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エンジニアの基礎知識を徹底解説

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【エンジニア基礎】知っておきたいコンピュータの基礎知識

コンピュータって現在の世の中では欠かせないですよね。

一台のコンピュータをインターネットにつないでしまえば世界中の人と繋がったり、

外国の人が挙げている動画を見たり、お金を稼ぐ道具としても使えます。

そんな複雑そうなコンピュータですが、一体どうやって動いているんでしょうか。

コンピュータをあまり使ったことがない人でも、

コンピュータの理解を深めてなるほど~と思っていただきたいです。

特に駆け出しのエンジニアの方には、なんでもかんでもブラックボックスにしたり、

分かったふりをしないためにもコンピュータの基礎知識を理解して、

本業で是非活躍して頂きたいです。

コンピュータの基礎は3つのことを理解すること


コンピュータの基礎は
3つ

  • コンピュータは、入力、演算、出力を行う装置
  • プログラムは、命令とデータの集合体
  • コンピュータは2進数ですべてを表す

コンピュータを理解するのに3つのことだけでいいの?

3つのことだけであの複雑なコンピュータを理解することなんてできないでしょ。

と思われた方、実は私もそう思っていました。

しかし、この3つを私自身自分の中で理解したことで、

各段に物の見え方(プログラミング等)が変わりました。

そうなんです。過去の私は、コンピュータのことを知ったかをしていたんです。

そんな知ったかにならないようにしていただきたいです。

本題に入る前に、ハードウェアとソフトウェアという2つの用語だけ覚えておきましょう。

簡単に言ってしまうと目に見えるのがハードウェア、目に見えないのがソフトウェアと考えてもらえればと思います。

ハードウェア:パソコン本体やキーボード、マウスディスプレイ等のコンピュータの機器を言います。
ソフトウェア:excelやwordなど、コンピュータを動作させるためのプログラムです。

 

コンピュータは、入力、演算、出力を行う装置

コンピュータはハードウェアとソフトウェアから構成されています。

ハードウェア(パソコン本体等)は、入力・演算・出力の3つを行う装置です。

また、ハードウェアはたくさんの「IC(集積回路)」から構成されています。(図1)

皆さんは見たことがあるでしょうか?

実際に今目の前にあるパソコン、スマートフォンを分解してみるとICが出てきます。
(実際に分解すると戻せなくなるのでやらないでくださいね。)

このICには多くのピンがついており、これらのピンは、入力用または出力用となっています

そして、ICは、外部から入力された情報を内部で演算し、その結果を外部に出力します。

演算とは、計算という意味です。

ハードウェアだけでなく、どんなシステムやプログラムでも、

常に、どのような入力か?どのような出力をするか?どのように演算をするか?

入力・演算・出力の3セットが大切になります。(これプログラミングするときでもかなり重要!!)

「でも、コンピュータって色々と複雑なことができてるじゃん。」

と思われる方も多くいるとおもいますが、

実は、全て入力・演算・出力を組み合わせて実現しています。

ソフトウェアは、命令とデータの集合体

ソフトウェアすなわちプログラムは、命令とデータの集合体です

どんなに高度で複雑なプログラムでも、その内容は命令とデータから構成されています。

命令とは、入力・演算・出力をコンピュータに指示するものです。

コンピュータに対する命令を書き並べたものがプログラムとなります。

ハードウェアがあってもソフトウェアがなければコンピュータは動作しません。

コンピュータを動作させるには、どんなプログラミング言語を使えば良いのでしょうか。

それは、C言語でもJavaでも、pythonでもありません。

コンピュータの頭脳であるCPUが解釈・実行できるのは、

2進数の数値の羅列で表されたマシン語(ネイティブ・コード)と呼ばれるプログラミング言語だけです。
【エンジニア基礎】CPUって何に使われているの?初心者の疑問を解決

プログラミングでは、ひとかたまりの命令を「関数」、「メソッド」、「サブルーチン」などと呼びます。

エンジニアの業界では、同じことを表すのに、さまざまな言い方がある場合があります。

混乱しないようにどういうものか本質をとらえるようにしてください。

コンピュータは2進数ですべてを表す

コンピュータは、これまで人間が手作業で行っていたことを効率化するために使われます。

例えば、Wordを使うことで、文書作成が効率的になりますね。

実は、コンピュータは、すべての情報を数値で表しています。

例えば、色でいうと「青色」をコンピュータは、「0,0,255」、「赤色」を「255,0,255」と数値で表しています。

色だけでなく文字も、コンピュータの内部では「文字コード」と呼ぶ文字を表す数値を使っています。

コンピュータはすべて数値で表して様々なものを表現しています。

では、コンピュータで使用する数値とはなんなんでしょうか?

答えは、2進数と呼ばれる数値を使用しています。

2進数については、以下のコラムをご参照ください。

【エンジニアの基礎】2進数を徹底解説!!コンピュータの基礎を理解する

2進数について簡単に言うと、0と1だけで数値を表す方法です。

普段使っているのは10進数と呼ばれる0~9の数値ですね。

では、なぜコンピュータは2進数を使っているのでしょうか?

「コンピュータは、入力、演算、出力を行う装置」でお話しした通り、

コンピュータはICと呼ばれる電子部品から構成されています。

 

ICは、図の通り何本も入出力用のピンがついています。

このピンに対して電気で情報(データやプログラム)が伝わることで、

コンピュータが動作するのです。(ちょっと難しいですね)

 

ピンは、電気が流れるか(ON)、流れない(OFF)かの2択しかないため、

1か0の世界を使って様々な情報を表しています。

 

ちなみに、ピンが1本しかなければ、2通りしか情報を表現できないので、

普通のコンピュータでは、32本や64本のピンがICに並んでいます。

32本だと232=4,294,967,296の情報を表す事ができ、

64本だと264=1844・・・・(もう計算したくないです。すみません)

という莫大な情報を表現できるようになります。(すごいですね・・・)

 

ビットとバイト

コンピュータの中でいくつか単位があるのですが、

「ビット」と「バイト」だけ最後にご紹介します。

「ビット」とは2進数の1桁を指します。つまり、ICのピン1本の情報です。

ビットは情報の最小単位です。

ビット(bit)は「binary digit」(2進数)の略語で、一般的には「破片」という意味もあります。

「バイト」は、2進数が8桁並ぶと「バイト」と呼ばれます。

これは、12本を1ダースと呼ぶのと同じで、コンピュータを扱う単位では非常に重要となります。

「バイト(byte)」は、「bite」(噛む)をもじった造語です。

ちなみに・・・Macのロゴがリンゴを噛み取られた形をしているのは、

バイトを意味しているという説があります。(誰かが、サ〇ス〇に噛まれたんだと言っていましたが・・・)笑

 

おまけ

余力があれば、CPUとメモリーとI/Oの話を・・・

CPU:Central Processing Unit(中央演算装置)の略語

I/O:Input/Outputの略語

コンピュータに必要なICの主な機能はCPUとメモリーとI/O

CPUはコンピュータの頭脳となるもので、

内部で演算を行い、メモリーとI/Oを制御します。

メモリーは、命令とデータを記憶するためのものです。

I/Oは、パソコン本体と、キーボード、マウス、ディスプレイなどの

周辺装置を接続し、データの受け渡しを可能にするためのものです。

 

CPUを動作させるためには、「クロック信号」と呼ぶ、

電圧の高低を繰り返す電気信号が必要になります。

このクロック信号を出力する部分を「クロック・ジェネレータ」と呼びます。

クロック・ジェネレータの中には水晶があり、

その周波数(振動数)に応じてクロック信号を発生します。

クロック信号の周波数が、CPUの動作速度となります。

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