■復習
- キーボード。速い。配列覚えるには、見ないで打つ。
- 文字端末。シェル。Unix の基本は文字による対話。
- パスワード。必ず安全なものを付ける。 調べれば分かるものをつけない。一人だけの問題ではない。
- ログインの意義。必ずログアウトすること。
- World Wide Web とハイパーテキスト。
- URL は、本当は難しい。
■情報処理の３つの形態
コンピュータは、情報を扱うための機械。 情報や情報処理の定義は、けっこう難しい。新城の定義。情報とは、コピーしても同じものと思えるもの。物は、コピーす ると別のものになる。お金は、情報だがコピーしてはいけない。
新城の定義（その２）。情報とは、情報処理の対象となるもの。情報処理とは、 次の３つ。
- 計算(computation)
- 数の加減乗除、文字列の比較・置き換え、選択など。 プログラミング言語でできることは、主にこれ。 メモリ中のものしか計算の対象にならない。 CPUは、メモリ中のデータしか書き換えられない。
- 通信(communication)
- データをあるコンピュータ（プロセス）のメモリから別のコンピュータ（プロ セス）のメモリにコピーすること。
- 記憶(storage)
- 「整理」して、永続的な記憶にコピーする。
- 記憶媒体を移動させる／共有すると通信になる。
- 通信内容を保存することもできる。
ディジタル・コンピュータによる情報処理
- 情報を「ビット列（ビットの並び）」に変える(符合化)。
- ビット列を、プログラムに従って処理（計算、通信、記憶）する。
- プログラムもまたビット列として与える。
人間による情報処理
内部でどうやっているかは、よくわからない。外から見える人間の情報処理
- 計算(computation)
- 数の計算。１＋２＝３。
- フィルタリング。必要な情報を選び出す。
- 編集
- 講義を休む。
- 通信(communication)
- 電話する。
- 黒板に字を書く。
- マスメディアを使う。テレビ、新聞、放送。
- 直接会って会話する。ボディ・ランゲージ。non-verbal (非言語的)
- 記憶(storage)
- 紙に字を書く。
- 覚える。
- ＨＤＤレコーダでテレビ番組を録画する。
人間の対話では、実は、non-verbal 的な情報(文字にならない情報)のやり取り が多い。非言語的な情報は、コンピュータで扱うことは苦手。
講義内容も、印刷された資料/Webの資料の情報量よりも非言語的な情報が多い。
■コンピュータの構成要素
The Unix Super Text 2章 参照。- ハードウェア
- CPU, メモリ, ハードディスク、キーボード、マウス、ディスプレイ、ネットワーク
- ソフトウェア
- アプリケーション・ソフトウェア
- ＷＷＷブラウザ
- 電子メール・リーダ
- ワードプロセッサ
- ゲーム
- システム・ソフトウェア
- オペレーティング・システム
- プログラミング言語処理系
- ネットワーク・プロトコル通信プログラム
- データベース
- アプリケーション・ソフトウェア
◆ハードウェア
図? ハードウェアの構成要素
◆記憶のためのハードウェア
- メモリ(メインメモリ)、RAM(Random Access Memory)
- 実行中のプログラムを保持する。加工するデータを一時的に保持する。 ＩＣ（Integrated Circuit、シリコンという元素による半導 体で作られた電気回路）で作られているので、速い。 容量は、ハードディスクよりは小さい。値段が高い。 (揮発的(電源を切ると消えてしまう)。)
- ハード・ディスク (HD(Hard Disk), HDD(Hard Disk Drive))
- プログラムやデータをデータを保持する。 容量は、メモリより大きい。値段が安い。 (永続的である(電源を切っても残っている)。)
保存する＝＝書く、取り出す＝＝読む
ビット(bit)
ディジタル・コンピュータであつかえる情報の最小単位。１ビットの情報で表現できること
- ない／ある
- 白／黒
- 偽／真
- ０／１
バイト(byte)
コンピュータでは、８ビットをまとめて扱うことが多い。 ８ビット＝＝１バイトという。１バイトあるとできること
- 英語のアルファベット、大文字小文字、数字、記号など１文字
- ０から２５５までの数
- 白から黒まで２５６階調の濃淡
- キーボードのキーの区別（２５６個まで）
◆ワード
あるコンピュータで最も効率よく計算できるビットの数。コンピュータによっ て異なる。３２ビット（４バイト）のものが多い。◆ブロック
ハードディスクなどの記憶媒体とは、１ビット単位や１バイト単位では情報を 読み書きできない。もっと大きな単位でしか読み書きできない。 入出力する単位をブロックと呼ぶ。１ブロックは、５１２バイト〜８１９２バイトが多い。 記憶媒体によって違う。
◆計算のための部品
CPU (Central Processing Unit、中央処理装置、中央演算装置)は、コンピュー タの計算を行う部品である。MPU (Micro Processing Unit) と言われることも ある。
CPU は、内部に 数が少ないが、計算の中間結果を置くための高速な 小容量の記憶のための部品（レジスタ）と 計算のための部品（ALU、Arithmetic Logic Unit）を持つ。
CPU は、次の動作を、ひたすら繰り返す
- メモリから命令を取り出す。命令を取り出す 番地を保持しているレジスタをプログラム・カウンタと いう。命令を取り出すとプログラム・カウンタを増やす。
- 命令に従い、次のような動作を行う
- メモリからレジスタにデータをコピーする。
- レジスタからメモリにデータをコピーする。
- レジスタとレジスタの内容を、ALU をつかって計算し、レジスタに保存する 足し算、引き算、掛け算、割り算、AND、OR、NOT、シフト、その他
- プログラム・カウンタの値を、 単純に増やすのではなく、 指定された番地に設定する。
CPU は、メモリ（主記憶）に入っいているプログラムに従って、やはりメモリ （主記憶）に入っいているデータを操作する。CPU が実行できるプログラムは、 機械語と呼ばれる。
CPU の種類によって、プログラム(機械語)が違う。 プログラム（ソフトウェア）を買う時には、CPU の種類に気をつける。
- PowerPC
- Pentium
- SPARC
CPUが速いほど、計算は速い。CPUの速さは、クロックの周波数(単位は、Hz)を 目安にできる。たとえば、1GHz の CPU は、2GHz の CPU の２倍の速度が 出ると期待できる。ただし、CPU の種類が違うと直接的な比較はできない。
１つの機械語は、単純なことしかできない。
- データのコピー
- 条件判定、繰り返しのための命令（ジャンプ命令）
コンピュータの処理には、CPU による加工だけでなく、加工を伴わな いコピーもかなり多い。コンピュータの性能を決めるのは、CPU の計算だけで はない。特にハードディスクからメインメモリに対するコピーの速度や、ネッ トワークを経由したコピーの速度も大きな影響を与える。
メインメモリをたくさん積むと、ハードディスクからメインメモリへのコピー の回数が減らせる。前にメインメモリにコピーしたデータを、それだけたくさ ん残しておけるからである(ディスク・キャッシュ)。
クロックとは、コンピュータの内部でタイミングをとるために使われている、 一定時間ごとに０と１が交代するようになっている電気信号。
クロックの速度は、時間で図る（小さい方がよい）よりも、その逆数の動作周 波数（大きい方がよい）で図ることが多い。
iMac は、2,100,000,000 Hz。
1 clock [s] == 1/(2,100,000,000 [Hz]) == 0.476 ナノ秒
◆CPUが行う計算の種類
- 四則演算（＋、−、×、÷）
- ビット演算
- 論理演算（and, or, not, exclusive or）
- シフト、ローテート
- 条件分岐
- コピー
◆キャッシュ
メモリは、CPU と比べると遅すぎる。 小容量の高速なメモリ(キャッシュ)を CPU の近くに置く。| ハードウェア | 時間 |
|---|---|
| レジスタ | 1クロック |
| L1キャッシュ | 数クロック |
| L2キャッシュ | 10クロック |
| メインメモリ | 数十クロック |
| ハードディスク | 数百万クロック |
◆通信のためのハードウェア
日を改めて。■情報量
◆単位
情報量の単位。
- ビット(bit,b(小文字))
- コンピュータで扱う情報の最小単位。
- バイト(byte,B(大文字))
- 欧米(ASCII, Laten-1)なら１文字を扱える情報量。 １バイトは、８ビットに等しい。
情報量の単位、ビットやバイトには、次のような係数とともに使われる。
- K (キロ(kilo-)、ケイ)
- 1 K == 1000 または 1024
- M (メガ(Mega-))
- 1 M == 1000 K または 1024 K または 1,000,000 (100万)
- G (ギガ(Giga-))
- 1 G == 1000 M または 1024 M または 1,000,000,000 (10億)
- T (テラ(Tera-))
- 1 T == 1000 G または 1024 G または 1,000,000,000,000 (1兆)
◆情報量の感覚
慣れないうちは空間や距離の感覚に置き換えるとよい。- 1 ビット
- 白と黒の区別
- 1 バイト (8ビット)
- ヨーロッパ系文字 1 文字。256色。
- 2 バイト (16ビット)
- 日本語の漢字 1 文字。60000色。
- 3 バイト (24ビット)
- 1677万色(2の24乗)。コンピュータのモニタの画素の色数。
- 4 バイト (32 ビット)
- 現在広く使われているコンピュータが 一度に計算できる情報量。整数なら40臆程度まで。
- 256 ビット (32バイト)
- 16ドット×16ドットの白黒の画像（ビットマップ）で 漢字 1 文字を表現した時の情報量。
- 数 k バイト
- 典型的な電子メール１通の大きさ。数千文字。
- 8k バイト (8000 バイト、64 k ビット, 64,000 ビット)
- １秒間に電話の品質で音声を記録した時の情報量。
- 1 M バイト (1,000,000 バイト, 8,000,000 ビット)
- フロッピディスク１枚に保存できる情報量。
- 256M バイト〜8GB バイト
- 典型的なパソコンで、一度にメインメモリに入る量(構成によって違う)
- 640M バイト (640,000,000 バイト)
- CD 1 枚に保存できる情報量。
- 4.7G バイト (5,000,000,000 バイト)
- DVD 1 枚(片面1層)に保存できる情報量。
- 16M-8G バイト
- USBフラッシュメモリ, SDカード 1 個に保存できる情報量。
- 15G-30G バイト/25-50G バイト
- HD DVD /Blu-ray Disc 1 枚に保存できる情報量。
- 50 G バイト〜500G バイト
- ハードディスクの容量(構成によって違う)
■符号化
コンピュータで扱えるように、情報をビット列（符合、コード）に対応さ せる。
■数の符号化
The Unix Super Text 下巻56章 参照。◆数の意味と表現
- 数の意味（数値、数）
- 「２」、「二」、「II」と書いても同じ
- 数の表現
- 「２」、「二」、「II」は意味は同じでも表現は違う
◆非負整数
０、１、２、・・・の表現を考える。 有限の文字（数字,digit）の組み合わせが便利。＜−＞（one,two,...,ten,eleven,twelve,thirteen,...）と対比して。
- ｎ進法
- ｎ個の数字で数値を表現する方法
- ｎ進数
- ｎ進法で表現された数字
- 基底(base)
- ｎ進法のｎ。基底自身は１０進法で表現するのが普通。
◆ｎ進数
" P m-1 P m-2 ... P 2 P 1 P 0" は P m-1 × n m-1 ＋ P m-2 × n m-2 ＋ ... ＋ P 2 × n 2 ＋ P 1 × n 1 ＋ P 0 × n 0 の意味。◆１０進数
"123" は、 1 × 10 2 ＋ 2 × 10 1 ＋ 3 × 10 0 の意味。
◆２進数
"101" は、 1 × 2 2 ＋ 0 × 2 1 ＋ 1 × 2 0 の意味。◆８進数、１６進数
n=8, n=16の意味。2進数で3桁、4桁をまとめて表す。 16進数では、10進数の10〜16を表すのに、A〜Fを使う。16進数を表すのに、頭に 0x を付けることがある。C 言語の表記方法。 8進数を表すのに、頭に 0 を付けることがある。C 言語の表記方法。
筆算で16進数の計算ができる必要はないが、 転記する必要がでてくることがある。
- 漢字コード。漢字の打ち込み。漢和辞典との対応。
- World Wide Web での色の指定。
◆２進数、８進数、１６進数、１０進数
----------------------------------------
2進数 8進数 10進数 16進数
----------------------------------------
0 0 0 0
1 1 1 1
10 2 2 2
11 3 3 3
100 4 4 4
101 5 5 5
110 6 6 6
111 7 7 7
1000 10 8 8
1001 11 9 9
1010 12 10 A
1011 13 11 B
1100 14 12 C
1101 15 13 D
1110 16 14 E
1111 17 15 F
10000 20 16 10
100000 40 32 20
1000000 100 64 40
10000000 200 128 80
100000000 400 256 100
1000000000 1000 512 200
10000000000 2000 1024 400
100000000000 4000 2048 800
1000000000000 10000 4096 1000
10000000000000 20000 8192 2000
100000000000000 40000 16384 4000
1000000000000000 100000 32768 8000
10000000000000000 200000 65536 10000
----------------------------------------
◆１０進数を２進数で表現する
方法1- 2で割る。
- 余りを１番右の桁に書く。
- 商を２進数で表現して左につなげる。
- 上の表を見て、10進数の桁で大きなものから引けるものを引く。
- 1. で引けた2進数を全部加える。
◆１０進数を１６進数で表現する
方法1- 16で割る。
- 余りを16進数で１番右の桁に書く。
- 商を１６進数で表現して左につなげる。
- 2進数で表現する。
- 2進数の表現を16進数に変換する。
◆２進数を１６進数へ変換する
- 下位から4ビットごとに区切る。
- それぞれを16進数で書く。
◆コンピュータで扱える数の種類
整数と小数に分けられる。◆整数
ビット数によって、扱える範囲が違う。- 1ビット (0-1)
- 2ビット (0-3)
- 3ビット (0-7)
- 4ビット (0-15)
- 8ビット (0-255)
- 16ビット (0-65535)
- 32ビット (0-4294967295)
- 64ビット (0-18446744073709551615)
- 8ビット (-128-127)
- 16ビット (-32768-32767)
- 32ビット (-2147483648-2147483647)
- 64ビット (-9223372036854775808-9223372036854775807)
２の補数は、算盤で負の数を扱う時と同じ方法。 −ｎを、ｎを加えると、０（桁溢れ）になるよう。
The Unix Super Text 56.1.2節 参照。
◆小数
表記する時には、小数点を使う。 " P m-1 P m-2 ... P 2 P 1 P 0 . P -1 P -2 ... P -i" は P m-1 × n m-1 ＋ P m-2 × n m-2 ＋ ... ＋ P 2 × n 2 ＋ P 1 × n 1 ＋ P 0 × n 0 ＋ P -1 × n -1 ＋ P -1 × n -2 ＋ ... ＋ P -1 × n -i ＋ の意味。整数は、任意の進法で正確に表現できるが、小数は表現できないことがる。 コンピュータの内部で、小数を２進法で扱う方法が主流だが、 会計分野等で１０進法で扱う場合もある。
◆小数の符号化
- 固定小数点(fixed point)。
- 浮動小数点(floating point)。
◆浮動小数(floating point)
小数を次のように考え、 指数部 e と小数部(仮数部) f の整数の組で表現する。
b は、2 が使われることが多い。(10 が使われることも、16 が使われることも ある。)
浮動小数点に関して、標準規格(IEEE 754)がある。b=2。 単精度(float)は、全体で 32 ビット(符号(正負)1ビット、f に 23ビット、e に 8 ビット)。 倍精度(double)は、全体で 64 ビット(符号(正負)1ビット、f に 52ビット、e に 11 ビット)。
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