第2回コンピュータとは(1) 五大装置と割込み

この回のねらい

コンピュータの五大装置を挙げ、それぞれの役割を言える
制御の流れとデータの流れを、図の上で区別できる
メモリの番地（アドレス）の数え方が分かる
4 種類の割込みを、具体例から見分けられる

コンピュータと計算

コンピュータ（computer）は compute（計算する）が由来です。何を計算するのか。たとえば、物を水平に投げたときの動きを考えてみましょう。

到達距離は、水平方向の初速度に比例する（初速が 2 倍なら距離も 2 倍）
高さは、着地するまでの時間の2 乗に比例する（時間が √2 倍なら高さは 2 倍）

投げた物はどこに落ちるか動かせます

水平方向の初速度 12 m/s 高さ 45 m

物理の実験なら、空気抵抗で誤差が出ます。コンピュータは半導体 ⇒ 論理回路 ⇒ 2 進数（デジタルデータ）という仕組みで、曖昧さのない形で、大規模に正確に計算します。なお、自然現象そのものを計算に使うナチュラルコンピュータという方向もあり、量子力学を使う量子コンピュータ、生物学を使う分子コンピュータ・DNA コンピュータが研究されています。

コンピュータの五大装置

コンピュータは、次の 5 つの装置と、それらをつなぐバスからできています。図の四角をクリックすると、その装置の説明が出ます。

五大装置とバスクリック

装置の四角をクリックしてください。

バスの 3 種類（第1回の復習）
アドレスバス	データバス	コントロールバス
番地の指定	データの転送	制御信号

CPU の中身

CPU では整数の演算と小数の演算を分けています（小数は浮動小数点ユニットが担当）
キャッシュメモリ ── CPU がバスを通して他の装置と情報を交換する際に、データを一時的に保管する記憶装置。毎回遠くまで取りに行かずに済ませるための仕組み
現在の CPU はマルチコアプロセッサ。1 個の CPU の中に演算の核（コア）が複数ある

主記憶装置とメモリマップ

主記憶装置はバスに直結され、CPU と高速に情報をやりとりできます。 CPU と補助記憶装置とのやりとりも、バスと主記憶装置を通して行われます。

メモリは番地（アドレス）で場所を指定します。下の表は 16 進数で番地を振ったメモリマップです。マスをクリックしてみてください。

メモリマップ（16×16）クリック

マスをクリックすると、その番地が出ます。

注意：いちばん右下は (FF)₁₆ ＝ 10 進数で 255 番地です。 0 番地から数えているので、番地の総数は 256 になります。「最後の番地の値」と「番地の個数」は 1 つずれます。

割込み

コンピュータは、実行中の処理を一時中断して別の処理へ切り替えることがあります。これを割込みといいます。

種類	いつ起きるか
タイマ割込み	一定時間ごとに発生する
内部割込み	CPU 内部で、権限の異なるプログラムへ移るとき
ハードウェア割込み	外部の装置から。キーボード割込み、マウス割込みなど
0 割算割込み	0 で割り算をしたとき

これは何割込み？10問

場面を読んで、当てはまる割込みのボタンを押してください。

周辺装置と入出力バッファ

バスにつながる周辺装置（Device）には、入力装置・出力装置・入出力装置・補助記憶装置があります。

入出力装置は、CPU に比べるとはるかに遅い機械です。そこで間にバッファという一時置き場を挟み、たまったところで入力割込み／出力割込みを出して CPU に知らせます。

入力装置 → バッファ → 主記憶装置 → CPU     （入力割込み）
出力装置 ← バッファ ← 主記憶装置 ← CPU     （出力割込み）

補助記憶装置

紙テープ、磁気テープ、カセットテープ、フロッピディスク、ハードディスク、 CD、MD、DVD、光ディスク、SSD（Solid State Drive）。古い順に並べると、そのまま記録密度と速度の歴史になります。