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その後、第2次世界大戦の最中の1944年になって、米国のハーバード大学のエイキンとホッパーがモーターやリレー電磁石といった電気の力を利用した電気機械式計算機MarkⅠを完成しました。
これはその後改良されIBM社に引き継がれていきました。
2.1.2 電子計算機の登場
米国では第2次大戦のため砲弾の軌道計算が必要でした。
ペンシルバニア大学のエッカートとモークリイは、当時発明された真空管を使った電子式計算機のENIACを1946年に完成しました。
電子式なのでMarkIの約100倍の計算能力がありました。
これが今日のコンピュータ(電子計算機)の初代機といわれています。
真空管を18,000本以上使い重量30トンもあって、家1軒分もあるような巨大な代物でした。
またプログラムやデータは、配線やスイッチを一々変えて入力したので、変更が大変でした。
その同じ年に、フォン・ノイマンがプリンストン大学で「プログラム内蔵方式」を提案しました。
処理手順を示すプログラムをデータと同様に計算機に記憶させるという考えでした。
この方式はその後のコンピュータに「ノイマン方式」として広く採用され、彼はコンピュータの父といわれています。
また、1948年にアメリカのベル研究所のシャノンが、情報量や情報の誤りに関する情報理論を発表しました。
彼は2進数を使えば計算だけでなくいろいろな情報(音や映像など)をコンピュータで処理できることを示しました。
これらに刺激され、1948年にはイギリスのケンブリッジ大学のウィルケスらがEDSACを、翌年1949年には再びエッカートとモークリイがEDVACを完成しました。
初めのコンピュータは軍事利用といった国策絡みの利用が主でしたが、その後、科学計算用、さらに商業利用に転嫁され研究も進み、コンピュータは普及していきました。
1951年にはアメリカでレミントンランドが初めての商品としての汎用コンピュータであるUNIVAC-Ⅰを出荷し、遅れて翌年IBM社が商用機IBM701を発売しています。
日本でも1947年には山下英男が分類集計機を完成させ、後に日本電気や富士通に引き継がれました。
1956年には電気試験所(現在は電子技術総合研究所)でトランジスタを使ったMARKⅢを完成し、翌年には電電公社で独自のパラメトロンを使ったMUSASHINO-1を完成させています。
こうして日本も世界の計算機業界へ仲間入りしていきました。
1957年には、IBM社によって科学計算用のコンピュータ言語FORTRANが作成されました。
1959年にはヨーロッパで数学記述用のコンピュータ言語ALGOLが発表され、1960年にはアメリカで商業用コンピュータ言語COBOLが開発されました。
こうして情報処理に関する技術が進んできたので、国際的にルールを統一するため1960年にはIFIPS(情報処理国際連合)が設立されました。
日本でも情報処理学会が設立されています。
1964年にはアメリカのダートマス大学のケメニイとクルツが、TSS端末上で会話型で使えるBASIC言語を開発しました。
これは初心者向きの言語として後にコンピュータで広く使われるようになりました。
1965年にはミニコンピュータとしてアメリカのDEC社がPDP-8を開発しています。
また通信回線によるオンライン化も始まりました。
このころアメリカを中心として世界的にコンピュータ技術は急速に進歩しました。
日本でも1970年代には日立と富士通、日本電気と東芝、三菱電機と沖電気の3グループに政府が力を入れて出資し、それぞれMシリーズ、ACOSシリーズ、MELCOMシリーズ等の汎用コンピュータを出荷しています。
2.1.3 パソコンの登場
1971年にはアメリカでテキサスインスツルメンツ社が1チップマイクロコンピュータの基本特許をとり、インテル社も汎用マイクロプロセッサ(microprocessor)4004を発表しました。
これらは電卓(電子式卓上計算機)やゲーム機に広く採用され、コンピュータの小型化と低価格化が進み、今日のパソコン普及への基盤ができたといえます。
1976年にはアメリカのクレイがスーパーコンピュータ(supercomputer)CRAY-1を発表し会社を設立しましたが、翌年アップル社がパーソナルコンピュータ(personalcomputer、略してパソコン)Apple-IIの発売を始めました。
1978年には日本語ワープロ(wordprocessor)も発売されました。
こうして超大型コンピュータからマイクロコンピュータといった、様々なコンピュータとそれらを使う多様なソフトが開発されていきました。
1979年にはビル・ゲイツ率いるマイクロソフト社が、パソコンの基本ソフトとして「MS-DOS」を発表し、パソコンの普及に拍車をかけました。
1981年にIBM社はパソコンIBM/PCに「MS-DOS」を搭載して売り出しました。
この頃、通信機能を取り入れて遠隔地からコンピュータを使えるオンライン化も進み、列車や飛行機の座席予約システムや銀行預金システムに利用されました。
1980年になると日本でも電電公社(今はNTT社)のDDX交換サービス等のデジタル通信が始まりました。
翌年には日本産スーパーコンピュータも発表されています。
1983年にはAT&T社(旧ベル研究所)からUNIXSystem/Vが発表され、通信機能を強化したワークステーション(WS;
workstation)も登場しました。
1985年にはアップル社が新型機Macintoshによるデスクトップパブリッシング(DTP:
机上印刷)を発表し、コンピュータの出版への利用も進みました。
この頃ワープロやファミコン(familycomputer)も大変普及し始めました。
コンピュータには最新の素子が使われています。
下表にその世代区分についてまとめました。
表2.1 コンピュータの世代区分
年 代 世代区分 ハードウェア素子 ソフトウェア言語 特 徴
1951 第1世代 真空管 機械語 基本的技術
プログラム内蔵方式
1959 第2世代 トランジスタ アセンブラ オペレティングシステム
1965 第3世代 IC 高級言語 オンライン化
(集積回路) (FORTRAN, TSS(時分割処理)
1970 第3.5世代 LSI COBOL, 集中から分散へ(ミニコン)
(大規模IC) BASIC) 仮想記憶方式
1979 第4世代 VLSI 構造化言語 スーパーコンピュータ
(超LSI) (Pascal,C) パーソナルコンピュータ
1990 第5世代 VLSI 人工知能言語 ワークステーション
超伝導素子 WWW用言語 データベース、インターネット
一方、冷戦の時代の1970年頃からアメリカ国防総省によって軍や政府、研究機関を電子メールなどでつなぐARPAネットが発達します。
1989年スイスの素粒子物理学研究所CERNでは学術論文を公表するためにWWW(worldwideweb)が始まりました。
さらに1991年のソ連の崩壊以後、パソコンの普及とともにインターネットが爆発的に広がりました。
2.1.4 コンピュータの種類
コンピュータは現在も進化し続けているので、いろいろな種類のものが登場しています。
コンピュータを高価なものから安価なものにならべてみます。
非常に複雑で高度な科学技術計算を行うための超大型コンピュータをスーパーコンピュータと呼んでいます。
国家機関や大企業の研究所で天気予測や衛星の追跡、核融合の研究などの大規模計算に使用されています。
スーパーコンピュータを持つことが、経済の指標や国家の威信にもつながるので盛んに研究開発がされています。
最近ではCPUやメモリ等を数十個、数百個と並列にならべて高速化した超並列コンピュータの形のものが多く開発されています。
次に、企業の事務計算や、工場での技術計算などの広範囲の処理ができる汎用コンピュータ(近年メインフレームと呼ぶ)があります。
これは集中化した計算機の利用に向いています。
また、ミニコンピュータやオフィスコンピュータと言われていた中・小型のコンピュータが、今はワークステーション(WS;
workstation)と呼ばれる、分散化とネットワークの利点を生かしたものに取って替わられるようになっています。
一方、市販のマイクロプロセッサとメモリ、入出力装置、記憶装置等を備えた小型のパソコンは、低価格化が進んで個人での利用が今大変増えています。
机の上に置く程度の大きさのデスクトップ機から、ノート型パソコン、移動を特技としたモバイルパソコン、手のひらサイズの電子手帳のようにビジネスマンによく利用される他、小学生のゲーム機にも利用が広がっています。
購入者が自由に周辺機器や部品を選べるので、個人の要求に合ったシステムを構築できます。
デザインを重視したマルチメディアパソコンのMacintosh機や、仕様を公開してオープン化を売り物にしたDOS/V機といったものが、特に普及しています。
また携帯電話や一般の家庭用電気製品、自動車のような機械にも、マイクロプロセッサチップが搭載されています。
近い将来には身の回りのほとんどの電気・電子製品が小さなコンピュータを含んだ(いつでもどこでもコンピュータの)時代が来ると思われます。
2.2 ハードウェアの原理
コンピュータには、超大型計算機から携帯電話の中にあるようなマイクロプロセッサまでいろいろな形態がありますが、コンピュータそのものまたはその部品のことをハードウェア(hardware)と呼んでいます。
現在ではそのほとんどが電子回路で構成されていますので、その原理について見ていきましょう。
2.2.1 数の表現
「デジタル(digital)」という言葉を近年よく耳にします。
これは従来の回転式の指針と目盛りをもったアナログ(analogue)式の時計や温度計などと違って、数値で表現されるものをいいます。
ほとんどのコンピュータは、次に述べる2進数(binarynumber)のデジタル方式をもとに設計されていますので、数値を扱うのが得意です。
情報の最小単位には、YesかNoか、白か黒か、スイッチのON/OFFとか、ほんと(真)かうそ(偽)かといったような、2つの場合があります。
これを表すのに0と1をそれぞれ当てることにすると、いろいろな状態や場合を表すのに“0”と“1”の数値で表現することができます。
こうして2進数が作られます。
2進数の1桁をビット(bit:
binarydigitの略)と呼びます。
1から20までの数の表現方法を、私たちのよく知っている10進数と2進数について比べたものを表2.2に示します。
この表にはさらに8進数と16進数をその右に示しました。
8進数は8になると位が上がり、16進数は16で位が上がります。
16進数では10に“A”、11に“B”、...、15に“F”の記号を使います。
表2.2 数の表現
10進数
2進数
8進数
16進数
1
1
1
2
10
2
3
11
3
4
100
4
5
101
5
6
110
6
7
111
7
8
1000
10
9
1001
11
10
1010
12
A
11
1011
13
B
12
1100
14
C
13
1101
15
D
14
1110
16
E
15
1111
17
F
16
10000
20
17
10001
21
18
10010
22
19
10011
23
20
10100
24
これを発展させて、負の数や少数、科学技術計算用数値なども表すことができますが、ここでは省略します。
2.2.2 文字の表現
数値以外の文字や記号についても、こうして順番に2進の数値列を対応させることによって表現できます。
これを2進コード(binarycode)と呼びます。
2進コードでは、1桁で2通り、2桁で4通り、3桁で8通り、一般にはN桁で2^N通りの表現ができます。
アルファベットの大文字・小文字、数字、特殊文字(¥/&+,等)などのタイプでよく使われる文字と幾つかの制御文字もあわせて、文字コードの標準が定められています。
国際標準のISO(InternationalStandardizationOrganization)コード、アスキーコード(ASCII;
AmericannationalStandardCodeforInformationInterchange)があります。
日本では、ASCIIコードに半角仮名コードを含めたジスコード(JIS;
JapanIndustryStandard,日本工業規格)、さらに全角の平仮名や漢字を含めたJIS漢字コードがよく知られています。
例えば半角“A”という文字はASCIIコードでは、2進で“01000001”(16進で“41”、10進では65)と決められています。
ASCIIコードやJISコードでは8桁(256通りまで)、すなわち8ビットです。
この8ビットを1バイト(Byte)と呼び、約1文字分の情報を表します。
JIS漢字コードでは第1水準(約3,000字)、第2水準(約3,400字)といった漢字や仮名等を含むので、8ビットでは表現できず、16ビット(65,536通り)で表します。
従って2バイトとなります。
情報の大きさを示す量としてこのバイトが使われますが、210(=1,024)バイトを1キロバイト(KB)と呼びます。
さらに1,024KBを1メガバイト(MB)、その上の1,024MBを1ギガバイト(GB)といいます。
薄い教科書1冊分程度の文字だけなら約1MB、百科事典くらいになると約1GBが目安と言われています。
文字を表示したり印刷するには、文字コードに対応した文字書体のセットであるフォント(font)が必要です。
昔は電卓などの表示のように縦横の2次元配列に文字の形を点の集合で表したドットフォント(dotfont)が一般的でした。
しかし、これだとギザギザになってしまうし、また文字サイズも自由になりませんでした。
今では、文字の輪郭を計算で描くアウトラインフォント(outlinefont)になっています。
これだとサイズが自在に変えられギザギザも出ません。
また書体も自由に選べ、日本語では「明朝体」「ゴシック体」といったいろいろな書体も用意されています。
2.2.3 論理と演算
数値や文字などの情報が2進数で表せることが分かりましたが、この“0”と“1”を偽(false)と真(true)に対応させると、いわゆる命題論理が扱えます。
「人間は動物である」という命題があってこれは真である…という数学か論理学で習った(?
)例のやつです。
2つの命題p,qについて、「pまたはq」を“p∨q”、「pかつq」を“p∧q”で表します。
「pでない」という否定は“¬p”で表します。
この3つを使えば、複雑な論理が真なのか偽なのかを、記号で判定することができます。
その真偽を表す表を真理表といいます。
論理否定(not) 論理和積(and) 論理和(or)
p
q
p∧q
F
T
¬p
表2.3 真理表
p∨q
この記号論理学を19世紀のイギリス人ブールはブール代数と呼ばれる数学に発展させました。
上の表でF(偽)を0に、T(真)を1に置き換えてみてください。
命題論理学:
pまたはq、pかつq、pでない(偽/真)
記号論理学:
p∨q、 p∧q、 ¬p(F/T)
ブール代数:
p+q、 p・q、 p’(0/1)
この“+”、“・”や“’”の記号は演算を示しています。
こうして論理も代数記号で表すことができます。
いわゆる四則計算(+、-、×
、÷
)も演算ですので、コンピュータではこれらを同じように扱えます。
2.2.4 論理回路(logicalcircuit)
以上で述べた2進数の数値や演算を機械で実現するために、論理回路が使われます。
スイッチではON,OFFを“1”,“0”で表せますが、今ではこうした論理回路は半導体(semiconductor;
金属と絶縁体の中間の性質をもつシリコンなどの物質)から作られた電子回路で作られます。
まず、電気では電圧の+と-や高いと低い、または電流の状態等を“1”と“0”に対応させます。
入力信号を処理する基本回路としては、NOT回路、AND回路、OR回路の3つです。
それぞれの回路図はトランジスタ(transistor)をかたどった下図の形(MIL記号といいます)で表します。
NOT回路では入力信号を反転して出力します。
これは論理否定(not)に対応します。
AND回路では2つの入力信号の論理積(and)をとって出力します。
OR回路では2つの入力信号の論理和(or)をとります。
それぞれ以下の表に示したように0と1を出力します。
この表を真理値表と呼びます。
2.4 基本回路図
NOT回路 AND回路 OR回路
入力A
入力B
出力C
0
1
論理否定(NOT)論理積(AND) 論理和(OR)
入力A
出力B
この基本回路を組み合わせて、例えば、NOTとANDとを組み合わせたNAND回路、NOTとORとを組み合わせたNOR回路というものや、さらに、半加算器回路、全加算器回路というものが作られます。
これらはカウンタ(数を数える)やレジスタ(一時的なデータの記憶)、算術論理演算回路(加減乗除や論理)によって演算装置の基本部分や、フリップフロップ回路という記憶回路によって記憶装置の基本部分に使用されています。
詳しい説明はしませんが、ブール代数は複雑な回路の設計に利用されています。
これらの回路の組み合わせたものを、集積回路(IC;
integratedcircuit)といいます。
チップに組み込まれているトランジスタ回路のおおよその数によって、小規模集積回路(SSI;
smallscaleIC,20以下)、中規模集積回路(MSI;
mediumscaleIC,100位まで)、大規模集積回路(LSI;
largescaleIC,10,000位まで)ともいいます。
今では、超大規模集積回路(VLSI;
verylargescaleIC,10,000以上)がCPUやメモリに標準的に使われています。
2.3 コンピュータの構成要素と周辺機器
コンピュータの構成要素をハードウェアと呼ぶことを前に述べましたが、大型コンピュータや普通のパソコンでは図2.3のように構成要素を本体と周辺装置に大きく分けることができます。
図2.3 構成要素
2.3.1 本体(CPUとメインメモリ)
本体は、演算や判断などを行ったり、システム全体の制御を行う中央処理装置(CPU;
centralprocessingunit)と、プログラムやデータを記憶する主記憶装置(mainmemoryunit)からなります。
CPUはレジスタや演算回路からなるICで、コンピュータの心臓部とも言うべきものです。
パソコンやマイクロコンピュータでは単にMPU(micro-processingunit)ということもあります。
この性能によってコンピュ
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