２０１７年度 春学期・（ 火II ）情 報
第２回目 「コンピュータの仕組み」
2. コンピュータの構造
3. ソフトウェアの構成
東京学芸大学 自然科学系
宇宙地球科学分野 講師
西浦 慎悟

● 最初に
講義資料は、http://astro.u-gakugei.ac.jp/~nishiura 「西浦クンの講義室」に縮小版（PDFファイル）を置く予定

第２回目

２. コンピュータの構造
１９４６年 ジョン・フォン・ノイマン（John von Neumann）が、ジョン・モークリー（John William Mauchly）、ジョン・エッカート（John Presper Eckert）とともにデジタル式電子計算機EDVAC（＝Electronoc Discrete Variable AutomaticComputer ）を開発した際に、それに関連した論文内でプログラム内蔵型コンピュータについて言及した。
注） ノイマンが理論面、モークリーとエッカートが技術・開発面を受け持っていた。そのため、三者の連名であってもよいはずの論文であり、成果をノイマンのみに帰することについては疑問を持つ者も少なくない。

 フォン・ノイマン型コンピュータ、ノイマン型アーキテクチャー↑フォン・ノイマン（Wikipediaより）コンピュータの五大要素である、演算装置、記憶装置、制御装置、入力装置、出力装置、から構成される。
内蔵型プログラム（＝ストアドプログラム）方式
 現在のほとんどのコンピュータは、ノイマン型である。

1２．コンピュータの構造

第２回目● 現代の典型的なコンピュータの構造
大別して、「ハードウェア」と「ソフトウェア」からなる。
・ ハードウェア（単に「ハード」と呼ぶこともある）
コンピュータの物理的な機器・装置の部分の総称。
・ ソフトウェア（単に「ソフト」と呼ぶこともある）
コンピュータ上で、何らかの処理を行うプログラムや手続きの総称。
これらに関する文書を含むこともある。

● コンピュータのソフトウェア● コンピュータのハードウェア
・ コンピュータ本体

・ 各種アプリケーション

・ モニター / ディスプレイ

・ オペレーティングシステム（ＯＳ）・ キーボード・ シェル（shell）

・ マウス

・ カーネル（kernel）

・ プリンタ・ バイオス（BIOS）

・ USBメモリ / SDカードなど

２．コンピュータの構造● ハードウェアの例

第２回目

他にも入力装置としてはタブ
レットやタッチ・パネル、スキャナ、カメラなど、がある。

モニター / ディスプレイ

パソコン本体↑典型的なデスクトップパソコン

演算・記憶・制御装置

マウス
プリンタ
スピーカー
キーボード
出力装置
入力装置

出力装置

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２．コンピュータの構造

第２回目● パソコン・ハードウェアの構成概念図
キーボード
プリンタ
Outputスキャナ

Input （USB, PS2コネクタ）

Input（パラレルポート,（パラレルポート, USB）
USB）

Input （USB, PS2コネクタ）

短時間記憶

メモリ

ＣＰＵ
ビデオ
カード

SWAP

マザーボード（D-sub 15ピン,BNCコネクタ,DVI-I, DVI-D,HDMI ）モニタ

OutputOutputサウンド
カード （3.5mmミニプラグ,ハードディスク
長時間記憶

ユーザー

マウス

RCA端子, USB）

ネットワークカード

光学ドライブ
長時間記録

スピーカー

Input / Output

ネット

Ethernet［イーサネット］ ワーク

２．コンピュータの構造●デスクトップパソコン本体の構成
モニター 排熱口 電源用排熱ファンと排熱口用端子

電源ユニット

第２回目
光学ドライブ（BD, DVD, CD）
ハード・ディスク

背面
パ
ネル

磁気ドライブ（フロッピー・ドライブ）

Ｕ
Ｓ
Ｂ
マザーボードサウンド関連イーサネット用ジャック
コネクタ

CPU、メモリ
ビデオ・カード、サウンド・カード、ネットワーク・カード

3２．コンピュータの構造

第２回目● マザーボード（Mother Board） コンピュータ・パーツを組み込む基盤。「Ｍ/Ｂ」と表記されることもある。CPUとメモリなどの周辺パーツをつなぐ基本的な動作システムが埋め込まれており、これをチップセットと呼ぶ（chipset）。

CPU用ス
ロット

・サイズ規格ＡＴＸ
MicroATX
mini-ITX
 マザーボードは、このサイズ規格にあったＰＣケースに格納する。

・対応CPU
特定のソケット形状のCPUを搭載できる。
LGA1150, LGA1151,
ビデオカード用スロット
LGA1155, LGA2011-3,
SocketAM1, SocketFM2+

メモリ用スロット↑ASUS製 B85M-G

背面パネルとして本体後方に露出する部分

その他のカード用スロット

・メモリやビデオカードもM/Bに対応したものを取り付ける。

２．コンピュータの構造

第２回目● CPU（= Central Processing Unit ） 中央処理装置。「演算装置」「制御装置」に相当する。コンピュータの頭脳部であり、中心部分。

Ｉｎｔｅｌ製 Core i5 ↑表面、↓裏面

・ 市場に出回るCPUの多くに、（インテル系CPU）
Pentiumシルーズ、Celeronシリーズ、Xeonシリーズ、Core i3 / i5 / i7 シリーズ、 ↑AMD製 Athlon（AMD系CPU）
Athlon、Aシリーズ、などがある。それぞれ特有のソケット形状を持つ。
・ 動作周波数が、1.8GHz、2.8GHz、3.2GHz、というように設定されており、単純に言えば、この数値が大きいほど演算が早いことになる。

左） 専用CPUクーラー、右） CPU

・ 動作に伴って発熱する（100℃を超えることもある）ため、十分に冷却する必要がある。 熱暴走する

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２．コンピュータの構造

第２回目● メモリ（memory） 「記憶装置」に相当する半導体集積回路。一部を除いて全ての処理はこの中で行われる。一般に、メモリの容量に余裕があるほど、コンピュータの動作ストレスは小さくなる。近年の主流はDDR3 SDRAM（=
Double Data Rate3 Synchronus Dynamic Random Access Memory）である。
・メモリの規格
チップのデータ転送速度を用いてDDR31333、または、モジュールの帯域幅を用いてPC3-10600などと表される。事実上、同じものと思って良い。
マザーボードのメモリ用スロットの規格に合ったものを搭載する。２枚１組で搭載しなければならないものもある。
規格上、マザーボードとメモリの組み合わせが合致していても、パソコンが起動しないことがある。
一般に「相性」が悪い、などと表現され、小売店でも交換に応じてくれないことが多い。
その反面、メモリを挿入するスロットの位置を変えるだけで、エラーを回避できることも、結構ある。

↑上） PC3-12800-4GBメモリ、
下） PC100-128MBメモリ

２．コンピュータの構造

第２回目● ハードディスク・ドライブ（Hard Disk Drive = HDD）とソリッド・ステート・ドライブ（Solid State Drive = SSD）

↑上）Seagate製 1.5TB
HDDと、下）その後部・ HDDは円盤型記録部を多層に積んだ構造に対して、磁気を用いてデータの書き込みと読み込みを行う非接触型の補助記憶装置である。
・ SSDは半導体素子を用いてデータの書き込みと読み込みを行う補助記憶装置である。HDDに比べて、動作の静穏性、データ・アクセスの高速性、物理的衝撃に対する安定性、省電力性、低発熱性が高いが、その反面、連続使用に対する耐久性、データ保持の長期性、経済性はHDDに及ばない。
コンピュータが扱うデータは、長期間これらに保存される。場合によっては、メモリの代わりに一部が使用されることもある。
マザーボードとの接続規格には「ＩＤＥ」（ATAPI、PATA =Parallel ATA とも）と「SATA = Serial ATA」があるが、現在の主流は後者である。
外付けHDDとは、内蔵型HDDにUSBコネクタを付したものである。

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２．コンピュータの構造

第２回目● 光学ドライブ（Optical Drive ： Blue-ray, DVD, CD）
光学ドライブとは、レーザーを用いてデータの書き込みや読み込みを行う補助記憶装置の総称である。
・ CD ： 容量７００MB程度
CD-R ： 書き込み可
CD-RW ： 繰り返し書き込み可能↑上）LG製 DVD Multiと、下）その後部・ DVD ： 容量4.7GB～１７GB
DVD-R, DVD+R ： 書き込み可
DVD-RW, DVD+RW ： 繰り返し書き込み可能
DVD-RW DL, DVD+RW DL ： 片面２層で繰り返し書き込み可能
・ BD ： 容量２５GB～１２８GB「CD-ROM」「DVD-ROM」は、それぞれCD、DVDの読み込みのみが可能なドライブであることを意味する。CD、DVDの両方に対して読み込みのみが可能なものは「Combo」
ドライブ（CDのみ書き込み可）、読み・書きが可能なものは「MULTI」ドライブと呼ばれる。
マザーボードとの接続規格には「ＩＤＥ」（ATAPI、PATA = Parallel ATA とも）と「SATA= Serial ATA」があるが、現在の主流は後者である。USBによる外付けドライブもある

２．コンピュータの構造

第２回目● フロッピー・ディスク・ドライブ（Floppy Disk Drive = FDD）
磁気によってフロッピー・ディスクにデータを書き込んだり、読み込んだりする補助記憶装置。最近は、ほぼ使用されることが無くなった。マザーボードとの接続には専用のケーブルを用いる。容量はサイズを問わず1.4MB（例外あり）。
一時期、ＨＤＤトラブルの際のデータ・レスキュー用に使用されたが、USBメモリから起動するOSなどの登場により、事実上廃れた。

↑フロッピー・ドライブ↑フロッピー・ディスク、左から８インチ、５インチ、3.5インチ（Wikipediaより）↑左上下） ＵＳＢメモリ、
右） SDカード● その他の外部記憶装置 主にUSBポートを介して、データの書き込みと読み込みを行う。半導体素子を利用した外部メモリ。USBメモリ、CFカード、SDカード、miniSD
カード、microSDカード、xDカード、メモリ・スティックなど、現在、様々な規格があるが、これら複数の規格に適合したカード・リーダー（USB接続）も広く普及している。

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２．コンピュータの構造

第２回目● ビデオ・カード（Video Card） / グラフィック・ボード（Graphic Board）
モニターへの映像信号を送り出す装置。M/Bに組み込まれたもの（オン・ボード）も多い。動画処理能力を高めるために別途ビデオメモリ（VRAM）を搭載している。
このメモリ容量が多いほど、動画処理の負荷が軽減される。映像信号送信用のコネクタ（VGAやDVI）を備えている。
発熱量も大きいため、放熱ファンや巨大なヒートシンク（冷却用部品）を備えたものもある。
（マザーボードとの接続規格）
・ PCI－Express ： 現在の主流
・ PCI・ AGP ： かつての主流、既に使われていない。

ここをマザーボードのカード用スロットに挿入する。

↑NVIDIA製 RIVA 128（Wikipediaより）２．コンピュータの構造

第２回目● サウンド・カード（Sound Card）
高質なものはオーディオ・カードとも呼ばれる。音声信号を外部へ送り出す装置。
M/Bに組み込まれたもの（オン・ボード）も多い。
音声入出力用の3.5mmミニプラグなどを実装している。
（マザーボードとの接続規格）
・ PCI－Express
・ PCI
ここをマザーボードのカード用スロットに挿入する。

↑CREATIVE製 Sound Blaster● ネットワーク・カード（Network Interface Controller = NIC）（Wikipediaより）LANカード、イーサネット・カードとも呼ばれる。コンピュータ・ネットワークを介して、コンピュータ同士で通信するための装置。
対応する速度で通信できる。M/BのPCIス
ロットに挿入する。

● モデム・カード

典型的なネットワーク・カード
（Wikipediaより）電話回線を介して、ネットワーク接続するためのパーツ。

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２．コンピュータの構造

第２回目● モニター（ディスプレイ） 映像出力装置。以前はブラウン管を用いたものだったが、現在はほぼ全てが液晶モニタとなっている。スクリーン投影用のプロジェクターもほぼ同じ出力装置である。マザーボードとの接続規格が複数存在する。
・ VGA（Video Graphic Array）/ D-sub 15ピン
アナログ映像のデータ送信用規格。

↑D-sub 15ピン
（Wikipediaより）・ DVI（Digital Visual Interface）
アナログにも対応したデジタル映像のデータ送信用規格。DVI-A（アナログ専用）、DVI-D（デジタル専用）、DVI-I（アナログ・デジタル兼用）と様々なコネクタ形状がある。

・ HDMI（High-Definition Multimedia Interface）
映像と音声をデジタル信号で転送するための規格。理論的には、転送中の映像・音声の劣化は生じない。
↑HDMIコネクタ （Wikipediaより）２．コンピュータの構造↑DVIコネクタ（Wikipediaより）

第２回目● プリンタ（Printer） 印刷機。出力装置に相当する。用紙にインクを吹き付けるインクジェット方式とトナーを定着させるレーザー方式などがある。以前は、マザーボートとの接続に、プリンタポート（パラレルポートとも）が使用されたが、最近ではUSBポートや無線LANを用いた接続が採用されている。
スキャナやファックスなどと一体化したプリンタ複合機も普及している。

● スキャナ（Scanner） 画像取り込み装置。入力装置に相当する。最近では前述したように複合機としてプリンタと一体化したものが一般的。画像として取り込んだ文章をOCRソフトウェアを介して、デジタル文書にすることもできる。パソコンとは、USBまたはネットワークで接続するのが一般的。

● キーボード、マウス（Keyboard、Mouse）
コンピュータにおける代表的な入力装置。
かつてはPS/2接続が主流だったが、現在の主流はUSB接続。
マウスにはボール式と光学式がある。

↑左) PS/2コネクタ、右） USB
コネクタ（Wikipedia）↑典型的なキーボードとマウス

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● ＢＩＯＳ（バイオス）

第２回目

３. ソフトウェアの構成

どのようにしてコンピュータとコミュニケーションするのか？
コンピュータユーザー

ユーザー

コミュニケーション

人間の言語

電気信号

意思疎通

仲立ちするもの ＝ 「通訳」が必要
各種アプリケーション

BIOS

Ｏ Ｓ

コンピュータ・ハードウェア

ＢＩＯＳ（Basic Input / Output System ： バイオス）
ハードウェアと最も低レベル（電気信号に近く、人間が理解し難いという意味）の入出力を行うプログラム。ハードウェアと人間、ハードウェアとOSの間に立って、信号のやり取りを助けるシステム。マザーボード内に最初から組み込まれている。
電源が入った直後にBIOSが実行される。

３．ソフトウェアの構成

第２回目

 BIOSの働きによって、コンピュータ・ハードウェアの違いは表面化せず、ＯＳやプログラムは、直接ハードウェアではなく、BIOSが提供する環境を利用する。

ただし、近年のOSでは、BIOSを使用せずに、OSが持つデバイス・ドライバによってハードウェアを直接制御することもある。

● ＯＳ（= Operating System） 基本ソフトとも呼ばれる。ユーザーの利便性を考慮したコンピュータ制御のための基本ソフトウェア。この上でアプリケーション・ソフトウェアが動作する環境を提供することが主な役目である。MS-DOS、MSWindows、MacOS、Unix、Linux、などがこれにあたる。OSの中核をなすカーネルと、そのアクセス環境を与えるシェルに大別される。
ユーザー
各種アプリケーション
Ｏ Ｓ
BIOS

シェル
カーネル

コンピュータ・ハードウェア

・ カーネル（kernel） ： OSの中心となる部分。
・ シェル（shell） ： カーネルにアクセスするための環境を提供するソフトウェア。
最近のMS-WindowsやMacOSではカーネルとシェルの区別が分り難くなっている。

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３．ソフトウェアの構成

第２回目● カーネルの役目（資源管理）
・ プロセス管理・タスク管理 ： アプリケーションを実行し、そのためのメモリ確保やデータの受け渡しなどを行う。
・ メモリ管理 ： プログラムとデータの両方をメモリに格納し、複数プログラムからの安全なメモリ・アクセスを提供する。デバイス・ドライバへのメモリ割り当てなども行う。
・ ファイル管理、デバイス管理、ネットワーク管理 ： ファイルとのデータの読み書き、各種デバイスやネットワークを介したデータの授受、などの整合性の確保など。

● シェル
コマンドライン・インターフェイス（CLI）またはグラ
フィカル・ユーザー・インターフェイス（GUI）によるカーネルへのアクセス。
CLI はCUI = Character User
Interface とも言われる。

↑GUIによるシェルの操作↑ＣＬＩによるシェルの操作● 主なOSの系譜

３．ソフトウェアの構成

第２回目

マイクロソフト社

アップル社

AT&T Bell研

MS-DOS

System 1～4

MULTICS

MS-Windows 3.1

System 6

Unics

MS-Windows 95

System 7

Version 7 UNIX

System 7.5

UNIX System V

9x系

MS-Windows NT

MS-Windows ME

MS-Windows 2000

MacOS 7.6
MacOS 8

IBM社

AIX

マイクロ
サンマイクロ・ ソフト社 Linus氏 その他
システムズ社 XENIX （当時ヘルシンキ

MS-Windows XP

SunOS 4MacOS 9MS-Windows VISTA

Solaris 2

MS-Windows 7Solaris 10（無償配布）

MacOS X

MS-Windows 8
オラクル社

MS-Windows 10

カリフォルニア大学
バークレー校

BSD UNIX

NT系

MS-Windows 98

OS on DEC
PDP-7

Solaris 11大学院生）

Linux（オープン・ソース）
Vine, Debian,Plamo, Slackware（商用）
Turbo LinuxRed HatFree BSD
Open BSD
Net BSD

10本日の演習（その１）第２回目

現在、使用しているノートパソコンのスペック（以下を参照）、・ メーカーおよび型番
 大抵は、本体のどこかに記載（MacOS X では不可）

・ 起動しているＯＳ名および、そのエディション
・ CPUの名称や動作速度
・ 動作しているシステムの種類
 何ビット対応のシステム？

・ 搭載しているメモリの容量・ 搭載しているハードディスクの容量と、その空き容量・ ビデオカード（グラフィックボード）の名称と、そのメモリ容量を調査し、報告せよ。

本日の演習（その１）第２回目●PCのスペックを調べるための幾つかの方法① デスクトップ左下の「Windows メニュー」
 「エクスプローラー」
 「ＰＣ」② デスクトップの何もない所で右クリック
 「ディスプレイ設定」
 「バージョン情報」③ デスクトップの何もない所で右クリック
 「ディスプレイ設定」
 「ディスプレイ」

MacOS X の場合・ 左上メニューバー
 「アップルマーク」
 「このMacについて」

詳細なスペックは、ここから、
 「システムレポート」

さらに、
 「グラフィックス/ディスプレイ」

 「アダプターのプロパティ表示」

注） 他にもいろいろなスペックとそれを調べる方法が存在するが、今後、必要があれば随時、紹介・解説する。また、各自興味があれば調べてみて欲しい。

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第２回目

本日の演習（その２）
ＣＵＩによるシェル操作を体験する。
・ コマンドプロンプトを起動する
方法１ ： スタートメニューの「すべてのアプリ」「Windows システムツール」  「コマンドプロンプト」
方法２ ： デスクトップのWindowsマークを右クリック
メニューの中から「コマンドプロンプト」 を選択。
方法３ ： エクスプローラーを起動する

上部メニューから「ファイル」  「コマンドプロンプトを開く」 を選択。
MacOS X の場合・ アプリケーションから 「ユーティリティ」  「ターミナル」

でターミナルを開く。

本日の演習（その２）第２回目① カレントフォルダー内のファイルやフォルダーの一覧を表示する。
 dir [Enter] （ファイルやフォルダを表示）
注）他にも無数のコマンドがあるが、ここでは、比較的当 dir /p [Enter] （一画面毎に停止）
り障りのないものを紹介す dir aho.* [Enter] （”aho.”で始まるファイルのみを表示） る。中にはファイルの削除② ファイルやフォルダの構成をグラフィカルに表示する。
 tree [Enter]③ 画面を消去する。
 cls [Enter]④ プロセスの一覧表示する。
 tasklist [Enter]⑤ コンピュータ名を表示する。
 hostname [Enter]

や設定の変更などシステムに致命的なダメージを与えかねないものも少なくない。

MacOS X の場合① ls ［ Enter ］、ls –l [ Enter ]③ clear [ Enter ]④ ps [ Enter ]、ps –aux [ Enter ]⑤ scutil –get ComputerName [ Enter ]⑥ ネットワークの設定を表示する。
⑥ ifconfig [ Enter ] ipconfig [Enter]⑦ exit [Enter ] ipconfig /all [Enter] （詳細情報の表示）⑦ コマンドプロンプトを終了する。
 exit [Enter]12