ハードウェア(2章)


 

ハードウェアの構成

コンピュータの5大装置

 

コンピュータは大きく5つの役割からなる装置群によって構成されています。これを、コンピュータの5大装置といいます。

装置名称 概要 具体例
入力装置 人間の命令(コマンド)やデータを入力する装置 キーボード、マウス、マイク、スキャナ
記憶装置 命令やデータを一時的または永続的に記憶する装置 メモリ(主記憶)、ハードディスク、SSD、光学メディア(CD、DVD、ブルーレイディスクなど)、フラッシュメモリ
制御装置 入力・記憶・演算・出力の各装置を制御し、命令やデータを各装置へ伝送する装置 CPU、チップセット
演算装置 命令やデータに応じて演算処理を実行する装置 CPU
出力装置 演算処理を行った結果を出力する装置 ディスプレイ(モニタ)、プリンタ、
スピーカ

表 4 コンピュータの5大装置

コンピュータの5大装置は、制御装置が各装置を制御することにより、互いに連携して動作します。コンピュータの基本的な動作は、以下の図のようになります。

図 4 コンピュータの5大装置

マザーボード

コンピュータ内部で使用されるハードウェアや部品は、マザーボードという電子回路基板に接続されています。各装置はマザーボードを介して相互接続されており、装置間で電気信号や命令を送受信することにより、各装置が動作する仕組みになっています。また、マザーボード自体はコンピュータのきょう体(筐体)内部でビス止めされていて、ホコリなどが直接つかないよう、ケースで保護されています。

図 5 マザーボード

 フォームファクタ
フォームファクタは、コンピュータの主要部品の物理的な寸法を指定した規格です。各部品の大きさを規定することにより、異なるベンダ間での部品利用が可能となります。
マザーボードのフォームファクタは古くから規定されていて、それによりコンピュータの(ケースの)大きさが決まります。近年はマザーボードの小型化が進み、小型のコンピュータが次々と開発されるようになりました。

コンピュータの形状

コンピュータはさまざまな分類方法がありますが、形状による分類は見た目によるもので分かりやすい分類方法です。形状によって使用される部品は異なりますが、基本的な構造は大きく変わるものではありません。
 

 ラックマウント型コンピュータ

主にデータセンターや企業のサーバルームなどに設置されている大型のコンピュータです。床面に直接設置するのではなく、大型のサーバラック(19インチラック、ラック)と呼ばれる什器内に設置するため、ラックマウント型と呼ばれます。ラックには、メールやWebなどのサービスを提供するラック専用の薄型コンピュータや、ネットワーク機器などが設置されます。

図 6 データセンター(左)とサーバラック(右)

 
 

 デスクトップ型コンピュータ

筐体を机上などに設置する据え置き型のコンピュータです。従来は筐体を横置きして、ディスプレイを上に乗せて使用するコンピュータを指していましたが、近年ではマザーボードが小型化するとともに、筐体も小型化の傾向にあり、これらを総称してデスクトップ型と呼んでいます。机の脇などに設置する大型のタワー型や、ディスプレイの横に設置する小型のスモールフォームファクタなど、さまざまな種類があります。

図 7 デスクトップ型コンピュータ(左:タワー型、右:スモールフォームファクタ)

 
 

 ラップトップ型コンピュータ(ノートパソコン)

ノートのように小型で薄いコンピュータです。主に海外では、膝の上において利用できるコンピュータという位置づけでラップトップ型と呼んでいます。近年では17インチ程度のディスプレイを持つ大型のノートパソコンや、13インチ以下のディスプレイを持つモバイル型ノートパソコンなどに分類されることが多いです。


図 8 ラップトップ型コンピュータ

 
 

 モバイル型コンピュータ(モバイルデバイス)

物理的なキーボードを持たないタブレットやスマートフォン、スマートウォッチなど、一般的にはノートパソコンより小型で携帯性に優れた情報端末を指します。

 
 

装置の物理接続

コンピュータで使用する装置は、マザーボードに直接接続するもの、ケーブルなどを中継して接続するものの2つに分けることができます。

CPUやメモリなどの電子部品は、直接マザーボード上のソケットと呼ばれる部品に接続します。電子部品が扱うデータは、基板上の電子回路を経由して装置間に信号を送信します。

また、コンピュータに内蔵される電源をはじめ、ハードディスク・SSD、光学ドライブ(CD/DVD/BD)などのハードウェアは、それぞれケーブルを中継してデータを送受信します。ハードウェアとケーブルの接続口にはコネクタと呼ばれる装置を使用します。コネクタは接続する装置によって、さまざまな形のものがあります。

 
 

装置間の信号伝送

物理的に接続されたコンピュータ内部の装置間で信号をやり取りするための伝送路(信号を伝送する媒体)を、バスといいます。
バスは接続する装置や送受信する信号の種類によって、信号の伝送速度が異なります。一般的にCPUやメモリ、ハードディスクなどでは高速なバスが、キーボードやマウス、ディスプレイなどでは低速なバスが使用されます。

[参考]バスの種類
バスは信号の流し方の違いによって、大きくシリアルバスとパラレルバスの2種類に分けることができます。
シリアル(直列)バスは伝送路内に信号を1ビットずつ順番に送信する方式です。この方式で使用する伝送路をシリアルケーブルといいます。送信側が信号を順番通りに送信し、受信側が到着した信号を順番通りの処理するため、シンプルな仕組みであることが特徴です。現在主流のバスとして、さまざまな用途で利用されています。

主なシリアルバスとして、さまざまな周辺機器を接続するUSB(Universal Serial Bus)や、ハードディスクやSSDなどを接続するSATA(サタ:Serial ATA:Serial Advanced Technology Attachment)などがあります。

図 10 シリアルバスでの信号の流れ

 
 

パラレル(並列)バスは伝送路内に複数ビットを一斉に伝送する方式です。この方式では、1本のケーブル内に複数の伝送路を持つパラレルケーブルを使用します。送信側は信号を複数の伝送路に同時に送信するため、効率よくデータを送受信できますが、仕組みが複雑であることや、シリアルバスの高速化によって、現在ではあまり使用されなくなりました。

主なパラレルバスとして、内蔵ハードディスクや内蔵CD/DVD-ROMを接続するIDE(Integrated Drive Electronics)や、SCSI(スカジー:Small Computer System Interface)、PATA(パタ:Parallel Advanced Technology Attachment)などがあります。

図 11 パラレルバスでの信号の流れ

 
 

 

演習:ハードウェアの構造
グループで演習を行います。コンピュータを解体して、内部のハードウェア構造を確認しましょう。必要に応じて、Webサイトで確認しても構いません。
 ハードウェア装置を探してみよう!
 CPU
 メインメモリ
 電源
 ハードディスク
 冷却ファン
 CD/DVDドライブ
 マザーボードの仕様を確認しよう!
 メインメモリ:
すべてのスロット数   個、使用されているスロット数   個
 ハードディスク:
・ベンダ(製造元)
・ディスク容量
 USBインタフェース数

注意!
実際に動作するコンピュータを分解します。コンピュータは演習後、原状復帰します。以下の注意をよく読み、作業してください。
[作業に使用する道具]
・静電気防止手袋、マスク(作業者が身に着ける)
・帯電防止シート(コンピュータの下に敷く)
・絆創膏(万が一、怪我をした場合の応急処置として使用)
[注意点]
・感電のおそれがあるため、ウールのセータなどの帯電しやすい服装では実施しないでください。
・コンピュータ内部で手を切らないように注意しましょう。

 

 

 

5大装置の概要

入力装置

入力装置は、ユーザがコンピュータに対して命令やデータを入力するための周辺機器です。
私たちがよく使う入力装置として、キーボードとマウスがあります。他にも、スキャナやタッチパッドなどがあります。近年は、モバイルデバイスの普及により、指先やスタイラスペンなどで触れて操作できるタッチパネルや、指紋認証や顔認証などで利用されるバイオメトリクス(生体認証)システムなどが普及しつつあります。

 キーボード

キーボードはユーザが文字や記号などを入力し、コンピュータに入力データとして送信するための周辺機器です。ユーザが使用する言語によって、それぞれの言語に対応したキーボードがあります。キーボードのキー数によって区別することが多く、日本語に対応したキーボードとして、106キーボードや109キーボードなどがあります。
キーボードは、以前PS/2(ピーエスツー)というコネクタによって接続されていましたが、現在はUSBによる接続が主流です。近年は、ノートパソコンに内蔵されているものや、無線(ワイヤレス)により接続されるキーボードも登場しています。

図 12 キーボード

 
 

 マウス

マウスは、ディスプレイ上での入力位置を指定するための周辺機器です。マウスに設置されているボタンを押す(クリックする)ことによって、アプリケーションの起動やファイルの操作など、さまざまな命令を送信できます。

マウスもキーボードと同様に、以前はPS/2接続で接続され、マウス内部にあるローラーをボールで動かすことによるメカニカル(機械式)マウスが主流でした。現在では、USBやワイヤレスで接続し、マウスの裏側にあるレーザでマウスの動き読み取るレーザーマウスが主流です。通常のマウスではボタンが1~3個設置されていますが、用途によってはさらに多くのボタンが設置されているものもあります。

 
 

 スキャナ

スキャナは、印刷物を画像データとして読み取って、コンピュータに入力するための周辺機器です。以前は単体のハードウェアとして利用されることがありましたが、現在はオフィスにあるMFP(Multifunction Printer:デジタル複合機)や、家庭向けプリンタなどに搭載されていることが多くなっています。また、紙資料や名刺などを画像データとして読み取り、文書内の文字を文字データとして変換するOCR(Optical Character Reader)技術が進化したことにより、ドキュメントスキャナと呼ばれるスキャナも登場しています。
また、特定の識別子を読み取るための装置もスキャナと呼びます。バーコードスキャナやQRコードスキャナなどがあります。

 タッチパッド

タッチパッドは、平面上のセンサーを指でなぞることによってマウスポインタを操作するための周辺機器です。ノートパソコンなどで標準的に搭載されていることが多く、通常は指の動きを読み取るためのセンサーとは別に、マウスクリックと同等の役割を持つボタンが搭載されています。

 
 

記憶装置

記憶装置は、データを一時的または永続的に保存するための装置および周辺機器です。メモリなどの主記憶装置、ハードディスクやSSDなどの補助記憶装置に大きく分けることができます。

主記憶装置

主記憶装置は、比較的CPUに近い位置に配置される高速・低容量の記憶装置です。一般的にメインメモリ、または、単にメモリと呼ばれます。CPUの命令によって直接読み書きが可能な記憶装置であり、実行中のプログラムコードや、処理に必要なデータなどが一時的に保存されます。

 
 

DRAMはどのようなメモリ?動作の仕組みやフラッシュメモリ、SRAMとの違いとは

パソコンを選ぶ時などに、機種ごとの機能・性能について事前にWebサイトやカタログで確認したり、販売店で説明を受けたりする方は多いでしょう。その際、メインメモリの性能がどれくらいかについて調べていると、「DRAM」という言葉をよく見かけるはずです。そこでこの記事では、メモリの一つであるDRAMについてご紹介します。DRAMとはどのようなものなのかを知ることで、メインメモリやパソコンなど、さまざまな製品を選ぶ際のヒントになるでしょう。

DRAMとは

DRAM(Dynamic RAM、ディーラム)は、RAM(Random Access Memory)と呼ばれる半導体メモリの一種です。構造が単純で、比較的安い価格で大容量な製品を製造できるため、パソコンのメインメモリなどに広く使われています。

日本でも一時は数多く生産され、日本のメーカーが生産シェアの大半を占めていたこともありますが、近年は韓国のメーカーがシェアの多くを占めている状況となっています。

DRAMの仕組み

DRAMは、内部のコンデンサとトランジスタを合わせた記憶素子を利用して動作し、記憶素子に電荷が蓄えられた状態を「1」、蓄えられていない状態を「0」とすることで、データの読み取りを行っています。

なお、電荷は時間経過とともになくなってしまうのでデータの消失を防ぐために、定期的な再書き込み(リフレッシュ)を行わなければいけません。このように、メモリに電気が流れている間だけデータの記憶が行われるため、「揮発性メモリ」に分類されます。

また、DRAMはデータ転送効率の改良が重ねられているため、データへのアクセス速度や方法の違いなどによりいくつか規格が存在しており、現在は「DDR3 SDRAM」や「DDR4 SDRAM」が広く普及しています。DDR3やDDR4など、メモリの規格は互換性がないため、特にメインメモリを購入する際は注意が必要です。

フラッシュメモリやSRAMとの違い

半導体メモリには、DRAM以外にも「フラッシュメモリ」や「SRAM」などの種類があります。ここでは、フラッシュメモリやSRAMがDRAMとどのように異なった特徴を持っているのかについてご紹介します。

フラッシュメモリとは

フラッシュメモリは「不揮発性メモリ」と呼ばれ、揮発性メモリであるDRAMとは異なる性質を持った半導体メモリです。ROM(Read Only Memory)の一種であるEEPROMの技術が発展して作られたので、フラッシュROMと呼ばれることもあります。

フラッシュメモリの大きな特徴の一つは、DRAMとは違い、電気が流れていなくても記憶データを保持することができる点です。そのため、継続して電気を流し続けるDRAMよりも消費電力が少ないというメリットがあります。

また、フラッシュメモリは動作方式や素子の構造によって、大容量化や書き込みの高速化がしやすい「NAND型」と、信頼性は高いものの低速な「NOR型」の2種類に分けられます。NAND型のフラッシュメモリは、大容量化が簡単な点や消費電力の少なさといった特徴を活かし、SSDやSDカード、USBメモリなど、データ記憶用のストレージとして用いられています。一方NOR型は、信頼性の高さからルーターなどのプログラムデータの保存に使われることが多いです。

以前はフラッシュメモリのデメリットとして、「容量あたりの単価コストが高い」ことが挙げられていました。しかし最近は、さまざまな機器や媒体でフラッシュメモリが普及したため、価格も安くなりつつあります。

SRAMとは

SRAMは「Static RAM」の略称で、DRAMと同じく揮発性の半導体メモリです。記録素子には「フリップフロップ回路」と呼ばれる構造を採用しており、DRAMのように定期的にリフレッシュ動作を行う必要がありません。また、データの読み書きも高速に実行できたり、電力消費量を少なく抑えられたりとメリットの多いメモリです。

ただし、SRAMはDRAMと比較して回路が複雑で、容量の集積化・高密度化が難しいため、容量あたりの単価は高くなってしまうというデメリットがあります。そのためSRAMは、メモリ容量を大きく必要としないCPU内部のキャッシュメモリなどで使用されることが一般的です。

 
 

CPUの高速処理に対応するため、データの読み書きは、ハードディスクなどの補助記憶装置と比較すると非常に高速ですが、高価な装置で構成されることから、一度に保存できる容量は非常に少ないのが特徴です。また、メインメモリは装置の特性上、メインメモリへの通電が解除される(コンピュータの電源がオフとなる)と、記憶内容が失われてしまいます(揮発性)。

 
 

 
 


 
 

補助記憶装置

補助記憶装置は、CPUから直接読み書きができない場所に配置される、低速・大容量の記憶装置です。ハードディスクやSSD、USBメモリなど、データを保存して利用するために使用するストレージ装置が補助記憶装置にあたります。

メインメモリの特性とは異なり、コンピュータの電源が切れても記憶内容が保持される(不揮発性)のが大きな特徴で、ハードディスクなどでは数百ギガバイトから数テラバイトの記憶容量をもつ製品が販売されています。
 
 

 
 

 
 


 
 


 
 

制御装置

制御装置は、他の装置の制御を行う装置です。CPUやチップセットが制御装置に該当し、具体的には以下の制御を行います。
 入力装置および出力装置との信号の入出力制御
 記憶装置とのデータ読み出し、書き出しの制御
 演算装置との命令の実行制御

初期のコンピュータでは、制御装置と演算装置が明確に分離していましたが、現在では一体化されています。

演算装置

演算装置は、入力されたデータや命令に基づいて算術計算や論理演算などの処理を行う装置です。CPUが演算装置にあたります。
 
 

 
 

企業や家庭などで使用されるパソコン向けのCPUは、米Intel社(Core iシリーズ、Pentiumシリーズ、 Celeron)や、米AMD社(Ryzenシリーズ、Athlon)などで開発、販売されています。

 
 

 
 

 
 

また、モバイル端末用では、装置の小型化や配線の省力化が進み、複数のチップを統合したSoC(System on Chip)といった形態で実装されています。

Apple M1チップ:SoC(System on Chip)

 
 

コア&スレッド

最近主流のCPUでは、「マルチコアプロセッサー」という“1つのCPUの中に複数のコアが入っている”のが主流となっております。

複数のコアが存在すると、複数の処理を並行で行う場合に有効です。

※現在の主流※
「クアッドコア(4コア)」「ヘキサコア(6コア)」「オクタコア(8コア)」
このコアを多く備えていれば備えているほど「同時並行で行える処理作業の数が増える」

スレッド数
「4コア8スレッド」のように、コア数と並んで表記されていることの多いスレッド数は「論理コア数」とも呼ばれており、パソコンから認識されているコア数のことを表しています。インテル社が自社のマイクロプロセッサ(MPU/CPU)製品に搭載している、一つのプロセッサコアを擬似的に二つに見せかける技術をハイパースレッディングという。

出力装置

出力装置は、コンピュータによる処理結果を出力するための周辺機器です。私たちがよく使う出力装置として、ディスプレイやプリンタ、スピーカなどがあります。

 ディスプレイ

ディスプレイは、画面を発光させて文字や画像を表示する出力装置です。モニタともいいます。近年は薄型、軽量、低消費電力の液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)が主流となっています。

 プリンタ

プリンタは、アプリケーションで作成したデータやコンピュータの画面を紙面に出力する際に使用する出力装置です。プリンタは、印字方式の違いによりいくつか種類に分類できます。

 ドットインパクト型プリンタ

ドットインパクト型プリンタは、インクを吸わせた帯状のインクリボンに、金属製の細いピンを打ち付けて、紙面に印刷するプリンタです。この方式のプリンタは古くから存在していますが、複写用紙への印刷が可能であることから現在でも利用されています。

 レーザプリンタ

レーザプリンタは、印刷する文書や画像のイメージを感光体ドラムにレーザ照射し、トナー(粉末状のインク)を付着させておき、ドラムを回転させながら熱でトナーを溶かして紙に圧着させて印刷するプリンタです。
この方式のプリンタは、主に企業にあるMFP(複合機:Multifunction Peripheral)や、コピー機などで使用されることが多くなっています。

 インクジェットプリンタ

インクジェットプリンタは、印字ヘッドにあるノズルの先端から微細なインクを噴射して印刷するプリンタです。家庭用のプリンタとして最も普及していますが、近年ではビジネス用途のインクジェットプリンタとして、プリンタにスキャナやFAXなどの機能を組み合わせた複合機器が提供されています。

 スピーカ

スピーカは、コンピュータ操作時の効果音や、音楽データ、映像データに含まれる音声を再生するための出力装置です。箱型で音声を再生する置型のスピーカや、両耳に装着して音声を再生するイヤホンなどがあります。

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

 
 

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