【先輩エンジニア講習会】コンピューターの基本構造

こんにちは、イチアール株式会社　採用担当の芝純平です。

イチアールでは、社員のスキルアップを目的に、月に2回、現場で活躍している先輩エンジニアの方に講習会を行ってもらっています。

今回は、先日実施された先輩エンジニア講習会についてお伝えしていきます。

今回のテーマは、「コンピューターの基本構造」です。知っているようで知らないコンピューターの基本構造についてお伝えします。

■コンピュータ基礎講座

そもそもコンピュータとは、入力に対して計算された結果を出力する機械のことです。

電子計算機と表されることもあります。コンピュータと言われるとパソコンを思い浮かべる人が多いと思いますが、パソコン以外に「マイコンピュータ」、「スーパーコンピュータ」、「ワークステーション」などの種類があります。マイコンピュータは、炊飯器やオーディオなどの家電で使用されており、回路や制御装置の役割を果たします。一般的にはマイコンと呼ばれます。

スーパーコンピュータは、宇宙ステーションや気候変動などの調査機で使用されており、高度な計算が必要な場合に使用されます。スパコンと略されることもあります。

ワークステーションは、銀行や役所などのシステムやCADなどで使用されています。パソコンより高性能で、大量のデータや事務処理に特化した業務用のコンピュータです。メインフレームとも呼ばれています。

■コンピュータ講座応用編

コンピュータは、大きく分けて「ソフトウェア」と「ハードウェア」という2つの部品で構成されています。それぞれについて簡単に紹介します。

ソフトウェア

ソフトウェアは、直接人間が触れることができない、プログラムの部分です。パソコンそのものを動かすOSとアプリケーションソフトがあります。OSは、どのパソコンにも搭載されています。アプリケーションソフトは、Microsoftのofficeやインターネットブラウザなどの総称で、パソコン上で特定の作業を行うために必要なものです。OSに最初から入っているアプリケーションソフトもありますが、必要に応じて使用者がダウンロードする場合もあります。

ハードウェア

ハードウェアは、人間が直接触ることができる機械の部分です。パソコン本体や周辺機器はもちろんのこと、本体の中に入っている基盤や部品もハードウェアに含まれます。パソコン本体を構成している部品や、それらの働きについては後ほど詳しく紹介します。

■インターネット講座

現在は、パソコンやスマホを開くだけで簡単にインターネットに接続することができますが、インターネットにどうやって接続されるかあまりよくわからない人も多いのではないでしょうか。

インターネットに接続する方法として、パソコンでよく使われている有線接続、Wi-Fiなどの無線接続、スマホや携帯で行われているモバイル接続の3つが代表的です。

今回は、有線接続について詳しく紹介します。

有線接続は、電話線やルータのHUBからLANケーブルをパソコンなどのコンピュータに繋いでインターネットに接続する方法です。通信速度が速く、インターネット接続が安定しているのが特徴です。

インターネットを提供する会社（プロバイダ）から送られた情報を一定の地域や範囲ごとのまとまり（WAN）が受信します。受信した情報を企業やまとまった個人の集団へと送信し、そこから個人へと送信され、情報を受け取ります。情報を送信する際には、受信と逆の手順で、個人からインターネットを提供する会社へと情報を送ります。この情報を受信することをダウンロード、情報を送信することをアップロードと言います。

■コンピューター５大要素、接続構成

計算能力や処理速度、機能など初期のコンピュータと比較すると現在のコンピュータの性能はとても進歩していますが、基本的な機能はあまり変化がありません。その基本的な機能とは、「入力」「出力」「記憶」「制御」「演算」の5つです。それぞれどういった機能なのか説明していきます。

入力

コンピュータが仕事をするための命令やデータを与える機能です。パソコンでは、キーボードやマウスなどが入力装置です。他のコンピュータには、センサーやタッチパネル、スキャナー、マイクなどの入力装置があります。入力装置によっては、値を読み込むためのソフトやアプリ、機器が必要となるものもあります。

出力

コンピュータが仕事をした結果や状態を人間が確認できる形で表現する装置です。代表的な出力装置は、モニターとプリンターです。モニターは画面に情報を映し出すことで出力します。プリンターは紙に文字や写真、画像などの情報を書き出すことで出力します。他にも、情報を音で表す場合にはスピーカー、運動で表す場合にはモーターなどがあります。

記憶

入力された命令やデータ、計算結果などを一時的に保存したり、長期的に保存したりする機能です。記憶する際に使用するのは、メモリと呼ばれる部品です。入力された命令やデータ、計算結果などの一時的に保存するものは内部メモリと呼ばれる部品に記憶されます。

内部メモリは、一定の処理が終わったり、コンピュータの電源を切ったりすると記憶された内容が破棄されます。計算結果やファイルなど、長期的に保存する場合には、外部メモリと呼ばれる部品に保存されます。外部メモリには、CDやDVD、USBメモリなど様々な種類があります。パソコンなどにハードディスクが内蔵されていることもありますが、このハードディスクも外部メモリに分類されます。

制御

コンピュータに搭載されている装置やプログラムをそれぞれ正常に働かせるための機能です。制御機能は、単体の部品ではなく、演算機能と一体化されたCPUという装置やマザーボードと呼ばれる部品に搭載されています。制御にはいくつかの種類があり、制御する対象によって制御する方法も変化します。

演算

コンピュータの本質的な機能です。決められたルールや方法で計算する機能です。他の4つの機能は演算を補助する機能と言っても過言ではありません。基本的には、入力された値やデータを演算によって処理し、出力や保存します。現在は、演算機能と制御機能が一体となったCPUという装置が搭載されています。CPUの性能がコンピュータの処理速度などの性能と直結しています。

■マザーボード（メインボード）

マザーボードは、コンピュータ構成部品の機能を統合した部品です。コンピュータ本体の中にある、大きな基盤のような部品で、CPUやメモリなどの主要な構成部品は、マザーボードに搭載されています。

入力装置や出力装置もコネクタと呼ばれる部品でマザーボードに繋がっているので、情報の伝達は基本的に、マザーボードを通して行われます。市販のマザーボードは、ATXとmicroATXという規格がほとんどを占めています。パソコンを自作したり、改造したいという人は、マザーボードのサイズを調べてからそのサイズに合う部品を探すようにしましょう。

マザーボードには、たくさんのコネクタやソケット、スロットがあります。部品を取り付ける際には、場所はもちろん向きも重要です。丁寧に正確に確認しながら取り付け作業を行ってください。

■PCケース

デスクトップパソコンの本体のケースです。マザーボードや冷却装置、内蔵外部メモリなどがケースの中に入っています。ケースは大きく分けて、「フルタワー」「ミドルタワー」「マイクロタワー」「スリムタイプ」の4種類に分類することができます。メーカーによって名称が変わることがあり、それぞれ明確なサイズ指定はありません。

搭載したい部品を搭載することができるのか調べてから購入するようにしましょう。ケース自体の素材や形もメーカーや商品によって異なります。PCケースを購入する際には、見た目や材質、今後の手入れも考えて購入しましょう。

■フォームファクター

コンピュータのフォームファクターとは、ハードウェアや部品のサイズや形状、物理仕様のことです。わかりやすい例として、デスクトップパソコンとノートパソコンの部品です。性能は同じでも、デスクトップパソコン用の部品とノートパソコン用の部品ではサイズや形、取り付け方が異なります。

それぞれに適したサイズや形状があります。デスクトップパソコンでは、使用するマザーボードやPCケースによって搭載する部品を決めなければなりません。搭載する部品を間違えないために、事前にしっかりと調べてから購入しましょう。

■CPU

CPUとは、Central Processing Unitの略で、演算処理や制御などを行うコンピュータの核のような部品です。CPUの中では、複数の演算処理が高速で行われています。すべてを説明することは難しいので、主な働きと構造について説明します。

構造は、集積回路の集まりです。集積度が高いため、内部時構造が2層や3層になっています。性能としては、演算装置として3つ、制御装置として5つの機能を果たします。

演算装置としての機能は、「算術論理演算装置」「各種レジスタ」「アキュムレータ」です。制御装置としての機能は、「プログラムカウンタ」「命令レジスタ」「インデックスレジスタ」「基底アドレスレジスタ」「デコーダ」です。基本的な働きは、必要な演算処理に応じた命令の取り出しと命令の実行、戻り値の受け渡しです。入力の値を基に演算子、出力装置へと伝達し、出力します。

CPUの能力は、専用の値で表現されます。CPUの能力や特徴について有名な2つの会社「インテル社」と「AMD社」を比較してみます。

・インテル

代表的な製品として「ペンティアム」「セレロン」「ノートパソコン用」の3つがあります。世代が新しくなるにつれて、末尾の数字が大きくなります。

性能や金額ごとにラインナップがあるので、必要な能力から選ぶことができます。

・AMD

代表的な製品として「アスロン」「デュロン」「ノートパソコン用」があります。アスロンのCPUの後ろについている数字は、モデルナンバーなので、製品ごとに性能を確かめて購入しましょう。インテル社との違いは、ノートパソコン用です。エントリーモデルが用意されているので、パソコンに詳しくない初心者でも迷うことなく購入することができます。

■メモリ

単純にメモリというと、一般的にCPUが直接書き込みできる半導体メモリという意味となります。半導体メモリにもたくさんの種類があり、用途に分けて7種類に分けることができる。

書いた内容を自由に書き換えることができるものや電源が切れると記録した内容を消去するもの、書き込みができない読み出し専用のものなどがあります。メモリの特性がそれぞれあり、ユーザーは意識していなくてもコンピュータは、使用用途ごとに使い分けています。

■HDD

HDDはハードディスクのことで、コンピュータのストレージの役割を果たします。ストレージは、コンピュータの情報を永続的に保存するための外部記憶装置のことです。似たような機能を持っている装置として、光学ディスクや磁気テープなどがあります。

その中でも、HDDは記憶容量が多く、書き込み、読み込み速度が速い外部記憶装置です。HDDが進化することで、能力や性能の向上だけでなく、小型化、低価格化することができます。HDDの情報を読み取る際は、ディスク上に一定の間隔に書き込まれた情報を磁気ヘッドで読み込むことで、データを取り込みます。ディスクの表面には小さな磁石のようなものがたくさんあります。書き込む際には、磁気ヘッドに電流を流し、表面の磁石の向きを調整します。