[ITパスポート]ハードウェア(五大装置)

2020年2月16日

今回はITパスポートハードウェア(五大装置)について学習していきましょう。

モナ
モナ
今まではセキュリティやネットワーク、数学と言った漠然としたものが多かったけど、これからは実際に物理的な方面から見ていくニャ!
くろん
くろん
物理的・・・難しそうだにゃー

ハードウェアとは

コンピュータは主にハードウェアとソフトウェアから構成されており、ハードウェアは物を表しておりソフトウェアは中身を表しています。

身近で分かりやすい例を挙げるとゲーム機がありますね。

ラク
ラク
Switch本体(ハード)とスマブラ(ソフト)両方があって初めてプレイ出来る感じだな

コンピュータの五大装置

コンピュータは主に5つの役割を果たす装置から構成されています。

それぞれの装置の内容を見てみましょう。

入力装置

入力装置は情報をコンピュータに入力するための装置になります。人で例えるなら目や耳が該当しますね。

マウスやカメラ、キーボードにタッチパネル等コンピュータに対してデータを入力できるものはすべてこの入力装置に該当します。

記憶装置

記憶装置は入力されたデータを記憶しておく装置になります。人で例えるなら脳に該当します。

記憶装置には短期的にデータを保存して演算などに用いる主記憶装置と、半永久的にデータを保存しておく補助記憶装置に分かれます。

主記憶装置はメモリと呼ばれることも多く、補助記憶装置にはHDDやSSDなどが挙げられます。

出力装置

出力装置は情報を計算した結果を表示するもので、人なら口や手(応答に応えたり物を描いたり)に該当します。

コンピュータの場合はモニタやスピーカ、プリンタが該当します。

演算装置

演算装置では記憶装置にあるデータを演算します。こちらも人で例えるなら脳に該当し、記憶装置は物を覚えると言った役割に対し、こちらは実際に計算すると言った動きになります。

制御装置

制御装置は他の装置を制御する装置になります。こちらの制御装置と、先ほどの演算装置はともにCPUに含まれており、いずれも脳に該当しています。

CPU

先ほど人の脳に該当するものにCPUがあると書きました。

現代のコンピュータはプログラム内蔵方式と呼ばれる形式をとっており、コンピュータに対する命令は全て主記憶装置に記憶されます。

アドレスと呼ばれる番地にそれぞれの命令が保管されていく形式になっており、そこから命令を読みだしてバスと呼ばれる経路を通ってCPUにデータが運ばれていきます。

運ばれたデータは逐次的に処理されて行きます。

また、CPUの内部ではクロックと呼ばれる一定周期信号が発せられており、クロックが1秒間に何回発生するかをクロック周波数で表現します。

クロック周波数の値が大きいほど処理速度が速いことになり、2GHz(ギガヘルツ)なら1秒間に20億回クロック信号が、5GHzであれば1秒間に50億回クロック信号が発せられることになります。

カズ
カズ
1G=1,000,000,000ってのは以前学習したね!

読み込み速度

CPUは主記憶装置からデータを読み込んで処理していくため、このCPUと主記憶装置の間のやり取りがスムーズにいかないと読み込み速度が遅くなってしまいます。

ここで主記憶装置は容量が大きければ大きいほど速度が遅いと言った特性を持ち、大容量を扱いたければそれだけ遅くなってしまうと言った不具合が発生してきます。

キュー
キュー
多くのデータを扱うためのコンピュータで、データが増えれば遅くなってしまうのは致命的やろ?

そこで、大容量を扱いながら高速にデータを処理するために、速度は速いものの容量が小さいメモリをCPUと主記憶装置の間に置きます。

これをキャッシュメモリと呼び、CPUが最初に主記憶からデータを読みだしたときにその周辺のアクセスがありそうなデータをキャッシュメモリに書き込んでおきます。

そうすることで次にCPUがメモリにデータを読み込みに行く際に主記憶までアクセスせず、キャッシュメモリにアクセスすることで高速にデータを読み込むことが可能となります。

更に高速化させたい場合、キャッシュメモリを複数用意することもあります。

複数ある場合はCPUに近い方から順に1次キャッシュ、2次キャッシュ・・・と呼び、最近では4次キャッシュくらいまであるものもあります。

これらの複数キャッシュではCPUに近い方が小さく早いものをおくようになっています。

半導体

半導体は電気を通す導体と、電気を通さない絶縁体の中間の性質を持っており、0と1を扱うコンピュータとは相性が良いです。

この半導体を集積した回路をICと呼び、ICを利用したメモリはRAM及びROMと呼ばれます。

  • RAM(Random Access Memory)・・・電源を切ることによって情報が消失してしまう揮発性のメモリです。
  • ROM(Read Only Memory)・・・電源を切っても内容が保持される、不揮発性のメモリになります。

また、USBやメモリーカードと言った外部メモリもROMの一種で、フラッシュメモリと呼ばれています。

マザーボード

コンピュータには多くの装置を載せて置く板が必要であり、その板の事をマザーボード(基板)と呼びます。

自作でPCを作成したことがある方はおなじみかと思いますが、このマザーボードのサイズによってメモリや拡張機能を出来るボードを増設することが可能です。

暗記事項

GPU(Graphics Proccessing Unit)・・・画像処理に特化した補助プロセッサで、特に3DCG等で必要な演算を行える仕組みになっています。

グラフィックスメモリ・・・パソコンにディスプレイに表示する文字や図形を格納する専用のメモリになります。

互換CPU・・・オリジナルCPUと互換性があり、同じソフトウェアが動作するCPUです。性能が同等の場合、オリジナルの物より安価と言ったメリットがあります。

マルチコアプロセッサ・・・コアはCPUのメイン回路を表しており、一つのCPU内に複数のコアを持つプロセッサの事を指します。演算処理を分散化することにより処理速度を高速化することを図っています。

DRAM・・・コンデンサを用いてデータを記憶するRAMの一種で、低速であるが集積度(一定面積に記憶できる容量)が高く、主記憶によく使われます。

SRAM・・・フリップフロップ回路と呼ばれる情報を維持する回路を用いてデータを記憶するRAMで、高速です。キャッシュメモリによく使われます。

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ハードウェア(五大装置)・例題

実際に例題を解いて問題に慣れていきましょう。

問題

問1

コンピュータを構成する一部の機能の説明として,適切なものはどれか。(H.21/秋)

ア 演算機能は制御機能からの指示で演算処理を行う。
イ 演算機能は制御機能,入力機能及び出力機能とデータの受渡しを行う。
ウ 記憶機能は演算機能に対して演算を依頼して結果を保持する。
エ 記憶機能は出力機能に対して記憶機能のデータを出力するように依頼を出す。

問2

クロック周波数2GHzのプロセッサにおいて一つの命令が5クロックで実行できるとき,1命令の実行に必要な時間は何ナノ秒か。(H.22/秋)

ア 0.1
イ 0.5
ウ 2.5
エ 10.0

問3

CPUに搭載された1次と2次のキャッシュメモリに関する記述のうち,適切なものはどれか。(H.30/秋)

ア 1次キャッシュメモリは,2次キャッシュメモリよりも容量が大きい。
イ 2次キャッシュメモリは,メインメモリよりも読み書き速度が遅い。
ウ CPUがデータを読み出すとき,まず1次キャッシュメモリにアクセスし,データが無い場合は2次キャッシュメモリにアクセスする。
エ 処理に必要な全てのデータは,プログラム開始時に1次又は2次キャッシュメモリ上に存在しなければならない。

解説(クリックで展開)

ハードウェア(五大装置)・まとめ

今回はハードウェアの五大装置について学習しました。

五大装置は最重要項目の一つで全て暗記してそれぞれの役割や具体例まで覚えておいても良いでしょう。

カズ
カズ
クロック数の計算問題もマスターしよう!

次回はハードウェアの記憶媒体に関して学習します。


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