計算機械の歴史とコンピュータのしくみ：コンピュータとは何か？2008/05/31

11:23

計算機械の歴史とコンピュータのしくみ：コンピュータとは何か？

2008/05/31

計算機械の歴史

1） コンピュータ以前の計算機，コンピュータ誕生

 コンピュータという新しい道具：人間の作り出してきた道具や機械は、人間の身体の一部の機能を延長させたものである，テレビや電話は目や耳、自動車は足、コンピュータは人間の頭脳，コンピュータは物ではなく情報を変化させるもの，

 コンピュータ以前の計算機：。伽さの中国で発明された算盤（位取りの確立），■隠契さに英国で発明された計算尺，1642年にパスカルが機械式10進法の加算機を発明（タイガー計算機にも応用される），ぅ▲テクチャーとしてのコンピュータを最初に構想したのは英国の数学者バベッジである（階差機関：歯車の回転を用いて自動的に計算させる仕組み考案，解析機関の構想では記憶する部分と演算する部分を分けるたり、条件分岐や四則演算に分解できる計算であれば何でもできることを実現，プログラミングの概念，データの入出力にはパンチカードのようなものを使用），1814年にドイツのヘルマンがプラニメータを発明（曲線で囲まれた領域の面積を測るアナログ型の道具），1930年ＭＩＴのプｯシュにより微分解析機が考案� ��作させる

 コンピュータの発明：1938年ドイツのＺ１は機械式で連立線形方程式の解を求めるもの（1941年のＺ３はリレー式），1938年米国のハーバート大学のエッケンのMark気魯螢譟室阿梁膩新彁撒，慮Φ罎鮖呂瓩襦1943年英国で電子式の暗号解読機が制作させる（COLOSSUS，1500本の真空管），モークリーとエッカートおよびゴールドスタインにより1946年ENIACが完成する（真空管18000本，150KW，電子式数値積分計算機，２進法ではなく10進法を採用）

 コンピュータの誕生：電子式離散変数自動計算機EDVAC（プログラムとデータを同一の記憶装置に入れておくプログラム内蔵型），1854年ブールによる論理学と代数学が結合されるブール代数の体系が作られる，1937年ブール代数の公理系を電子回路として表現できることをシャノンが示す，同じ頃、チューリングは論理的計算など計算一般を完全に人工的にこなす「チューリング機械」のモデルを論文発表する，ノイマンがEDVACプロジェクトに参加し報告書を作成する（プログラム可変内蔵型の理念を明確にする，人間関係が発生しEDVACは頓挫する），何もコンピュータの定義が先にあってコンピュータを作ったのではない

2） プログラムの発展：

機械言語とアセンブリ言語，高級言語の誕生（1952年にＡ−０を女性プログラマのホッパーが開発，後にCOBOLを開発する），FORTRAN（Formula Translating System，1953年にIBMのバッカスが提案し1957年に完成，科学計算用）

3） パソコンの登場

トランジスタの発明（ベル電話研究所，1930年代から研究され1948年にトランジスタ作用現象を発見，1951年にショクレーにより実用的なトランジスタが誕生，1958年IBM7070に採用），ICチップ（ファアチャイルド社のノイス，第三世代コンピュータ，1964年IBM360のCPUに採用），CPUとしてのLSI（ノイス達がインテル社創設，1971年にビジコン社の注文で４ビットCPUのLSIである4004などを開発，その後８ビットの8080が1974年に完成），ず能蕕離僖愁灰鵝1974年に8080を搭載したマイクロコンピュータとしてアルテアが397ドルで発売される，ビルゲイツとアレンはアルテア上で動くBASICを開発する，1977年にアップル兇PET-2001やTRS-80が登場，アップル兇砲魯咼献ルクがのり成功する），OSの発達（1955年にFORTRANの実行管理するもので一括処理システムがノース� �メリカン航空で開発，同時に複数の処理が行えるタイムシェリングシステムがMITで開発，UNIXが1971年にベル研で完成，汎用OSとして360OSが1964年IBMで開発，パソコンOSはキルダールによってCP/Mを開発，1981年のIBM PCにマイクロソフト社が開発したPC-DOS後にMS-DOSで発売），マウスとアイコン（1974年ゼロックス社のパロアルト研究所でアルトが開発される，マウスとアイコンによるコマンド指示方式やポップアップメニュー方式を備えている：GUI，1983年にアップル社のリサと後継機種のMacintoshへ引継がれる，1985年にマイクロソフト社がWindows1.0発売1992年にWindows3.1そして1995年にWindows95）

　コンピュータの仕組み

1） シャノンの情報理論と情報科学：機械情報（記号表現だけを独立させたもの，メディア上でうまく操作するための情報）

 計算機をコンピュータに変える：コンピュータはそもそも計算機として作られた（自動式計算機，天文学や弾道計算），1948年にクロード・シャノンが情報理論を発表，物理学（物質とエネルギー）だけでは解き明かせないものがある、それが情報である，物理学には情報の概念がない，「情報」と言葉を始めて定義し、数式や方程式で情報を扱えるようにした，情報を処理するマシンに変身する

 情報科学は「コード化」から：簡単に第三者が分かるように符号化する，どうすれば最適なコード化ができるか？，モールス信号の例，情報の基本単位を発見する（ビット：０／１），全ての情報は「ビット」に置き換えられる（情報はビットの単位まで分解できる），ビットの単位までコード化できるのは数字だけではない，シャノンの情報理論からアナログとデジタルの言葉が生まれる

 デジタルとアナログ：アナログとはコード化されていない情報で、デジタルとはコード化された情報，アナログは連続性で切れ目がなく、デジタルは不連続で飛び飛びになっている，標本化（サンプリング：分割）と量子化（２進数にコード化）でデジタルにする，音や写真などの視覚情報もデジタル化できる

 なぜデジタル情報のほうが便利か？：アナログは情報が劣化しやすいが、デジタルはなかなか劣化しない，口頭で話す言葉の音声はアナログ情報であり、話の内容を書き取った文字はデジタル情報である，デジタルは雑音に強く歪んでも復元できる，デジタル情報はコンピュータで処理しやすい，遺伝情報は４進法コードで書かれている

 情報理論がコンピュータを変えた：すべての情報が同列に並び、どんな情報（マルチメディア）も一つの道具・機械（コンピュータ）で扱える，1948年の「シャノンの情報理論」は計算機をコンピュータ（万能情報マシン）に変えた，コンピュータは情報を処理する道具へ

 偉大なるバカ：コンピュータは命令された通りの仕事を単純な演算の繰返しによって実現する機械である，1936年イギリスの数学者チューリングにより「チューリング機械」という仮想的概念を発表（コンピュータは言葉によって論理的に表現することができる仕事であれば、どんなものでも実現可能であることを証明），コンピュータにはきっちりと説明せねばならないので「偉大なバカ」とも言われた

2） ブール代数と論理回路

 思考を数学に変えた男：ジョージ・ブール(1815−1964)が「どうやったら論理や推論を数学に置き換えられるか」考え、論理学を数式で表す方法(記号論理代数)を完成する，正しかったら１、間違っていたら０と置きかえ、それを基礎に論理の数学化に成功

 ２進数でコンピュータが変身する：計算機を１０進数から２進数に変換することにより機構がシンプルになる，ブール代数の２進数で論理が組めることをシャノンが発見する

 コンピュータは３つの部品でできている：ブール代数は、わずか数種類の演算方法（AND，OR，NOT）を組合せることで、さまざまな計算が可能になることを示す，論理回路，加算器を３つの論理回路で実現，引き算は加算器の補数で、掛け算は加算器の繰返し、割り算は引き算の繰返しであり基本回路は「加算器である，半加算器と全加算器

 論理回路の実現：継電器（リレー）はわずかな電流でもう一つの回路のスイッチを操作できる特徴がある（遠隔操作に向いている，小さい電流で大きなものが扱える），セミコンダクタ−は「半分の導体」から半導体と呼ばれる，．好ぅ奪船鵐安度がリレーより高速である、⊂さくでき消費電力も小さい、主原料のシリコンは無尽蔵にある、ご蔽韻鵬れない

3） ハードウェア（装置）

中央処理装置（プロセッサ：基本的な演算を行う），記憶装置（メモリ：プログラムやデータを保存する），入出力装置（外部とプログラムやデータのやりとりを行う）の構成である

 コンピュータの原理と構造：

データ表現：２値のデジタル・データ方式，０か１，ビット，バイト，ＪＩＳコード

基本演算：すべての演算は足し算を基本にして処理する，引き算は補数，掛け算は足し算の繰返し，割り算は引き算の繰返し

基本論理回路：論理積：ＡＮＤ回路，論理和：ＯＲ回路，否定：ＮＯＴ回路 ，３つの回路を組合せて足し算を行う回路：加算器，記憶回路としてのフリップフロップ，レジスタ

入出力装置：外部のアナログデータをコンピュータで処理できるデジタルデータに変換：Ａ／Ｄ変換，サンプリング（標準化）とデジタイズ（量子化）により符号化の過程，Ｄ／Ａ変換

記憶装置：主記憶装置と外部記憶装置，記憶方法：電気を利用・磁気を利用・光を利用，アドレスの割付，媒体

中央処理装置：記憶装置に格納されているマシン語の命令やデータにより多様な処理する，命令語：演算命令・ロード／ストア命令・分岐命令，基本動作：命令の読込みサイクルと命令の実行サイクル，順序制御機構：プログラムカウンタ，割込み処理

起動順序：電源オン→ＲＯＭ→イニシャル・プログラム・ローダ→外部メモリからＯＳ→対象プログラム

4） ソフトウェア（プログラム）

 アルゴリズムとプログラム：コンピュータに仕事をさせるために、その方法が順番に記述された文章が必要であり、文章のことをアルゴリズムという，プログラムはプログラム言語で書かれたアルゴリズムである，プログラムの総称的な呼び名として、ソフトウェアという用語がある（汎用性，柔軟さ）

 コンピュータは「機械語」しか分からない：プログラムを作ることをプログラミングという，プログラムは、情報を処理するための手順をコンピュータに与える指示書である，コンピュータがわかる言語をプログラム言語という，機械が分かる言語をマシン語という，アセンブリ言語は０と１のマシン語で使われる命令語を短い英単語に置換え、分かりやすくしたもの（翻訳するソフトをアセンブラ），高級言語はもっと人間の言葉に近づけたもので、BASIC／FORTRAN／COBOL／C／Java などがある

 プログラム開発：エディタでプログラム作成編集，ソースコード→コンパイラによるコンパイル，オブジェクトコード→ライブラリプログラムをリンカでリンク，ロードモジュール→メモリにロード

 なぜプログラミングはむつかしいのか？：高級言語が開発されても、一度に１つのことしかできない「逐次処理」であり、一つひとつ手順を決めていかねばならない，プログラミングで大切なことは、何をやりたいかを分かりやすく説明する必要がある

 プログラムはどうやって動くのか（CPU動作）：メモリに番地が振られ、逐次に呼出して命令を解読して実行される，アキュムレータ，レジスタ，プログラムカウンタ，クロック信号

 プログラムの鍵はアルゴリズム：アルゴリズは解法であり、いくつもの解法があり正解はない，多様な基本的なアルゴリズムは理解しておく必要がある，柔軟な発想力

 オペレーテングシステム：プロセッサの時間配分をコントロールする機構，コンピュータ全体の動きを統括・監督して、より効率的なものにしているのがＯＳ，仮想化の概念：仮想メモリ・マルチウィンドウ，スケジューリング，データ管理・通信管理

 コンピュータと情報処理：コンピュータ処理の３ステップ（入力，処理，出力），情報処理の３分類（加工，蓄積／検索，伝達）， コンピュータは情報がなければ「ただの箱」：Garbage In Garbage Out（ガーゴ）で入力が大切，道具を使う人間が重要である