コンピュータの原理

1。概要

コンピューターは、データを受信し、特定のルールに従って処理し、結果を出力できる電子デバイスです。現代社会において、コンピュータはさまざまな分野で欠かせないツールとなり、広く普及しています。

コンピュータ原理では、主にコンピュータのハードウェア構成や動作方法、高度なプログラムを機械命令に変換する方法などについて議論します。この記事では、コンピュータの基本原理、データの表現と演算、命令体系、メモリ、入出力などを紹介します。

2. コンピュータの基礎

コンピュータは主にハードウェアとソフトウェアで構成されています。ハードウェアには、中央処理装置 (CPU)、メモリ、入力デバイスおよび出力デバイスなどが含まれ、ソフトウェアには、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラムなどが含まれます。コンピュータの作業プロセスは、データの受信、処理、結果の出力として要約できます。基本原則は次のとおりです。

コンピュータの基本コンポーネント:

コンピュータの基本コンポーネントには、中央処理装置、メモリ、入力デバイス、出力デバイスなどが含まれます。

中央処理装置 (CPU) はコンピュータの「頭脳」であり、データと命令の処理を担当します。
メモリはデータとプログラムを保存するために使用されます。
入力デバイスは、キーボードやマウスなど、データや命令を入力するために使用されます。
出力デバイスは、プリンター、モニターなど、結果や情報を出力するために使用されます。

コンピューターの仕組み:

コンピュータの作業プロセスは、入力、処理、出力の 3 つの段階に分けることができます。

入力段階: コンピューターは入力デバイスからの命令またはデータを受け取ります。
処理段階: コンピューターは入力データと命令を処理し、結果を生成します。
出力ステージ: コンピュータは結果を出力デバイスに出力します。

データの表現と操作:

コンピュータが処理できるデータはバイナリ形式で保存されます。ほとんどのコンピュータは補数形式を使用して符号付き数値を表現しますが、浮動小数点数は IEEE 754 標準で表現されます。コンピュータの操作には主に算術演算、論理演算、データ送信などが含まれます。

3. データの表現と操作

3.1 ベース

コンピュータでは、データはバイナリ形式で保存されます。人々が日常生活や仕事で使用する数字は 10 進数です。したがって、異なる塩基間で変換する必要があります。

バイナリ (Binary): 2 つの数値 0 と 1 のみが含まれます。
8 進数 (8 進数): 0 ～ 7 の 8 つの数字が含まれ、各グループは 3 つの 2 進数で構成されます。
10 進数: 0 ～ 9 の 10 個の数字が含まれます。
16 進数 (16 進数): 0 ～ 9 および A ～ F の 16 個の数値が含まれ、各グループは 4 つの 2 進数で構成されます。

3.2 データ型

コンピューターで一般的に使用される 2 つのデータ型は、整数 (整数) と浮動小数点 (10 進数) です。コンピュータ内部での表現は次のようになります。

整数: コンピューターは内部的に 2 の補数を使用して整数を表します。32 ビットコンピューターでは、最大の整数は 2147483647 で、最小の整数は -2147483648 です。
浮動小数点型: コンピュータは、IEEE 754 標準を使用して浮動小数点数を表します。ここで、単精度浮動小数点数の長さは３２ビットであり、倍精度浮動小数点数の長さは６４ビットである。

3.3 操作

コンピュータが実行できる計算操作には、算術演算、ビット演算、論理演算などが含まれます。一般的な算術演算には加算、減算、乗算、除算などが含まれ、ビット演算にはビットごとの AND、ビットごとの OR、ビットごとの反転などが含まれます。論理演算には、AND、OR、NOT などが含まれます。

上記の算術演算に加えて、コンピュータは特殊な演算、つまりポインタ演算もサポートしています。ポインタはデータ構造や動的メモリ割り当てでよく使用され、非常に重要なコンピュータ操作です。

4. コマンド体系

命令システムはコンピュータの中核であり、コンピュータの動作を制御する命令の集合です。ハードウェアアーキテクチャとオペレーティングシステムが異なれば、使用する命令セットも異なりますが、基本的な操作は似ています。

命令体系には命令フォーマット、オペレーションコード、アドレッシングモードなどが含まれます。このうち、オペコードは命令の演算種類を示すために使用され、アドレッシングモードはオペランドのアドレッシングモードを指定するために使用されます。

4.1 命令フォーマット

命令フォーマットは、コンピュータ内の命令のバイナリ形式での格納形式です。オペランドの数と種類に応じて、命令フォーマットは通常、次のタイプに分類されます。

オペランドなし命令:HLT命令などのオペランドは必要ありません。
単一オペランド命令:INC AX命令など、オペランドが 1 つだけ必要です。
ダブルオペランド命令:MOV AX, BX命令などの 2 つのオペランドが必要です。

4.2 オペコード

オペコードは、命令が実行する操作のタイプを指定する命令の一部です。MOV各操作タイプには、操作のオペコードは8B、操作のオペコードはなど、一意のADDオペコードがあります03。

コンピュータ内部では、各オペコードは演算関数に対応し、実行時間は 1 命令サイクルです。シングルサイクル命令の場合、命令の取得、読み取り、計算、およびライトバックは 1 命令サイクル内で完了します。マルチサイクル命令の場合、完了するには複数の命令サイクルに分割する必要があります。

4.3 アドレッシングモード

命令内のオペランドはメモリまたはレジスタからフェッチする必要があります。アドレッシングモードは、メモリまたはレジスタ内のオペランドのアドレス、オフセット、およびその他の情報を指定するために使用されます。

一般的なアドレス指定モードには次のものがあります。

即時アドレス指定: オペランドは命令に直接埋め込まれます。
直接アドレス指定: 命令で指定されたメモリ内のオペランドのアドレス。
間接アドレッシング: 命令で指定されたオペランドのアドレスはレジスターまたはメモリー内にあります。
レジスタのアドレス指定: オペランドはレジスタに格納されます。
インデックス付きアドレッシング: オペランドはレジスタとオフセットで構成されます。

5. 記憶

コンピュータのメモリには、一次記憶装置 (内部メモリ) と二次記憶装置 (ハードディスク、CD など) が含まれます。メインメモリは、ランダムアクセスメモリ (RAM) と読み取り専用メモリ (ROM) に分けられ、プログラムやデータの保存によく使用されます。二次ストレージは、データやプログラムの長期保存によく使用されます。

コンピュータでは、各メモリ位置に一意のアドレスがあります。メモリのアクセス速度は通常比較的高速ですが、容量には制限があります。したがって、コンピュータシステムは通常、さまざまなストレージ要件を満たすために階層ストレージ構造を採用しています。

5.1 メモリ階層

コンピュータのメモリ階層には、レジスタ、キャッシュメモリ、メインメモリ、二次メモリなどが含まれます。このうち、レジスタは最も高速ですが容量は最も小さく、補助メモリは速度は遅くなりますが容量は最も大きくなります。

レジスタ (Register): CPU 内の記憶装置。最速ですが容量は最小です。
キャッシュ (Cache): レジスタとメインメモリの間の記憶ユニット。一次キャッシュと二次キャッシュに分かれます。
メインメモリ：プログラムやデータなどの一時記憶に使用されるメモリースティック、SDRAMなど。
補助メモリ: ハードディスクや光ディスクなど、大容量ですが速度が遅い補助記憶装置を指します。

5.2 メモリテクノロジー

コンピューターのメモリ技術も常に進化しています。一般的なメモリテクノロジには、スタティックランダムアクセスメモリ (SRAM) およびダイナミックランダムアクセスメモリ (DRAM)、フラッシュメモリ、フラッシュメモリ、メモリスティックなどが含まれます。

スタティックランダムアクセスメモリ (SRAM): 高速ですが、高価で容量が小さいです。
ダイナミックランダムアクセスメモリ (DRAM): 安価で大容量ですが、速度が比較的遅い。
フラッシュメモリ (SSD): フラッシュメモリチップを使用して実現され、より高速でハードディスクを置き換えることができます。
フラッシュメモリ (フラッシュ): これもフラッシュメモリチップに基づいており、システムイメージやドライバーなどの保存によく使用されます。
メモリモジュール: 複数のメモリチップを 1 つのモジュールに統合して、メモリ容量を増やすことができます。

6. 入力と出力

コンピュータの入出力 (I/O) システムは、主にコンピュータと外部デバイス間の対話を実現します。シリアルポート、パラレルポート、マウス、キーボード、モニター、プリンターなどを含みます。

I/O 操作では、入出力デバイスはその動作方法に応じて、文字を転送するデバイスとブロックを転送するデバイスの 2 つのカテゴリに分類できます。文字で送信されるデバイスは主にキーボード、マウス、シリアルポートなどで、ブロックで送信されるデバイスは主にハードディスク、Uディスクなどです。

6.1 入力ポートと出力ポート

コンピュータは、I/O 操作に I/O ポート (I/O ポート) を使用します。I/O ポートは、コンピュータと周辺機器の間のインターフェイスであり、データやコマンドの送信に使用されます。I/O 操作に I/O ポートを使用する場合、通常は 2 つのステップに分かれます。

コマンドまたは制御ワードを I/O ポートに書き込み、デバイスが応答するのを待ちます。
デバイスデータの読み取りまたは書き込み。

I/O ポートはアドレスポートとデータポートに分けることができます。アドレスポートは I/O 操作のデバイスを指定するために使用され、データポートはデータまたはコマンドの転送に使用されます。

6.2 割り込み機構

割り込みメカニズムとは、コンピュータがプログラムの実行中に特定の条件に遭遇した後、現在のプログラムの実行を一時停止し、その条件に対処するために別のプログラムを実行するプロセスを指します。I/O 操作では、入出力デバイスはコンピューターに割り込み信号を送信することで、データの準備ができていることを示します。コンピュータは割り込み信号を受信すると、現在のプログラムの実行を一時停止し、対応する割り込みハンドラーを呼び出して割り込みを処理し、割り込まれたプログラムに戻ります。

割り込み機構を使用する場合、割り込みの種類、割り込みベクタ、割り込みハンドラなどの情報を決定する必要があります。また、サービス停止時間が長いことによるシステム効率への影響などの課題も考慮する必要があります。

7. コンピュータネットワーク

コンピュータネットワークとは、イーサネット、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワークなど、相互に接続されたコンピュータ装置と通信装置を指します。コンピュータネットワークの出現により、地域や時間を超えて情報交換がより便利になりました。

7.1 LAN

ローカルエリアネットワーク（LAN）とは、一定の範囲内で相互に接続された複数のコンピュータ装置で構成されるネットワークを指します。そのネットワークモードはバス型、リング型、スター型などを採用できます。一般的なローカルエリアネットワークには、イーサネット (イーサネット LAN)、WiFi ワイヤレスローカルエリアネットワーク (無線 LAN) などが含まれます。

7.2 広域ネットワーク

ワイドエリアネットワーク (WAN) は、地理的に異なる場所にある複数のローカルエリアネットワークを接続するネットワークを指し、通常は広いエリアをカバーします。一般的な WAN には、インターネット、VPN などが含まれます。

7.3 ネットワークプロトコル

ネットワークプロトコルとは、コンピュータネットワークでのデータ通信に採用されている一般的な規則または標準を指します。一般的なネットワークプロトコルには、TCP/IP プロトコル、HTTP プロトコル、FTP プロトコル、SMTP プロトコルなどが含まれます。

その中でもTCP/IPプロトコルはコンピュータネットワークにおいて最も重要な規格の1つであり、アプリケーション層(Application Layer)、トランスポート層(Transport Layer)、ネットワーク層(Internet Layer)、データリンク層(Data)の4つの層で構成されています。リンク層)、リンク層)。各層には、データ通信とネットワーク接続のための特定のプロトコルと機能があります。

コンピュータ原理はコンピュータ科学の基礎知識であり、コンピュータの内部機構を理解し、効率的なプログラムを作成し、情報セキュリティを確保するために非常に重要です。この記事では、コンピュータの基本原理、データの表現と演算、命令システム、メモリ、入出力などを紹介し、読者の参考になれば幸いです。

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