ハードウェア

(1)情報素子に関すること

(2)プロセッサアーキテクチャに関すること

プロセッサの構造と動作

マシンサイクル

コンピュータの処理装置が一つの命令を取り出し実行する流れをマシンサイクルと呼びます（基本情報H18春[問18]）。 マシンサイクルは命令取出し段階と命令実行段階に大別されます。

• 命令取出し段階
  次に実行する命令を主記憶装置から取り出す段階です。
  • フェッチ
    プログラムカウンタの指すアドレスをもとに、主記憶装置に記憶された命令を1語、命令レジスタに取り出します。
  • プログラムカウンタの更新
    命令を1語取り出すたびに、プログラムカウンタの値を1増加させます。 プルグラムカウンタは常に次に取り出す命令のアドレスを指します。
• 命令実行段階
  命令レジスタに取り出した命令を実行する段階です。
  • 命令の解読
    取り出した命令の命令部は命令解読器(デコーダ)に送られ解読されます。 解読の結果は制御信号に変換され、演算装置などに送られます。
  • データの取出し
    アドレス部は、必要に応じてアドレス変換し、主記憶装置の指定アドレスからデータを取り出します。 データは汎用レジスタなどに記憶されます。
  • 命令の実行
    命令を実行します。 演算結果ならば、演算装置によって演算が実行され、その結果で、いくつかのレジスタの内容が更新されます。 また、読み書きの命令の場合、主記憶装置の指定アドレスとデータの転送が行われます。

プロセッサの性能と高速化技術

プロセッサの性能

プロセッサの性能は、内部時計の速さや、単位時間に実行できる命令数などで表されます。

MIPS(Million Instruction Per Second)

MIPS(Million Instruction Per Second)は、 1秒間に実行できる命令数を100万命令単位で表したものです。 したがって、1MIPSは1秒間に100万命令実行する性能があるということになります。

たとえば、50MIPSのプロセッサの平均命令実行時間を求める場合は次のようになります（基本情報H18春[問20]）。 50MIPSの処理装置は、1秒間に50,000,000命令を実行することが出来ます。 時間の単位が次のとおりですから、

時間の単位

1秒	＝	1,000ミリ秒
	＝	1,000,000マイクロ秒
	＝	1,000,000,000ナノ秒
	＝	1,000,000,000,000ピコ秒

1,000,000,000ナノ秒÷50×1,000,000命令＝1,000÷50＝20ナノ秒となります。

CPI(Clocks Per Instruction)

CPI(Clocks Per Instruction)とは、1命令あたりの実行クロック数を表します。 したがって、「出現頻度×実行クロック数」でもとめます（基本情報H18春[問19]）。

パイプライン処理方式

パイプライン処理方式は、命令の実行を「取出し」と「実行」に分け、 ある命令の「実行」と次の命令の「取出し」を並列に行うことで処理を高速化します。 すなわち、一つのプロセッサにおいて、複数の命令を少しずつ段階をずらしながら同時実行する方式です。（基本情報H18春[問17]）

(3)メモリアーキテクチャに関すること

CPUが直接制御するコンピュータ内部の記憶装置を内部記憶装置、主記憶装置などと呼び、 コンピュータ外部にあって主記憶装置を補う記憶装置を補助記憶装置または外部記憶装置などと呼びます。

なお、補助記憶装置はデータの出し入れに入出力動作を伴うため、入出力装置あるいは補助記憶装置として取り扱います。

メモリキャッシュ

キャッシュメモリ

キャッシュメモリは、中央処理装置と主記憶装置の間に置かれ、 速度差を補うために利用されます。

なお、「書き込み命令が実行されたときに、キャッシュメモリと主記憶の両方を書き換える方式」を ライトスルー方式といいます。

この方式は、主記憶への書き込みが完了するまで待つため、処理速度が低下する欠点があります。

また、「キャッシュメモリだけを書き換えておき、主記憶の書き換えはキャッシュから 該当データが追い出されたときに行う方式」をライトバック方式といいます（基本情報H18春[問22]）。

ECCメモリ(Error Check and Correct memory)

ECCメモリ(Error Check and Correct memory)は、 メモリに誤った値が記録されていることを検出し、正しい値に訂正することが出来るメモリです。 高い信頼性を必要とするサーバーなどに多く採用されています。

ハミング符号は、このメモリにおける、情報に冗長ビットを付加する誤り検出訂正方式の１つです。 2ビットの誤りを検出し、1ビットの誤りを訂正することが出来ます（基本情報H18春[問23]）。

磁気ディスクのアクセス時間

アクセス時間はシーク時間＋回転待ち時間＋データ転送時間です（基本情報H12秋[問22]）。

メモリの容量

データの記憶単位

1ブロックのレコード数をブロック化因数といいます（基本情報H11秋[問22]）。

ハードディスクの記憶容量

ハードディスクの記憶容量は、単位あたりの容量や枚数をかけることによって求めることが出来ます。

たとえば、500バイトのセクタ8個を1ブロックとして、ブロック単位でファイルの領域を割り当てて管理しているシステムがあるとします。 2000バイトおよび9000バイトのファイルを保存するとき、これら二つのファイルに 割り当てられるセクタ数の合計（ディレクトリなどの管理情報が占めるセクタは考慮しないものとする）は

1. 2000バイトのファイルは、1ブロック4000バイトなので、1ブロックで記憶できます。
2. 9000バイトのファイルは、1ブロック4000バイトなので、3ブロック必要です。
3. １と２より、１＋３＝４ブロック必要になります。

1ブロックはセクタ8個ですから、４×８＝３２セクタとなります（基本情報H18春[問24]）。

メモリの構成・特徴

(4)補助記憶に関すること

記憶媒体

DVD

DVDは、再生専用型、追記型、書換え型の3種類があり、片面2層記録方式のDVDの場合記憶容量が8.5GBあり、 CD-ROM(640MB)の約13倍の記憶容量があります（基本情報H12秋[問21]）。

補助記憶装置の種類・特徴

パケットライティング

パケットライティングは、CD-Rへの書込み方式の一つです。 通常のCD-Rでは書込みの単位はトラックになりますが、それをより小さなブロックに分けて書き込めるようにしたものです。 小さな単位で書込みが出来るので、フロッピーディスクやMOのような感覚でCD-Rを利用できます（基本情報H15秋[問25])。

(5)入出力アーキテクチャと装置に関すること

入出力インターフェース

USB

パソコン用のシリアルインターフェースの規格USBは、 ハブを介してパソコンなどに最大127台の機器をツリー上に接続でき、 機器の接続を自動的に認識する機能（プラグ･アンド･プレイ機能）や、 パソコンや機器の電源を入れたままでコネクタの抜き差しが出来る機能（ホット・プラグ機能）を持ちます。 また、機器への電源供給も可能です。

USBは、接続する周辺装置はすべて同じコネクタとケーブルで統一しています。 転送速度は、USB1.1が12Mbps、USB2.0が480Mbpsとなっています。

USBの転送モード

USBには速度別に分けるとハイスピードモード（高速）、フルスピードモード（中速）、 ロースピードモード（低速）の３つのデータ転送モードがあります（基本情報H18春[問25]）。

一般にプリンタやスキャナはフルスピードモードで、キーボードやマウスはロースピードモードで 使用されます（基本情報H12秋[問25]）。

なお、用途別に分類すると次のような転送モードがあります。

• コントロール転送
  デバイスの設定・制御のためのもの
• インタラプト転送
  一定間隔でデータを転送するためのもの。 キーボードやマウスなど。
• バルク転送
  比較的まとまった量のデータを非周期的に転送するためのもの。 記憶装置やスキャナなど。
• アイソクロナス転送
  連続的周期的なデータ転送を行う。 再送がないため確実性は保証されない。 ビデオやオーディオの入出力など。

(6)コンピュータの種類と特徴に関すること

コンピュータの基本機能

コンピュータを構成するハードウェアの機能は、 入力機能、記憶機能、演算機能、制御機能、出力機能の五つに大別されます。 また、これらの機能を実現するための装置として、 入力装置、記憶装置、演算装置、制御装置、出力装置があります。 これらの五つの装置を「コンピュータの5大装置」といいます。

なお、記憶装置はその働きによって、主記憶装置と補助記憶装置に分けられます。 5大装置を個別に見ていくと次のようになります。

1. 入力装置
   　コンピュータにデータやプログラムなどを読み込むための装置です。 入力装置には、キーボードやマウス、文字読取装置、マーク読取装置などがあります。
2. 出力装置
   　コンピュータの記憶装置などに記憶されているデータを外部に送り出す装置です。 プリンタや表示装置（ディスプレイ装置）などがあります。
3. 記憶装置
   　制御装置からの指示や命令に従って、データやプログラムを記憶する装置です。
4. 制御装置
   　主記憶装置にある命令を取り出して解読し、処理に必要な指示や命令を他の装置に与え制御を行う装置です（基本情報H18春[問26]）。
5. 演算装置
   　四則演算などの算術演算や比較演算、論理積や論理和などの論理演算等を行う装置です。

コンピュータ・アーキテクチャの基本

プログラム内臓方式

プログラム内臓方式とは、コンピュータの基本アーキテクチャで、 プログラムとデータを一緒にコンピュータの記憶装置の中に読み込んで実行する方式です（基本情報H15秋[問29])。

なお、フォン・イノマンの考案したプログラム内臓方式(ストアドプログラム方式)以前は実行する命令と データをあわせて逐次読み込みながら実行するために、実行時に入力装置からプログラムとデータを そのつど読み込ませていました。

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