Phase 1 | Week 1: コンピュータ基礎 | プロジェクト・ミーミル

コンピュータが内部でどう動いているかを、ビットの表現から CPU の命令実行までたどる社内勉強会の資料です。

2進数と10進数の変換、負の数を扱う2の補数（なぜ加算器だけで引き算ができるか）、0.1 + 0.2 が 0.3 にならない浮動小数点の誤差、ビット操作を前半で扱います。後半は CPU・レジスタ・メモリ・IO の役割と、フェッチ→デコード→実行→ストアの命令実行サイクル、スタックとヒープ、コンテキストスイッチまでを順番に積み上げます。

ねらいは、用語を覚えるのでなく各段階の「なぜ」を自分の言葉で説明できる状態にすること。金額計算で浮動小数点を避ける理由や、スタックあふれ・メモリリークといった実務のつまずきが、どの基礎とつながっているかも合わせて示します。

▼ プロジェクト・ミーミルとは
TLE（テックリードエンジニア）および技術面接官の育成を目的としたプログラムです。コンピュータ・ネットワーク・Web の基礎を体系的に学び直し、暗記ではなく「なぜそうなっているか」を自分の言葉で説明できる状態を目指します。週1回の勉強会で基礎から専門領域までを順番に扱い、技術面接で候補者の力を原理から正しく評価できる面接官を育てます。

Transcript

1. Week 1: コンピュータ基礎 プロジェクト・ミーミル Phase 1 / 全15回 プロジェクト・ミーミル | Week 1 1
2. 今日のアジェンダ 時間 パート 0:00 オリエンテーション（5分） 0:05 講義①: ビットとデータ表現（15分） 0:20 講義②: 処理の流れ（15分） 0:35 プチテスト 8問（10分） 0:45〜 質疑・まとめ（バッファ） プロジェクト・ミーミル | Week 1 2
3. オリエンテーション プログラム全体: 4ヶ月・全15回（週1回） 学習方針: 暗記ではなく理解。Why を自分の言葉で説明できるのがゴール 最終ゴール: 7/22 最終テスト合格 → 技術面接官認定 事前に講義資料に目を通しておくこと プロジェクト・ミーミル | Week 1 3
4. 今日のゴール この回が終わったら、以下ができる状態: 1. CPU・レジスタ・メモリ・IOの役割を自分の言葉で説明できる 2. 2進数変換とビット操作を手で計算できる — 頭で分かっているだけじゃなくて、 手が動くこと 3. 「なぜそうなっているか」のストーリーを持てている — 2の補数がなぜ便利か、 浮動小数点がなぜ誤差を生むか プロジェクト・ミーミル | Week 1 4
5. この講義がどこで生きるか 領域 実務との接点 面接 「CPUが命令を実行するプロセスを説明してください」 「0.1 + 0.2 が 0.3 にならないのはなぜですか」→ 今日の内容がそのまま出る フロントエン ド call stack size exceeded エラー（Next.js / React Native）→ スタ ックの話と直結 バックエンド （Go） goroutine → コンテキストスイッチの話と繋がる。メモリリーク → ヒ ープとGCの理解 プロジェクト・ミーミル | Week 1 5
6. 対応するスキルDB評価基準 項目 確認ポイント 処理の流れ CPU・レジスタ・メモリ・IOと処理の流れを説明できる ビットとデータ表 現 データのビット表現を理解し、ビット操作・2進数変換ができ る プロジェクト・ミーミル | Week 1 6
7. セクション1 ビットとデータ表現 プロジェクト・ミーミル | Week 1 7
8. 2進数とは 各桁が ON（1）か OFF（0） しかない。ON なら重みを足す、OFF なら足さない 桁 指数 重み 覚え方 1桁目 2⁰ 1 前の数を倍にしていくだけ 2桁目 2¹ 2 3桁目 2² 4 4桁目 2³ 8 5桁目 2⁴ 16 6桁目 2⁵ 32 7桁目 2⁶ 64 8桁目 2⁷ 128 プロジェクト・ミーミル | Week 1 8
9. 2進数の読み方 例: 101010 を10進数に変換 32 16 8 4 2 1 101010 1 0 1 0 1 0 → 1が立ってる桁だけ足す: 32 + 8 + 2 = 42 プロジェクト・ミーミル | Week 1 9
10. 10進数 → 2進数の変換 2で割り続けて、余りを下から読む 13 ÷ 2 = 6 ... 余り 1 ← 1 桁目（重み1 ） 6 ÷ 2 = 3 ... 余り 0 ← 2 桁目（重み2 ） 3 ÷ 2 = 1 ... 余り 1 ← 3 桁目（重み4 ） 1 ÷ 2 = 0 ... 余り 1 ← 4 桁目（重み8 ） → 下から読む: 1101(2) 8 4 2 1 1 1 0 1 検算: 8 + 4 + 0 + 1 = 13 プロジェクト・ミーミル | Week 1 10
11. 答え合わせ: 25 → 2進数 25 ÷ 2 = 12 ... 余り 1 ← 1 桁目（重み1 ） 12 ÷ 2 = 6 ... 余り 0 ← 2 桁目（重み2 ） 6 ÷ 2 = 3 ... 余り 0 ← 3 桁目（重み4 ） 3 ÷ 2 = 1 ... 余り 1 ← 4 桁目（重み8 ） 1 ÷ 2 = 0 ... 余り 1 ← 5 桁目（重み16 ） → 下から読む: 11001(2) 16 8 4 2 1 1 1 0 0 1 検算: 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 25 プロジェクト・ミーミル | Week 1 11
12. 2の補数 コンピュータが 負の数 を表現する標準的な方法 求め方: 全ビット反転 + 1 +5 = 0000 0101 ↓ 全ビット反転 1111 1010 ↓ +1 -5 = 1111 1011 プロジェクト・ミーミル | Week 1 12
13. 2の補数: なぜ便利か 加算回路だけで減算もできる！ 5 + (-3) を2 進数で計算: 0000 0101 (+5) + 1111 1101 (-3: 0000 0011 を反転+1) ----------- 0000 0010 = 2 （桁あふれは無視） → ALUに足し算の仕組みさえあれば、引き算もできる → ハードウェアがシンプルにな る プロジェクト・ミーミル | Week 1 13
14. 浮動小数点: なぜ誤差が出るか 0.1 を2進数に変換してみると… 0.1 × 2 = 0.2 → 0 0.2 × 2 = 0.4 → 0 0.4 × 2 = 0.8 → 0 0.8 × 2 = 1.6 → 1 0.6 × 2 = 1.2 → 1 0.2 × 2 = 0.4 → 0 ← ここからループ 整数 → 2進数: ÷2 / 小数 → 2進数: ×2 → 無限循環小数 → 有限ビットで打ち切る → 誤差の正体 プロジェクト・ミーミル | Week 1 14
15. 浮動小数点: 実務での注意 0.1 + 0.2 // → 0.30000000000000004 var a float64 = 0.1 var b float64 = 0.2 fmt.Println(a + b) // → 0.30000000000000004 fmt.Println(a + b == 0.3) // → false Go Playground で試す 0.01 を 1000回足すと → 10 じゃなくて 9.99... になる 金額計算では浮動小数点を使わない！ → 整数で計算する 参考: メルペイの料率計算における小数の扱い プロジェクト・ミーミル | Week 1 15
16. ビット操作 操作 記号 説明 AND & 両方1のとき1 → マスク処理 OR | どちらか1のとき1 → フラグ設定 XOR ^ 異なるとき1 → スワップ NOT ~ ビット反転 左シフト << ×2 右シフト >> ÷2 プロジェクト・ミーミル | Week 1 16
17. ビット操作: Goでの実例 // Go: フラグ管理の例 const ( FlagRead = 1 << 0 // 001 = 1 FlagWrite = 1 << 1 // 010 = 2 FlagExec = 1 << 2 // 100 = 4 ) perm := FlagRead | FlagExec // 101 = 5 fmt.Println(perm&FlagWrite != 0) // false プロジェクト・ミーミル | Week 1 17
18. セクション1まとめ 評価基準 対応する内容 データがどの様にビットで表現されているか理解して いる 整数・浮動小数点の表現方 法 ビット操作が行える AND, OR, XOR, シフト演算 整数値を2進数で表現できる 10進数 2進数の変換 プロジェクト・ミーミル | Week 1 18
19. セクション2 処理の流れ プロジェクト・ミーミル | Week 1 19
20. CPU・レジスタ・メモリ・IO ┌─────────────────────────┐ │ CPU │ │ ┌─────┐ ┌──────────┐ │ │ │ ALU │ │ 制御装置 │ │ ┌─────────┐ │ └─────┘ └──────────┘ │ ←→ │ メモリ │ │ ┌──────────────────┐ │ │ (RAM) │ │ │ レジスタ群 │ │ └─────────┘ │ └──────────────────┘ │ └─────────────────────────┘ ┌─────────┐ │ IO │ バス（データの通り道） │ ( 入出力) │ └─────────┘ プロジェクト・ミーミル | Week 1 20
21. 各レジスタの役割 レジスタ 役割 プログラムカウンタ（PC） 次に実行する命令のアドレス アキュムレータ 演算結果を格納 スタックポインタ（SP） スタックの先頭アドレスを保持 命令レジスタ 現在実行中の命令を保持 プロジェクト・ミーミル | Week 1 21
22. 命令実行サイクル CPUは以下のサイクルを 超高速に繰り返す（3GHz = 秒間30億回） ① フェッチ（Fetch ） → PC （プログラムカウンタ）が示すアドレスから命令を読み出す ↓ ② デコード（Decode ） → 制御装置が命令を解読する ↓ ③ 実行（Execute ） → ALU が演算を実行する ↓ ④ ストア（Store ） → 結果をレジスタ/ メモリに書き戻す ↓ ⑤ PC をインクリメント → 次の命令へ プロジェクト・ミーミル | Week 1 22
23. スタックとヒープ スタック — LIFO（後入れ先出し） 関数の呼び出し情報（引数、戻りアドレス、ローカル変数） 関数呼び出しでフレームが積まれ、終了で取り除かれる サイズは比較的小さく固定的 ヒープ — 動的なメモリ領域 malloc （C） 、 new （Java/C++）で確保 プログラマ or GCが解放を管理 プロジェクト・ミーミル | Week 1 23
24. コンテキストスイッチ OSが 複数プロセスを並行実行 するための仕組み 1. 実行中プロセスの状態を 保存（レジスタ値、PC、SP） 2. 別のプロセスの状態を 復元 3. 超高速に切り替え → 人間には同時に見える コスト: 切り替え自体にオーバーヘッドがある プロジェクト・ミーミル | Week 1 24
25. セクション2まとめ: 評価基準との対応 評価基準 対応する内容 CPU、レジスタ、メモリ、IO と処理の流れを説明 できる 構成要素の役割と命令実行サイ クル 命令セットを理解している フェッチ→デコード→実行→ス トア コンテキストスイッチを理解している プロセス切り替えの概念 プロジェクト・ミーミル | Week 1 25
26. プチテスト プロジェクト・ミーミル | Week 1 26
27. プチテスト 問題数: 8問（選択式 + 記述式） 制限時間: 15分 合格基準: 70%以上 別紙 quiz.md を参照 プロジェクト・ミーミル | Week 1 27
28. まとめ・次回予告 今日学んだこと ビットとデータ表現（2進数、整数、浮動小数点、ビット操作） 処理の流れ（CPU構成、命令実行サイクル、スタック/ヒープ、コンテキストスイッ チ） 次回: Week 2「プログラミング基礎〜中級」 変数・条件分岐・繰り返しの基礎確認 構造化プログラミング、アルゴリズム、データ構造、計算量 プロジェクト・ミーミル | Week 1 28
29. 自習リソース リソース 内容 プログラムはなぜ動くのか 第3版 第1章〜第3章 第一回コンピュータ編（Notion） 今回の講義の元資料 応用情報 過去問 「コンピュータ構成要素」 「基礎理論」 プロジェクト・ミーミル | Week 1 29