コンピュータ構成要素

コンピュータの構成

CPU

CPU(Central Processing Unit)は、制御装置と演算装置をまとめた、人間の頭脳のような働きをするもの。

中央処理装置やプロセッサともいうよ。

CPUの性能を表す指標には、ビット数とクロック周波数がある。

CPUには32ビットのものと64ビットのものがあり、64ビットの方が性能が良い。

また、クロック周波数が高いほど性能が良いよ。

クロックは、CPUが処理の同期を取るために周期的に発生させている信号のこと。音楽で使うメトロノームと同じ役割をしていて、命令を実行するタイミングを調整する。

クロック周波数は、1秒間に発生させているクロックの回数のこと。単位はヘルツ(Hz)で、3.20GHzの場合、1秒間に約32億回動作する。

1秒間に実行できる命令数は、クロック周波数を、1命令当たりのクロック数で割ることで求めることができる。

クロック周波数が高いほどCPUの発熱量が増加するので、それに応じた冷却装置が必要になる。

また、CPUの発熱量や消費量を監視し、余裕がある時にクロック周波数を上げて処理能力を向上するターボブーストというものがある。一緒に覚えておこう。

GPU

GPU(Graphics Processing Unit)は、三次元グラフィックス画像処理をCPUに代わって高速に処理する演算装置。画像を表示するために必要な計算をする。

動画再生、3D、科学シミュレーションなど、大量の演算が必要な処理で活躍するよ。

コア

演算を行う回路のことを、コアという。

マルチコアプロセッサは、1つのCPUに複数のコアを装備しているもの。

それぞれのコアが別の処理を同時に実行することで、システム全体の処理能力の向上を図る。

マルチコアプロセッサには、次の2つがあるよ。

デュアルコアよりグアッドコアの方が、同時に実行する処理の数を多くできるよ。

デバイスドライバ

デバイスドライバ(Device Driver)は、PCに接続されている周辺機器を制御するソフトウェア。

周辺機器の種類は多く、あらかじめ全てのデバイスドライバをOSに搭載しておくことは現実的ではない。

そのため、新しい周辺機器を接続する時に、その周辺機器に対応したデバイスドライバをインストールして、OSに組み込むよ。

キーボードやマウスを扱う際も、デバイスドライバが必要になる。しかし、最初から組み込まれているため、利用者がインストールすることはほぼないよ。

プラグアンドプレイは、PCに周辺機器を接続した時、自動的にデバイスドライバの組み込みや設定が行われるもの。

メモリ

CPUは処理を行う際、主記憶装置にアクセスして必要なデータを読み出す。

主記憶装置は、CPUが直接読み書きをする記憶装置のこと。CPUが実行するデータが一時的に保存されている。メインメモリともいう。

主記憶装置には、DRAMが用いられている。

DRAMを発展させたものをSDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)という。

SDRAMを発展させたものをDDR3 SDRAM、DDR4 SDRAMという。

DDR4 SDRAMは、DDR3 SDRAMよりデータの伝送効率が優れているよ。

DDIM(Dual Inline Memory Module)は、SDRAMを搭載した、デスクトップPC用のメモリ。

SO-DDIM(Small Outline Dual In-line Memory Module)は、SDRAMを搭載した、ノートPC用のメモリ。

補助記憶装置は、主記憶装置以外の記憶装置のこと。

ROM、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、光ディスク、USBがこれに当たる。

主記憶装置はCPUがアクセスできるけど、補助記憶装置はCPUがアクセスできないよ。

HDDは、物理的な磁気ディスクを使用する大容量の補助記憶装置。

SSDは、物理的な動作を持たない低消費電力で耐衝撃性が高い補助記憶装置。

磁気ディスクは、磁気を利用した記憶装置のこと。

キャッシュメモリはCPUと主記憶装置の間にある記憶装置。

キャッシュメモリは、主記憶装置よりデータの読み書きが高速である、SRAMを使用している。

CPUは、頻繁にアクセスするデータをキャッシュメモリに保存しておき、処理をする際はまずキャッシュメモリを見に行く。

そして、キャッシュメモリに目的のデータがなかったら主記憶装置まで探しに行く。

こうすることで、CPUと主記憶装置のアクセス時間を短くするよ。

キャッシュメモリの容量が大きいほど、CPUの性能が向上する。

1次キャッシュ、2次キャッシュと複数のキャッシュメモリがある場合、CPUは1次キャッシュ、2次キャッシュの順にアクセスする。

1次キャッシュより2次キャッシュの方が容量が大きいよ。

レジスタは、CPUに内蔵されているメモリ。計算中のデータや計算結果を一時的に保存するよ。

レジスタには、SRAMが用いられている。

一番高速たけど、一番容量が小さいよ。

それぞれのメモリの特徴と用途をまとめたよ。

種類	SRAM		DRAM	ROM・HDD・SSD
価格	高い	やや高い	やや安い	安い
速度	速い	やや速い	やや遅い	遅い
CPUとの距離	近い	やや近い	やや遠い	遠い
容量	小さい	やや小さい	やや大きい	大きい
用途	レジスタ	キャッシュメモリ	主記憶装置	補助記憶
リフレッシュ	不要		必要	不要
性質	揮発性			不揮発性

RAMは電源を切るとデータが消える揮発性、ROMは電源を切ってもデータが消えない不揮発性になる。

CPUがアクセスするものは揮発性だよ。

DRAMは電力供給があっても少しずつデータが消えてしまうため、定期的に電荷を補充するリフレッシュが必要になる。

フラッシュメモリは、電気的にデータの書き換えや削除を行うメモリ。電源を切ってもデータが消えない不揮発性で、SSDやSDカードやに使われるよ。

グラフィックスメモリは、ディスプレイに表示する文字や図形のデータを格納するメモリ。

光ディスク

光ディスクは、薄い円盤状の記憶媒体にレーザー光を照らし、データを読み書きする補助記憶装置。次のような種類があるよ。

CD	記憶容量が小さい光ディスク。
DVD	記憶容量が中程度の光ディスク。データのバックアップ、画像や動画の保存に使用される。
BD	記憶容量が大きい光ディスク。ブルーレイディスクのこと。映像や音声を高品質で保存できる。

光ディスクには追記型と書換え型がある。

追記型は、書き込んだデータの削除ができない。BD-RやDVD-Rのように、Rが付くよ。

書換え型は、データの書き込みや削除ができる。CD-RW、DVD-RW、DVD-RAM、BD-RWのように、RWやRAMが付くよ。

光学ドライブは、光ディスクを使うドライブのこと。

システムの性能

IoT

IoTデバイスは、インターネットに接続されたモノのこと。

センサは、モノの状態を知ることができるもの。例えば、赤外線センサ、磁気センサ、加速度センサ、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、煙センサなどがあるよ。

アクチュエータは、コンピュータからの指示を、物理的な運動に変換するもの。例えば、DCモータ、油圧シリンダ、空気圧シリンダなどがあるよ。

IoTデバイス、センサ、アクチュエータを活用して、例えば窓の自動開閉システムを作ることができる。

窓をIoTデバイスにして、気温をセンサが読み取り、窓の開閉をアクチュエータが行うよ。

電力メータにIoTを取り入れたスマートメーターが注目されている。

スマートメーターは、電力の使用量を電力会社へ送信する電力メーターのこと。家電製品と通信を行うことにより、家庭内の電力を最適化することができる。また、現在の電力の使用量をリアルタイムで知ることができるよ。

インターフェース

インターフェースは、PCと周辺機器を繋ぐ規格のこと。

USB	キーボード、マウス、プリンタなど、最も多く使われているインターフェース。 USBハブにより最大127台の機器を接続できる。
IEEE 1394	データ量の多いカメラやビデオなどの接続に使用するインターフェース。
Bluetooth	電波を使った無線のインターフェース。
IrDA	赤外線を使った無線のインターフェース。
HDMI (High Definition Multimedia Interface)	1本のケーブルで映像と音声の両方を伝達することができるケーブル。 PCとデスクトップを繋ぐときに使うよ。
DVI(Digital Visual Interface)	映像を伝達することができるケーブル。PCとデスクトップを繋ぐときに使うよ。
NFC (Near Field Communication)	10cm程度の近距離で、かざして通信を行うもの。ICカードやICタグのデータの読み書きに使用されているよ。
PCI Express	パソコンなどに拡張カードを装着し、CPUやメモリなど他の装置と高速な通信するもの。
ディスプレイポート	ディスプレイとPCを接続するケーブル。
バスパワー	USBケーブルから電力供給する方式のこと。
セルフパワー	ACアダプタや電源コードから電力供給する方式のこと。

バスは、CPUと各装置の間で、データを受け渡す役割をするもの。

ホットプラグは、PCの電源を入れたまま周辺機器の付け外しができる機能のこと。