【高校情報授業】コンピュータの構成要素～CPU・メモリ～問題集・教科書準拠
コンピュータの構成要素
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【文字おこし】
今日はコンピュータの構成要素やメモリやCPUについて説明していきます。
たとえば、何か分からないことを検索したいときどんな装置が使われるか考えてみましょう。
まずはキーボードやタブレットを使って調べたいキーワードを検索欄に入れて。検索ボタンをタップしたり、マウスでクリックしたりすると思います。
そして、その後その入力した情報はパソコン本体に送られて、パソコンの画面つまりディスプレイに検索結果が表示されます。
このキーボードやタブレット、マウスのような、入力する装置を、「入力装置」といいます。
そしてパソコンを通して、情報を出力して私たちに見せてくれる装置を出力装置といいます。
ディスプレイだけではなく、プリンターも紙に印刷してくれるので出力装置の一つになります。
今度は入力したデータがどのような流れで出力装置に表示されるかのパソコン内部の流れについて詳しく説明していきます。
入力装置で入力されたデータは、記憶装置に送られます。
記憶装置は動作に必要な情報を保持したりファイルとして保存したりするものになります。
記憶装置は主記憶装置と補助記憶装置に分けられます。
主記憶装置は動作するために必要なプログラムやデータを一時的に記憶する装置でコンピュータの電源を切ると、その内容は消えてしまいます。例としてメインメモリが主記憶装置にあたります。
補助記憶装置はプログラムやデータを長期にわたって保存できますが、主記憶装置に比べて処理が遅い点が特徴としてあります。代表的な例としてハードディスクがあります。
主記憶装置のデータは制御装置や演算装置に送られます。
制御装置は入力装置や出力装置を含め，すべてを制御する指揮者みたいな役割になります。演算装置は、命令に従って演算を行って結果を記憶装置に返します。
この制御装置と演算装置を合わせてCPUといいます。
CPUは人の頭脳に例えられることが多く、複数のCPUを持つ装置も多いです。
パソコンにこんなシール貼られているの見たことある人いると思います。
あっ！インテルという会社のCPUですね。
CMでインテルが入ってるってダジャレ聞いたことあります。
インテルは世界的に有名なCPUメーカですが、年を追うごとにどんどん性能がアップしています。
CPU の動作速度が速いほど，１動作あたりに実行する命令や処理するデータが多くなって、性能の良いCPU となります。
さきほど主記憶装置のメインメモリについて説明しましたが、CPUにとっての作業場所がメモリになります。
メモリの単位はなんとがギガバイトが使われるものが多いですが、この数値が大きいほど作業場所が広いイメージになります。
特に複数の仕事を同時に進行する場合は広くする必要があります。。
ここがせまいと，コンピュータ全体の処理速度が落ちます
そして、もしメモリが足りない場合は，あふれたデータを補助記憶装置のハードディスクに保存するため，ハードディスクとのデータのやり取りにほとんどの時間がとられ，いくらCPUが高速でも実行速度は上がりません。
最近では，ハードディスクのかわりにデータの読み書きの速度が速いSSDというのが
（Solid State Drive）普及し始めていて、コンピュータの実質的な動作速度を上げることも可能になっています。
――
次にソフトウェアについて説明していきます。
Windowsの様なコンピュータ利用者とハードウェアの間で動作してハードウェアを利用者に意識させずに効率よくコンピューターを動作させるためのソフトウェアをオペレーティングシステムを略してOSと言います。大きく基本ソフトウェアとも言います。
ワードやエクセル、パワーポイント、ブラウザなどは応用ソフトウェアと言います。
プリンタやディスプレイやハードディスクの様な入出力装置や補助記憶装置などを周辺機器といいます
基本ソフトウェアであるOSは、周辺機器を動作させるためのデバイスドライバというプログラムを追加することで、様々な周辺機器に対応させることができます。
人間と機械の間で情報を伝達するための入出力装置のことをユーザーインターフェースと言います。
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つぎは、オペレーティングシステム OS の役割について詳しく説明していきます。
OSは、プリンタ、ハードディスク等の様なハードウェアとワード、エクセルの様な応用ソフトウェアとを仲介することを目的としています。
タスク管理は、ソフトウェアの実行順序やCPUへの割り当てなどを管理する機能になります。
記憶（メモリ）管理は 各ソフトウェアが使うメモリの割り当てを管理する機能になります。
入出力管理は、キーボードやプリンタなどの周辺機器のハードウェアを管理する機能になります。
ファイル管理は 補助記憶装置とのファイルのやり取り（読み込み・書き込み）を管理する機能になります。
資源（リソース）管理は、CPU、メモリ、ハードディスクなどのコンピュータ資源を管理する機能になります。
ユーザ管理は 複数のユーザアカウントを登録したり、削除したりして、コンピュータの利用者を管理する機能になります。
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先ほど、主記憶装置について説明した時にメインメモリを代表例として説明したが、主記憶装置の動作速度は、CPUほど高速化が実現されていません。
そこで、CPUと主記憶装置との間に、小容量ながら高速な記憶装置であるキャッシュメモリを配置する仕組みが用いられています。
キャッシュメモリを合わせた処理フローについて説明していきます。
主記憶装置から読み込んだデータは、キャッシュメモリにも保存されてCPUに渡されます。
再度同じデータを読み込む場合は、主記憶装置からではなく、高速なキャッシュメモリからデータを取得します。キャッシュメモリにデータが無い場合は、主記憶装置がデータを返却します。
キャッシュメモリの容量は小さい為、主記憶装置が持っているすべてのデータをキャッシュメモリに保存できるわけではありません。
CPUがキャッシュメモリに問い合わせ、目的とするデータがキャッシュメモリに入っている確率をヒット率と呼びます。
この図の例だと主記憶に４つデータがあるうち、キャッシュメモリに１つデータがあるのでヒット率は２５％となります。
試験で問われるのは、キャッシュメモリを利用したコンピュータの平均的なアクセス時間である実効アクセス時間の計算です。
実際に問題を解いて行きましょう。
キャッシュメモリへアクセスする時間は２０ナノ秒
主記憶装置へアクセスする時間は８０ナノ秒
キャッシュメモリに必要な情報があるヒット率を６０％とした場合の、実効アクセス時間を求めてください。
まず全体の中でキャッシュメモリにアクセスする平均時間を求めます。
これはキャッシュメモリへのアクセス時間×ヒット率で求められます。
２０ナノ秒×６０％（０．６）を計算すると１２ナノ秒になります。
次に全体の中で主記憶装置にアクセスする平均時間を求めます。
これは主記憶装置へのアクセス時間×（１ーヒット率）で求めます。
８０ナノ秒×（１００％―６０％）＝３２ナノ秒 になります。
求めた値の１２ナノ秒＋３２ナノ秒をした４４ナノ秒が実効アクセス時間になります。
――
今はキャッシュメモリ１つで説明しましたが、キャッシュメモリは複数重ねて設置できます。
CPUに近い方から1次キャッシュメモリ、２次キャッシュメモリと言います。
※基本情報技術者試験過去問解説
【解説重要用語】
CPU、制御装置、演算装置、入力装置、記憶装置、出力装置、主記憶装置、補助記憶装置、キャッシュメモリ、メインメモリ、OS（オペレーティングシステム）、基本ソフトウェア、応用ソフトウェア、SSD、HDD、ヒット率、実効アクセス時間、１次キャッシュメモリ、２次キャッシュメモリ
★私の目標
「とある男が授業をしてみた」 の葉一さん
https://www.youtube.com/user/toaruotokohaichi
※Google社に招待頂いた、「YouTube教育クリエイターサミット2020」で
葉一さんと文部科学省・Google役員の対談セッションに感銘を受けて、高校情報講座スタートしています。
【参考サイト・参考文献】
tkmium note（共通テスト対策・プログラミング・情報教育全般）
★情報関係基礎の過去問解説が充実しております！
https://tkmium.tech/
文部科学省 「情報Ⅰ」教員研修用教材
https://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/zyouhou/detail/1416756.htm
詳細（情Ｉ703 高校情報Ｉ Python）｜情報｜高等学校 教科書・副教材｜実教出版 (jikkyo.co.jp) 検定通過版
https://www.jikkyo.co.jp/book/detail/22023322
令和4年度新版教科書「情報Ⅰ」｜高等学校 情報｜日本文教出版 (nichibun-g.co.jp)検定通過版
https://www.nichibun-g.co.jp/textbooks/joho/2022_joho01_1/textbook/
その他、情報処理技術者試験（全レベル１～４）／IT企業15年勤務（システム技術部 部長）経験から培った知識を交えながら解説しています。
かわいいフリー素材集 いらすとや (irasutoya.com)
https://www.irasutoya.com/
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