ハードウェア解説中井 茉煕
神戸大学理学部 惑星学科

流体地球物理学教育研究分野/地球および惑星大気科学研究室

本講義の目的• 計算機を構成するハードウェアについてその機能や特性を理解する• 計算機内でのデータの流れを理解する目次
1. Introduction
2. 各部品の概要◦ 入力装置◦ 出力装置◦ 処理装置◦ 記憶装置◦ 以上の機能を統合・調整する装置

3. まとめ4. 参考文献

1. Introduction

コンピュータの構成「ハードウェア」と「ソフトウェア」で構成されている
ハードウェア (hardware)◦ コンピュータを構成している電子回路や周辺機器など,物理的実体◦ キーボード, マウス, ディスプレイ, CPU, メモリなど

ソフトウェア (software)◦ コンピュータを制御する手順・命令など, 物理的実体のな
いもの （プログラム）◦ BIOS, OS, shell など

個人用のコンピュータ (PC)
Computer = 計算機 (スパコンなど大型計算機も含む)
Personal Computer◦ 原義 : 個人用コンピュータ◦ PC といっても様々な種類がある◦ PC/AT 互換機, タブレット端末など

本講義ではPC/AT 互換機について解説

PC/AT 互換機
PC/AT : Personal Computer / Advanced Technology• 1984 年に米 IBM 社が発売したパーソナルコンピュータ

PC/AT と互換性のあるパソコン製品の総称• 内部仕様の多くが公開されたため業界標準仕様として普及• Microsoft 社が PC/AT 互換機向け OS の MS-DOS を発売

PC/AT 互換機
1990年 日本 IBM が DOS/V を発売開始
DOS/V : PC/AT 互換機用の OS のひとつ
MS-DOS に日本語機能を追加
世界標準規格の PC/AT 互換機が日本でも主流になる

現在の PC/AT 互換機• 元々の PC/AT の仕様のほとんどは新規格に置き換えられている• PC/AT 互換機という呼称も廃れつつある• 現在では単に「パソコン」と言えば PC/AT 互換機の末裔のことを指すことが多い

情報実験機は？
PC/AT 互換機の流れを汲むパソコン
有志により組み立てられた自作パソコン• 簡単に分解することができる• ハードウェアの仕組みを学習しやすい

写真: joho-10

2. 各部品の概要

情報実験機
写真: joho-07

情報実験機情報実験機マザーボード◦ 計算機の中の大きな基盤◦ 様々な部品が接続される

PC のハードウェアに必要な機能とは具体例
パソコンで Excel （ソフトウェア） を使い、テストの平均点を計算したいパソコンに Excel を起動させる

入力装置

入力装置
データをコンピュータに伝える装置◦ キーボード◦ マウス◦ タッチパネル◦ スキャナPC のハードウェアに必要な機能とは具体例
パソコンで Excel （ソフトウェア） を使い、テストの平均点を計算したい計算結果を表示する

出力装置

出力装置
処理結果を人間に伝える装置◦ ディスプレイ◦ プリンタ◦ グラフィックボードグラフィックボード
計算機内では「0」と「1」で表現されたデータを平均点 (数字の列) として表示するために計算をして準備
グラフィックボードの仕事

データを一時的に保存

ディスプレイに表示グラフィックボードグラフィックボード
画像表示機能を追加する拡張カード◦ GPU (Graphic Processing Unit)◦ 画像の描画を行うチップ◦ GPU メモリ (VRAM (Video RAM) )◦ 画面のイメージを保存するためのメモリ◦ 画像表示機能がマザーボードや CPU に統合されているものもある （オンボードグラフィック）◦ 最近の CPU はグラフィック機能を備えているものがほとんど◦ この場合, VRAM はメインメモリと共有することが多い

装置の種類
入力装置◦ キーボード, マウス, スキャナ, タッチパネルなど

出力装置◦ ディスプレイ, グラフィックボード, プリンタなど

PC のハードウェアに必要な機能とは処理装置

入力装置

主記憶装置

補助記憶装置
データの流れ

出力装置

処理装置 (CPU)Central Processing Unit (中央処理装置)◦ ソフトウェアを解釈し, 情報処理や機器制御を実行する装置◦ 同じ構造の CPU なら, 動作周波数が高い方が高性能◦ コア数が多いと, より多くの並列処理ができる◦ マルチコアが主流 (2 コア, 4 コア, ・・・)
◦ 情報実験機は4 コア

記憶装置
入力・出力データやプログラム (ソフトウェア) 本体, その処理結果を保存したり読み出したりするための装置◦ 主記憶装置 (メインメモリ)◦ 補助記憶装置 (ディスクドライブ)◦ 外部記憶装置とも言う主記憶装置 (メインメモリ)
半導体素子を利用して電気的に記憶するものが多い

別名：RAM （Random Access Memory)◦ 電源を落とすと記録内容は消滅◦ CPUから直接アクセスでき, 動作が高速補助記憶装置
磁気的・光学的・電気的な手段により記憶する装置◦ 電源を供給しなくてもデータは消えない◦ ハードディスクドライブ (HDD)◦ ソリッドステートドライブ (SSD)◦ USBメモリ◦ CD-R/RW, DVD-R/RW, Blu-ray etc…

ハードディスクドライブ (HDD)
磁性体を塗布した円盤 (プラッタ) を高速に回転させ, 磁気ヘッドからデータを読み書きする◦ 磁気ヘッドと円盤の間は 1 マイクロメートル以下◦ 振動に弱いソリッドステートドライブ (SSD)
半導体素子に電気的にデータの記録、読み出しを行う◦ シリコンドライブ、半導体ドライブ、メモリドライブ、擬似ディスクドライブなどとも呼ばれる◦ 物理的な稼動場所がないため省電力、動作音がしない◦ 振動、衝撃に強い◦ 容量単価が HDD に比べて高い

光学ディスク (CD, DVD, BD) ドライブ
ディスクの記録面に細かい凹凸が刻まれている◦ ディスクに弱いレーザ光を当て, 光の反射を使ってデータを読み取る．
◦ ディスクに強いレーザ光を当て，熱で記録面の状態を変化させてデータを書き込む．
◦ データの記録密度: BD > DVD > CD
◦ キズに弱い補助記憶装置
磁気的・光学的・電気的な手段により記憶する装置◦ 電源を供給しなくてもデータは消えない◦ ハードディスクドライブ (HDD)◦ ソリッドステートドライブ (SSD)◦ USBメモリ◦ CD-R/RW, DVD-R/RW, Blu-ray etc…

◦ CPU から直接アクセスできない◦ 一度主記憶装置に読み込む必要がある◦ 接続方法(伝送経路の規格)◦ IDE◦ SATA◦ USB

IDE
Integrated Device Electronics
別名：パラレル ATA (PATA）
パラレル転送方式
最近のマザーボードでは使用できないSATA
Serial Advanced Technology Attachment

シリアル転送方式◦ IDE よりも高速◦ IDE よりも低電圧

最近の主流

パラレル転送方式とシリアル転送方式
パラレル転送方式◦ 複数の信号線で同時にデータを転送.
◦ クロックあたりの伝送効率は良いが, 高クロックではエラーが生じやすく, 低クロックでしか動作しない

送信側

データ①

データ①
データ②
データ③

データ②

データ③

受信側

パラレル転送方式とシリアル転送方式
パラレル転送方式◦ 隣り合う信号線がお互いの信号に影響を及ぼす◦ 磁力線による結合◦ 電気力線による結合

パラレル転送方式とシリアル転送方式
シリアル転送方式◦ クロックあたりの伝送効率は悪いが, エラーが生じにくく,高クロックでも動作する◦ 差動伝送を用いることで, 磁力線や電気力線の結合を打ち消す.

パラレル転送方式とシリアル転送方式
差動伝送◦ 1 つの信号の伝送にペアの信号線を使って, 互いに逆の信号を送る方法◦ 逆の信号を流すことで, 電気力線や磁力線が打ち消しあい, エラー (信号の増幅, 減衰) が減る
シリアル方式が好まれる

装置の種類
入力装置◦ キーボード, マウス, スキャナ, タッチパネルなど

出力装置◦ ディスプレイ, グラフィックボード, プリンタなど

処理装置◦ CPU (Central Processing Unit)

記憶装置◦ 半導体メモリ, ハードディスクドライブ, 光学ドライブなど

その他の装置

以上の機能を統合・調整する装置

その他の装置
マザーボードの拡張バス （拡張スロット） に装着する事で拡張機能を提供◦ ネットワークカード◦ サウンドカード◦ TVチューナー など

ネットワークカード
LANに接続するための拡張カード

別名 : NIC (Network Interface Card)
LAN card, LAN board など

各機能を統合・調整する装置
スロット ・・・ 部品や装置を取り付けるための隙間各機能を統合・調整する装置

PCI, PCIe
バススロットCPU スロット

チップセットSATA, IDE
バススロット

メモリスロットバス (BUS)
データ伝送路および伝送方式の一種
複数の装置や機器、回路が一つの信号線を共有し、それらの間で相互にデータをやり取りできる構
造のもの
メモリCPU

NIC

BUS
ディスプレイ

HDDキーボードバス (BUS)
バスの種類◦ 内部バス： CPU 内部の回路間を結ぶ◦ 外部バス： CPU と RAM などの周辺回路を結ぶ◦ 拡張バス：拡張スロットに接続された拡張カードとコンピュータ本体を結ぶ
1 回の転送で同時に送れるデータの量を「バス幅」と呼ぶ

マザーボード

PCI, PCIe
バススロットCPU スロット

チップセットSATA, IDE
バススロット

メモリスロット

PCI バス
Peripheral Components Interconnect BUS

PC/AT で採択された拡張バスの規格◦ 初期のデータ転送速度 : 133 MB/s

このバススロットに特別な機能を持ったカードを挿すことにより, 機能を拡張・追加できる

PCIe バス
PCI Express BUS

PCI に代わるPC/AT 互換機向けシリアル転送イ
ンターフェイスとして開発された◦ データの転送速度 : 1レーン当たり 500 MB/s
◦ 複数のレーンを束ねて利用し, 高速化◦ (例) PCI Express 2.0x16 では 500 × 16 = 8000 MB/s (= 8 GB/s)

マザーボード

PCI, PCIe
バススロット

チップセットSATA, IDE
バススロットCPU スロット

メモリスロットチップセット
コンピュータの内部で CPU や メモリ, 拡張カード間のデータ受け渡しを管理・制御する一連の回路群
・2 つのチップで構成されるタイプ◦ north bridge: MCH (Memory Controller Hub)◦ south bridge: ICH (I/O Controller Hub)・１ つのチップで構成されるタイプ

north bridge がCPU に統合されている

チップセット‘90 年代のPC
CPU

グラフィックボード(PCI Express2.0×16)

汎用インターフェイス関係(PCI, PCI
Express 2.0)

‘00 年代中期のPC

チップセットグラフィックボード(PCI Express
2.0×16)

MCH

ICH

メモリ

チップセットHDD, SSD,光学ドライブ

メモリ

HDD, SSD,
光学ドライブ

汎用インターフェイス関係(PCI, PCI
Express 2.0)

ネットワークネットワークCPUその他(マウス・キーボー
ド・オーディオなど)

その他(マウス・キーボー
ド・オーディオなど)

装置の種類
入力装置◦ キーボード, マウス, スキャナ, タッチパネルなど

出力装置◦ ディスプレイ, グラフィックボード, プリンタなど

処理装置◦ CPU (Central Processing Unit)

記憶装置◦ メインメモリ, HDD, SSDなど

その他の装置◦ ネットワークカードなど

以上の機能を統合・調整する装置◦ マザーボード, チップセット

まとめPC のハードウェアに必要な機能とはデータの流れ

入力装置

処理装置

主記憶装置

補助記憶装置

出力装置

参考資料
Web サイト◦ 神戸大・理・情報実験 2023 8/6 「ハードウェア解説」◦ https://itpass.scitec.kobeu.ac.jp/exp/fy2023/230806/lecture_os/pub/itpass_exp_20230806_os.pdf◦ IT用語辞典 e-words◦ http://e-words.jp/書籍◦ 矢沢久雄 著, 2008, ハードウェアの知識と実務, 翔泳社◦ SE 編集部 編著, 2010, 僕らのパソコン 30 年史, 翔泳社◦ Hisa Ando 著, 2014,
コンピュータアーキテクチャ技術入門, 技術評論社

本日の一冊「ハードウェアの知識と実務」(翔泳社 矢沢久雄著 322P
ISBN 978-4798113487 )◦ ハードウェアが動くしくみが解説されている◦ 少し古いが分かりやすい