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CPU(Central Processing Unit: 中央処理装置) はコンピュータの頭脳にあたる部品です。プログラムの命令を読み取り、演算を実行し、結果を出力します。
CPUは主に次の3つの要素で構成されています。
CPUが処理を行うタイミングを刻む信号を クロック といいます。クロック周波数 はこのクロックの速さを表し、単位は Hz(ヘルツ) です。
例: 3.0 GHz のCPUは1秒間に30億回のクロックを刻む
クロック周波数が高いほど、1秒間に多くの命令を処理できます。
命令の実行を複数のステージ(命令取り出し → 解読 → 実行 → 書き戻し)に分けて、ステージごとに異なる命令を並行処理する技術です。なぜ高速化するかを洗濯に例えると、1台目が乾燥中に2台目の洗濯を開始するのと同じ原理です。命令の各段階を重ね合わせることで、1命令ずつ完了を待つよりも全体のスループット(単位時間あたりの処理量)が大幅に向上します。
| 処理方式 | 説明 |
|---|---|
| パイプライン処理 | 命令を複数ステージに分けて並行実行 |
| スーパーパイプライン | パイプラインをさらに細かく分割して高速化 |
| スーパースカラ | 複数のパイプラインを持ち同時に複数命令を実行 |
1つのCPUチップに複数の処理コア(演算ユニット)を搭載したプロセッサです。
| 名称 | コア数 | 説明 |
|---|---|---|
| シングルコア | 1 | 1つの処理を順番に実行 |
| デュアルコア | 2 | 2つの処理を同時実行可能 |
| クアッドコア | 4 | 4つの処理を同時実行可能 |
| オクタコア | 8 | 8つの処理を同時実行可能 |
| 方式 | 正式名称 | 特徴 |
|---|---|---|
| CISC | Complex Instruction Set Computer | 命令の種類が多く複雑。1命令で高機能な処理が可能 |
| RISC | Reduced Instruction Set Computer | 命令の種類を絞り単純化。1命令を高速に実行 |
現在のCPUはRISCの設計思想をベースにしたものが主流です。
GPU(Graphics Processing Unit) は画像処理に特化したプロセッサです。大量の単純な計算を並列に実行できるため、近年ではAIの機械学習やディープラーニングにも活用されています。GPU が AI に使われる理由は、ニューラルネットワークの学習が大量の行列演算で構成されているためです。CPU は複雑な処理を少数のコアで高速に実行するのに対し、GPU は数千のコアで単純な計算を一斉に実行します。この並列処理能力が行列演算に最適です。
ポイント
CPUは 制御装置・演算装置(ALU)・レジスタ で構成される。クロック周波数 が高いほど処理が速い。パイプライン処理 で命令実行を効率化し、マルチコア で並列処理を実現する。GPUは並列計算に強く、AI分野でも活用されている。
用語
コンピュータの記憶装置は、速度・容量・コストに応じて 階層構造 になっています。上位ほど高速・小容量・高価格、下位ほど低速・大容量・低価格という関係です。
| 階層 | 種類 | 速度 | 容量の目安 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| 第1層 | レジスタ | 最高速 | 数十〜数百バイト | CPU内部の一時記憶 |
| 第2層 | キャッシュメモリ | 非常に高速 | 数MB〜数十MB | CPUと主記憶の速度差を埋める |
| 第3層 | 主記憶装置(RAM) | 高速 | 数GB〜数十GB | 実行中のプログラムやデータを保持 |
| 第4層 | 補助記憶装置 | 低速 | 数百GB〜数TB | データの永続保存 |
キャッシュメモリ は、よく使うデータを一時的に保持して高速アクセスを実現する仕組みです。CPUが主記憶にアクセスする際、まずキャッシュにデータがあるか確認します。キャッシュにある場合を キャッシュヒット、ない場合を キャッシュミス といいます。
| 種類 | 正式名称 | 電源OFF時 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| RAM | Random Access Memory | データ消失(揮発性) | 読み書き可能。主記憶装置に使用 |
| ROM | Read Only Memory | データ保持(不揮発性) | 読み出し専用。BIOSなどに使用 |
RAMにはさらに2種類があります。
| 種類 | 速度 | コスト | 用途 |
|---|---|---|---|
| SRAM | 高速 | 高い | キャッシュメモリ |
| DRAM | SRAMより遅い | 安い | 主記憶装置(メインメモリ) |
DRAMはデータを保持するために定期的な リフレッシュ(電荷の再充電) が必要です。これは DRAM がコンデンサ(蓄電器)に電荷を蓄えてデータを保持する仕組みのためです。電荷は時間とともに自然に放電してしまうため、データが消える前に定期的に再充電しなければなりません。一方 SRAM はフリップフロップ回路で保持するためリフレッシュ不要ですが、回路が複雑で高価です。
| 装置 | 特徴 |
|---|---|
| HDD(ハードディスク) | 磁気ディスクにデータを記録。大容量・低価格だが物理駆動部があり衝撃に弱い |
| SSD(ソリッドステートドライブ) | フラッシュメモリにデータを記録。HDDより高速・耐衝撃性が高いが価格が高い |
| USBメモリ | 持ち運び可能なフラッシュメモリ |
| 光ディスク(CD/DVD/Blu-ray) | レーザー光でデータを読み書き |
RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks) は複数のディスクを組み合わせて信頼性やパフォーマンスを向上させる技術です。
| レベル | 方式 | 特徴 |
|---|---|---|
| RAID 0 | ストライピング | 複数ディスクに分散書き込み。高速だが冗長性なし |
| RAID 1 | ミラーリング | 同じデータを2台に書き込み。1台故障しても復旧可能 |
| RAID 5 | パリティ分散 | データとパリティを3台以上に分散。1台故障まで復旧可能 |
RAID 5 が3台以上必要な理由は、データとパリティ(誤り訂正情報)を各ディスクに分散して配置するためです。最低でもデータ用2台分 + パリティ用1台分の容量が必要であり、パリティを分散配置することで特定のディスクに負荷が集中しない設計になっています。
ポイント
メモリ階層: レジスタ → キャッシュ → 主記憶 → 補助記憶。上ほど高速・小容量・高価格。RAMは揮発性、ROMは不揮発性。SRAMはキャッシュ、DRAMは主記憶に使用(リフレッシュが必要)。RAID 0 = 高速化、RAID 1 = ミラーリング、RAID 5 = パリティ分散。試験では RAID レベルの特徴比較が頻出。
用語
コンピュータとユーザーや外部機器との間でデータをやり取りするために、入力装置(コンピュータにデータを送る)と 出力装置(コンピュータからデータを受け取る)が使われます。
| 装置 | 説明 |
|---|---|
| キーボード | 文字・数字・記号の入力。最も基本的な入力装置 |
| マウス | ポインティングデバイス。画面上のカーソルを操作 |
| タッチパネル | 画面に触れて直接操作する入力装置。スマートフォンやタブレットで使用 |
| スキャナ | 紙の文書や画像をデジタルデータに変換 |
| バーコードリーダー | バーコードを光学的に読み取る |
| Webカメラ | 映像を入力するカメラ装置 |
| マイク | 音声を入力する装置 |
| 装置 | 説明 |
|---|---|
| ディスプレイ(モニタ) | 映像・画像・文字を表示する装置 |
| プリンタ | データを紙に印刷する装置 |
| スピーカー | 音声を出力する装置 |
| プロジェクタ | 映像をスクリーンに投影する装置 |
ディスプレイの種類と特徴は以下の通りです。
| 種類 | 特徴 |
|---|---|
| 液晶ディスプレイ(LCD) | バックライトと液晶で表示。薄型軽量で消費電力が低い |
| 有機ELディスプレイ(OLED) | 自発光。高コントラスト・広視野角。薄型で曲面も可能 |
画面の精細さは 解像度(ピクセル数) で表します。フルHD(1920×1080)、4K(3840×2160)などがあります。
コンピュータと周辺機器を接続するための規格を インタフェース といいます。
| インタフェース | 種類 | 特徴 |
|---|---|---|
| USB | 有線 | 汎用的な接続規格。USB 2.0 / 3.0 / 4.0 / Type-C など |
| HDMI | 有線 | 映像と音声をデジタル伝送。テレビ・モニタとの接続に使用 |
| DisplayPort | 有線 | 高解像度映像の伝送に対応。PC用モニタで使用 |
| Bluetooth | 無線 | 近距離無線通信(約10m)。イヤホン・キーボード等に使用 |
| Wi-Fi | 無線 | 無線LAN規格。インターネット接続に使用 |
| NFC | 無線 | 近距離無線通信(数cm)。ICカード決済・交通系ICに使用 |
USB(Universal Serial Bus) は最も広く使われるインタフェースです。特に USB Type-C は上下の向きがない可逆設計で、映像出力(DisplayPort Alt Mode)・充電(USB PD)・データ転送を1本のケーブルで兼用できるのが大きな利点です。
| USB規格 | 最大転送速度 |
|---|---|
| USB 2.0 | 480 Mbps |
| USB 3.0 | 5 Gbps |
| USB 3.1 | 10 Gbps |
| USB 4.0 | 40 Gbps |
ポイント
入力装置はユーザーからコンピュータへデータを送り、出力装置はコンピュータからユーザーへデータを表示・出力する。接続規格(インタフェース)には有線の USB・HDMI と無線の Bluetooth・Wi-Fi・NFC がある。USBは世代が進むほど転送速度が向上する。
用語
OS(Operating System: オペレーティングシステム) は、ハードウェアとアプリケーションソフトウェアの間に位置する基本ソフトウェアです。コンピュータの資源(CPU・メモリ・ディスク・周辺機器)を管理し、アプリケーションが動作する環境を提供します。
代表的なOSには以下があります。
| 機能 | 説明 |
|---|---|
| プロセス管理 | 実行中のプログラム(プロセス)にCPU時間を割り当てる |
| メモリ管理 | プログラムにメモリ領域を割り当て・解放する。仮想記憶も含む |
| ファイル管理 | ファイルやフォルダの作成・読み書き・削除を管理する |
| 入出力管理 | キーボード・ディスプレイ等の周辺機器とのデータ入出力を制御 |
| ユーザー管理 | ユーザーアカウント・アクセス権限を管理する |
マルチタスク は、OSが複数のプロセスを高速に切り替えながら同時に実行しているように見せる仕組みです。実際にはCPUの時間を細かく分割して各プロセスに割り当てています(タイムスライス)。
物理メモリ(RAM)が不足した際に、補助記憶装置(SSD/HDD)の一部をメモリの代わりに使う技術を 仮想記憶 といいます。データを固定サイズの ページ に分割して管理し、必要なページだけを物理メモリに読み込みます。使われていないページは補助記憶装置に退避させることで、物理メモリ以上の容量のプログラムを実行できます。
ただし、頻繁にページの入れ替え(ページイン/ページアウト)が発生すると、ディスクアクセスに時間を取られて処理速度が大幅に低下します。この状態を スラッシング といいます。スラッシングを防ぐにはメモリの増設が有効です。
| 方式 | 説明 |
|---|---|
| マルチスレッド | 1つのCPUコアで複数のスレッド(処理の流れ)を高速に切り替えて実行。見かけ上の並列処理 |
| マルチコア | 物理的に複数のCPUコアが存在し、各コアが同時に処理を実行。真の並列処理 |
マルチスレッドはソフトウェアによる並行処理であり、マルチコアはハードウェアによる真の並列処理です。現代のCPUはマルチコアが標準で、各コアがさらにマルチスレッドを実行します。
1台の物理マシン上で複数の仮想マシンを動かす技術を 仮想化 といいます。
| 方式 | 説明 | 例 |
|---|---|---|
| ハイパーバイザ型 | ハードウェア上で直接動作するソフトウェアが仮想マシンを管理 | VMware ESXi, Hyper-V |
| ホスト型 | OS上にインストールした仮想化ソフトが仮想マシンを管理 | VirtualBox, VMware Workstation |
| コンテナ型 | OS上でアプリケーションを隔離して実行。仮想マシンより軽量 | Docker, Kubernetes |
コンテナ型はOSカーネルを共有するため、起動が速く軽量です。近年のクラウドサービスで広く使われています。
| 分類 | 説明 | 例 |
|---|---|---|
| 基本ソフトウェア(OS) | ハードウェアを管理しアプリの実行環境を提供 | Windows, Linux |
| ミドルウェア | OSとアプリの間で共通機能を提供 | DBMS, Webサーバー |
| アプリケーション | 特定の目的で使うソフトウェア | ブラウザ, 表計算, メール |
| デバイスドライバ | 周辺機器をOSから制御するためのソフトウェア | プリンタドライバ |
OSS はソースコードが公開され、誰でも自由に利用・改変・再配布できるソフトウェアです。
| ライセンス | 特徴 |
|---|---|
| GPL | 改変・再配布時にソースコード公開が必要(コピーレフト) |
| MIT / BSD | 制約が少なく商用利用も自由 |
| Apache License | 特許権に関する条項を含む |
代表的なOSS: Linux, Apache, MySQL, PostgreSQL, Firefox, LibreOffice
ポイント
OSは プロセス管理・メモリ管理・ファイル管理・入出力管理 を行う基本ソフトウェア。仮想記憶 で物理メモリ不足を補うが、スラッシングに注意。仮想化には ハイパーバイザ型 と コンテナ型 があり、コンテナはOSカーネル共有で軽量。マルチスレッドは見かけ上の並列処理、マルチコアは真の並列処理。
用語