンピュータのディスプレイ装置よりも大きく表示することができ、プレゼンテーションなどに利用されます。
光源の明るさをルーメンという単位で表します。

画面の大きさ

ディスプレイが表示する画像は、細かい点(ドット)を縦横に敷き詰め、それぞれに色を発色させることで描いたものです。この点を画素といい、画像データは画素の集合としてメモリに記憶されます。

ディスプレイの大きさは、縦横に何画素数まで表示できるかで決まります。この値が大きいほど、1画面で表示できる文字や画像が多くなり、画面が広く使えます。

パソコン向けのディスプレイは、横1,024ドット×縦768ドットのXGAと呼ばれる規格が主流でしたが、最近ではより画素数が大きく、幅の広いワイドタイプが主流です。

画像のデータ容量

カラー画像は、発色する色の種類が多いほど、一つひとつの画素について色を細かく区別しなければならないため、1画素をメモリに記憶するためのデータ量が多くなります。
例えば、256色に色分けをするには、256=28通りを区別するために、1画素あたり8ビットの情報量が必要です。

画像データの要領を計算するには、画素数の合計に、カラー情報に必要なビット数をかけて求めます。

画像データの容量

画像データ量(byte) =画素数 × カラー情報のビット数 ÷ 8

*最後の「÷8」はビットをバイトに換算するため。

(関連)グラフィックスソフトウェア

グラフィックスソフトウェアとは、図形やイラストを作成するソフトウェアです。ペイント系ソフトウェアとドロー系ソフトウェアに分けられます。

分類特徴代表的なソフトウェア
ペイント系ソフト画像をビットマップ(ラスタデータ)として扱う。
写真などの色調の変化や加工を行ったりするのに向いている。
Adobe Photoshop等のフォトレタッチソフト
ドロー系ソフト図形を輪郭のベクトル(ベクタデータ)として扱う。
実態に近いなめらかな曲線を描くのに向いており、新たにイラストを起こしたり、ロゴを作成したり、という用途に向いている。
Adobe Illustrator等のドローソフト、CADソフト

補助記憶装置

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

代表的な補助記憶装置や記憶媒体の種類,特徴,仕組み,用途,装置の諸元に基づく記憶容量や,平均アクセス時間の計算方法を理解する。

用語例:ハードディスク装置,SSD(ソリッドステートドライブ),SD/SDHC/SDXC カード,CD-R/RW ドライブ,ブルーレイドライブ,DVD-R/RW ドライブ,磁気テープ装置,トラック,シリンダ,ブロック化因数,IBG(Interblock Gap:ブロック間隔),セクタ,トラック密度,スピンドル,アクセスアーム,磁気ヘッド,固定ディスク,デフラグメンテーション,シークタイム,サーチタイム,データ転送時間,データ転送速度,ボリューム,ボリュームラベル,見出しラベル,後書きラベル,ディスクアレイ,RAID

ハードディスク

ハードディスクは、磁気を使った高速かつ大容量の補助記憶装置として、広く使われています。PC用としては、数100GB~数TB程度の容量が主流です。

ハードディスクの構造

内部には磁性体をぬった金属などの円盤(ディスク)が数枚、軸を中心に固定されており、高速に回転します。(5000~10000回転/分 程度)
磁気ヘッドの付いたアームがディスク状をスライドし、表面を磁化することでデータを読み書きします。この時に、磁気ヘッドはディスクの表面と接触することはありません。
なお、磁気ヘッドとディスクは接触しないようになっているが、外部からの強い振動で接触してしまう可能性があり、それが故障につながるため、ハードディスクは振動に弱いとされています。

トラックとセクタ

ディスクのオモテウラには、トラックというデータ記録用の領域が同心円状に何本も作られます。1本のトラックはさらにセクタというデータを格納するための小さい区画に分割されます。

各トラックとセクタにはアドレス番号が振られ、この番号でデータが格納されたセクタの記録位置を識別します。

なお、磁気ヘッドのアームはディスクの裏表それぞれに伸びているので、同じ半径上にある全トラックに同時にアクセスできます。同時にアクセスできるトラックをまとめて、シリンダと呼びます。

ディスクの容量

ディスク1面のトラック数や、1トラックあたりのセクタ数、各セクタに格納できるバイト数は、ディスクのフォーマット(初期化)時の形式によって異なります。
これによって、ハードディスク全体の格納容量が決まります。

ディスクの容量

ディスク容量 = ディスク面数 × トラック数 × セクタ数 × セクタのサイズ

ディスクのアクセス時間

ハードディスクはデータを読み取る時、次のような順序で動作します。

  1. 磁気ヘッドがデータのあるトラック位置に来るまでアームを移動(シーク)
  2. ディスクが回転してデータのあるセクタがヘッド位置に来るまで待つ(サーチ)
  3. セクタ内のデータを読み取ってメモリに転送

シーク時間、ディスク回転の平均時間、データ転送時間の合計をディスクのアクセス時間といいます。

ディスクのアクセス時間

アクセス時間 = シーク時間 + サーチ時間 + データ転送時間

*サーチ時間は1/2回転にかかる時間とするのが一般的

ハードディスクの断片化

ディスク内のファイルにデータの削除や追加を何度も繰り返すと、論理的には1つのファイルでありながら、物理的にはディスクのバラバラな領域に格納されてしまうことがあります。この状態を断片化(フラグメンテーション)といいます。

断片化が起きると、データを読み取るために磁気ヘッドがディスク状を頻繁に移動しなければならず、シーク時間が増えてアクセスが遅くなります。

断片化を解消するためには、ファイルを連続した領域に格納し直します。断片化を解消する作業を「デフラグ」(デフラグメンテーション)といいます。
デフラグを行うためには、OSに付属するツールを使うか、ファイルを一旦別の媒体にバックアップし、初期化したハードディスクに再度書き戻します。

ブロック化因数

ブロック化因数とは、入出力ファイルの1ブロックに含まれるレコード数です。レコードはプログラムが処理する論理的なデータの単位です。それに対して、ブロックはコンピュータが入出力装置とデータをやり取りする単位です。

ブロック化因数がnなら、入出力のやり取りをするアクセス回数がn分の1になり、効率が向上します。

ブロック間隔

ブロック間隔は入出力のブロックとブロックの間の間隔です。ブロック間隔は本来記憶可能な部分ですが、1ブロックのアクセス開始や終了に必要な空き領域です。

ブロック化したファイルの容量

ファイル容量 = (レコード長 × ブロック化因数 + ブロック間隔)× ブロック数

その他の入出力装置

この記事での学習内容 基本情報 応用情報

代表的な通信制御装置,駆動装置,撮像装置の種類,特徴,仕組み,用途を理解する。

用語例:有線LAN インタフェースカード,無線LAN インタフェースカード

その他の入出力装置

その他の入出力装置には、PCI(Peripheral Component Interconnect)やAGP(Accelerated Graphics Port)があります。

PCIは代表的な拡張バスでLANカードやSCSIカードなどがあります。AGPはビデオカード用の拡張バスです。

LAN接続に使われる機器

LANインタフェースカードはコンピュータやプリンタなどをLANに接続するための拡張カードです。LANボード、LANカードなどとも呼ばれます。

最近のパソコンにはマザーボード上にネットワークインタフェースが組み込まれています。

無線LANインタフェースカード

無線LANインタフェースカードは、無線の受発信機能を持つLANインタフェースカードです。