情報処理工学08資料 /infoeng08

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1. 情報処理工学 第８回 藤田 一寿 公立小松大学保健医療学部臨床工学科 この資料は「情報機器と情報社会のしくみ」で公開されている画像を多く用いています． http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html
2. これからの講義内容に関する注意 • 今後の講義は主に知識問題を取り扱う． • コンピュータに関わる技術は日進月歩のため，今年の講義で取り扱っ た内容がすぐに通用しなくなる可能性がある． • また，今年の講義で取り扱っていない新しい技術が出てきて急速に普 及することもある． • 今回以降で取り扱う内容は，３年後の国家試験のための勉強をすると き，講義内容以上の事柄を勉強する必要がある．
3. コンピュータの基本構成
4. コンピュータの構成についての初 心者向け説明
5. コンピュータの様子 ディスプレイ キーボード マウス スピーカー プリンタ スキャナ コンピュータ プリンタやスキャナなどを 一体化したものは複合機
6. コンピュータの構成部品 CPU GPU メモ リ (iFixit) チップ セット SSD
7. コンピュータの構成要素
8. コンピュータの5大装置 • 制御装置 • コンピュータ内の他の装置を制御するための装置 • 演算装置 • 計算をする装置．制御装置と演算装置を組み合わせたものを中央処理装置 （CPU: Central Processing Unit）と呼ぶ． • 記憶装置 • 情報を記憶する装置．記憶装置は主記憶装置（メインメモリ）と補助記憶 装置に分けられる． • 入力装置 • 人間がコンピュータに情報を入力する装置 • 出力装置 • コンピュータの処理結果を出力する装置
9. コンピュータの5大装置 • CPU • コンピュータの中枢部品． • 制御と演算を行う． • 主記憶装置 • 動作するために必要なプログラムやデータを一時的に記憶する装置． • 補助記憶装置 • プログラムやデータを長期に渡り記憶する装置． • ハードディスク，SSD，CD-ROM，DVD-ROMなど • 入力装置 • コンピュータに情報を入力するための装置． • キーボード，マウス，スキャナなど • 出力装置 • コンピュータの情報を出力するための装置． • ディスプレイ，プリンタなど． 主記憶装置は机 CPUは頭脳 補助記憶装置は本棚 入力装置は五感 出力装置は口やペンを持った手
10. 5大装置とデータの流れ 補助記憶装置 主記憶装置 入力装置 出力装置 制御装置 演算装置 CPU プ ロ グ ラ ム を 読 み 込 む データを演 算 データの 読み書き 入力をメモリ に読み込む 処理結果を出 制御の流れ 制御の流れ
11. プログラム内蔵方式 • コンピュータはハードェアとソフトウェアによって構成される． • ソフトウェアは主記憶装置に記憶され，必要なときに読み出される． • ソフトウェア（プログラム）が予めシステムの記憶装置に内蔵するコ ンピュータをプログラム内蔵方式のコンピュータとよぶ． • 情報を読み書きすることをアクセスという．
12. CPUの種類 • x86系 • 主にパソコン向けCPU • IntelとAMDが主に生産 • Core i7，Core i5，Xeon，Ryzen，Threadripperなど • ARM系 • 主にスマートフォン，タブレット向けのCPU • 様々な機能を含むためCPUのみの機能に特化していない．(SoC: System on a Chip) • 様々な会社が生産
13. CPUの性能指標 • クロック周波数（Hz） • コンピュータの装置はクロックと呼ばれる周期的な信号に合わせて動く． • CPUもクロックという周期信号に合わせて動く． • １秒間に繰り返されるクロックの数をクロック周波数と呼ぶ． • クロック周波数が大きければ大きいほど性能が高い． • MIPS (Million Instructions Per Second) • １秒間に実行できる命令の数 (1MIPS=1秒間に100万命令実行できる)． • MIPSが大きければ性能が高い． • FLOPS (Floating-point Operation Per Second) • 1秒あたりに計算できる浮動小数点演算の数 • コア数 • CPUの中に入っている処理ユニットの数． • 多ければ多いほど並列処理の性能が高い． • （CPUのスペックにおける）スレッド数 • OSからみえる論理的なコア数
14. 例 • Intel Xeon Gold 6140 • 価格約30万円 • クロック周波数：2.3GHz (3.7GHz) • コア数：18 • スレッド数：36 • FLOPS：864.0GFLOPS
15. GPU • Graphics Processing Unitの略 • ３Dグラッフィクスなどの画像処理に特化した演算装置 • ２００７年GPUメーカーであるNVIDIAがGPUを画像処理以外の目的 に用いるための環境を提供したことにより，GPGPU (General- purpose computing on GPU)が普及した． • CPUよりも遥かに高速に演算できるため，科学技術計算などで活用さ れている． • GPGPUはディープラーニングでも用いられ，人工知能の発展に大きく 寄与している．
16. 例 • NVIDIA GTX1080Ti • 価格：約10万円 • GPUクロック：1481MHz • FLOPS：11.34TFLOPS (単精度) • NVIDIA GTX3090 • 価格：約20万円 • GPUクロック：1395MHz • FLOPS：35.58TFLOPS (単精度)
17. 記憶装置
18. 記憶装置（メモリ） • 情報を記憶する装置 • 主記憶装置と補助記憶装置に大きく分けられる． • 記憶装置に情報を記憶することを書く (write)もくは保存 (save)，記憶 した情報を取り出すことを読む (read)という． • 主記憶装置 • 動作するために必要なプログラムやデータを一時的に記憶する装置． • メインメモリもしくはメモリと呼ばれることがある． • 補助記憶装置 • プログラムやデータを長期に渡り記憶する装置． • ハードディスク，SSD，CD-ROM，DVD-ROMなど 主記憶装置は机 CPUは頭脳 補助記憶装置は本棚
19. 不揮発性メモリと揮発性メモリ • 不揮発性メモリ • 情報の保持に電源を必要としない．（電源を切っても情報は保持される） • 補助記憶装置は不揮発性である必要がある． • 揮発性メモリ • 情報を保持するのに電源が必要．（電源を切ると情報は消える）
20. RAMとROM • RAM • Random Access Memoryの略 • データの読み込み，書き込み両方可能 • 主記憶装置に使用される • ROM • Read Only Memoryの略 • 読み込みのみ可能，書き込みはできない • フラッシュメモリは書き込めるがROMに分類される．そのため．フラッ シュROMとも呼ばれる．
21. SRAMとDRAM • DRAM • コンデンサに蓄積された電荷の有無で1と0の状態（情報）を記憶する． • 蓄積された電荷は放っておくと徐々に失われるため，再充電する（リフ レッシュ）必要がある． • SRAMより集積度が高い．（容量を大きくできる） • 主記憶装置としてよく使われる． • SRAM • フリップフロップ回路（論理回路の一種）を用い1と0の状態（情報）を記 憶する． • リフレッシュする必要がない． • DRAMにくらべ高速にアクセスできる． • 集積度はDRAMに劣る．
22. マスクROM，PROM，フラッシュメモリ • マスクROM • 情報をメモリのチップ内部の半導体素子や配線の配置として構成する． • ゲームソフトや家電，AV機器，産業機械等に内蔵される制御ソフトの記憶など に用いられる． • PROM (Programable ROM) • PROMは何も情報が記録されていない状態で出荷され，ROMライターと呼ばれ る機器を使いユーザが情報を書き込む． • 機器に組み込んで使う時は読み出し専用の記憶装置として機能する． • EPROM (Erasable PROM) • 紫外線でデータを消去して書き換えることができる． • EEPROM (Electrically EPROM) • 電気的に情報を書き換えることができる． • フラッシュメモリ（フラッシュROM） • EEPROMの一種． • USBメモリ，SDカード，SSDなど様々な用途で用いられる．
23. 補助記憶装置（ストレージ） • 主記憶装置には揮発性メモリが使 われるため電源が切れると情報は 消えてしまう．そのため，情報を 持続的に保存しておくために補助 記憶装置が用いられる． • 外部記憶装置とも言う． • 主な補助記憶装置 • 半導体 • SSD • SDカード • USBフラッシュドライブ • 磁気 • ハードディスク • 磁気テープ • フロッピーディスク • 光ディスク • CD-ROM • DVD-ROM • BD-ROM
24. フラッシュメモリを使った記憶装置 • SSD (Solid State Drive) • データへのアクセスが比較的高速である． • 物理的な可動部分がないため，省電力，静音，耐衝撃に優れる． • 書き込み回数に制限がある． • 故障時のデータ復旧が難しい． • SDカード • デジタルカメラ，スマートフォンなどで使われる記憶メディア． • 小型のmicro SDカードがある． • USBフラッシュドライブ（USBメモリ） • 別途読み取り機器を必要とせず，USB端子に直接接続できる．
25. ハードディスク（HD） • 磁気を利用した記憶装置． • 磁性体を塗布した円盤（磁気ディスク）に情報を磁気として保存する． ディスク（プラッタ） 金属やガラスでできて いる円盤． 表面に磁性体が塗布さ れていて，それを磁化 することで情報を記憶 する． 磁気ヘッド アームの先端についている 微小な電磁コイル．ディス クを磁化させたり，情報を 読み取ったりする． アクセスアーム 先端に磁気ヘッドがつい ているアーム．ディスク 上の目的地まで磁気ヘッ ドを運ぶ．
26. セクタとトラック • セクタ • ディスク上の扇状に分かれた最小範囲． • トラック • セクタを複数集めた1周分の領域． (基礎から学ぶ医療情報)
27. データへのアクセスに係る時間 • シーク（位置決め） • アームを動かし，磁気ヘッドを目的のデータが書かれているトラックのい ちまで移動する． • サーチ（回転待ち） • ディスクの回転に伴い，目的のデータが磁気ヘッドの位置まで回ってくる のを待つ． • データ転送 • セクタに書かれたデータを読み込む． • アクセス時間 • 上記の3ステップにかかる時間の合計． (基礎から学ぶ医療情報)
28. ハードディスクの利点と注意 • SSDに比べ故障時復旧しやすい． • 情報はディスク上に磁気で保存されるため，磁気が消えない限り復旧 できる可能性がある． • WindowsなどOS上でファイルを消してもハードディスク上ではファイ ルは消えていない． • 上記と同じ理由で，情報を記憶する磁気を消さない限り情報はハード ディスク上に残る．消すためには，上書きをするかディスクを破壊す る必要がある（ディスクの破壊が一番安全）． • 2019年ハードディスク処理会社の社員がハードディスクを転売し，公 文書が流出．
29. RAID（レイド） • Redundant Arrays of Inexpensive Disksの略 • 複数のハードディスクドライブを一つのドライブのように認識・表示 させる技術 • 同じ情報を複数のディスクに保存することによるデータ消失に対する 安全性の向上や複数のディスクに分散書き込みすることによる高速化 などの機能を提供することができる． 一つにまとめる
30. RAIDのモード • RAID0（ストライピング）モード • 情報を複数のドライブに分散して書き込むことで高速化に情報を書き込む ことができる． • RAID1（ミラーリング）モード • 複数のドライブに同じ情報を書き込むため，同じ内容を持つドライブを複 数持つ．そのため，ドライブが1つ破損しても他のドライブに情報が残って いるためドライブの故障による情報の喪失を防げる． データ A B C A B C A B C A B C データ A B C ディスク1 ディスク2 ディスク1 ディスク2
31. NAS (Network Attached Storage) • ネットワークに接続して使用する補助記憶装置 NAS データ保存
32. 磁気テープ • 磁性体をテープ状のフィルムに塗布した記憶媒体． • 情報を磁気として保存する． • かつて，音楽（カセットテープ）や映像（ビデオテープ）をアナログ データとして保存するために用いられていた． • 現在は大容量データのバックアップに用いられている． (wikipedia) カセットテープ
33. フロッピーディスク • 磁性体を塗布・蒸着した樹脂製小円盤を樹脂製の保護ケースに入れた もの． (wikipedia)
34. 光ディスク • レーザ光線によってデータの読み書きを行う． • CD-ROM，CD-R • DVD-ROM，DVD-R • BD-ROM，BD-R
35. CD-ROM • Compact Disk Read Only Memoryの略 • 読み取り専用の記憶装置 • 直径約12cmの円盤 • CD-ROM1枚で約700MB記憶できる． • 1回書込み可能なCD-Rや複数回書き換え可能なCD-RWがある．
36. DVD-ROM • Digital Versatile Discの略 • 読み取り専用の記憶装置 • 直径約12cmの円盤 • DVD-ROM片面1層で4.7GB，片面2層で8.5GB記憶できる． • 両面2層使えば17GB記憶することができる． • 1度だけ書込み可能なDVD-Rがある． • 書き換え可能なものにDVD-RW，DVD-RAMがある．
37. BD-ROM (Blu-ray Disk ROM) • 青紫色レーザを使った光ディスク • 読み取り専用の記憶装置 • 直径約12cmの円盤 • 1層で25GB，2層で50GB記憶できる． • 1度だけ書込み可能なBD-Rがある．
38. 演習 • CPUについて誤っているのはどれか．第34回臨床工学技士国家試験 1. 演算ユニット，制御ユニット，一時記憶ユニットから構成される． 2. 主記憶装置から命令を読み込んで解読し，実行する． 3. マルチコアCPUでは複数の処理を並列に実行することができる． 4. 64ビットCPUでは，一度に処理するデータ長が64ビットである． 5. CPUの構造が同じであれば，クロック周波数が低いほど処理速度が 速い．
39. 演習 • CPUについて誤っているのはどれか．第34回臨床工学技士国家試験 1. 演算ユニット，制御ユニット，一時記憶ユニットから構成される． 2. 主記憶装置から命令を読み込んで解読し，実行する． 3. マルチコアCPUでは複数の処理を並列に実行することができる． 4. 64ビットCPUでは，一度に処理するデータ長が64ビットである． 5. CPUの構造が同じであれば，クロック周波数が低いほど処理速度が 速い．
40. 演習 • 画像処理に特化して設計された装置はどれか．第34回臨床工学技士国 家試験 1. GPU (Graphics Processing Unit) 2. VGA (Video Graphics Array) 3. ALU (Arithmetic Logic Unit) 4. MMU (Memory Management Unit) 5. GPU (Graphical User Interface)
41. 演習 • 画像処理に特化して設計された装置はどれか．第34回臨床工学技士国 家試験 1. GPU (Graphics Processing Unit) 2. VGA (Video Graphics Array) 映像信号のためのインターフェースです・ 3. ALU (Arithmetic Logic Unit) 算術論理演算装置とも呼ばれ中央演算装置の内部にある装置です． 4. MMU (Memory Management Unit) メモリ管理のための部品です． 5. GUI (Graphical User Interface) グラフィカルなユーザーインターフェースのことです．
42. 演習 • 記憶素子（メモリ）について誤っているものはどれか．（第25回ME2 種） 1. RAMは読み書き可能なメモリである． 2. キャッシュメモリはデータをやり取りする2つのデバイス間の速度差 を緩衝する役割がある． 3. フラッシュメモリは電源を切るとデータが消える． 4. ビデオメモリはディスプレイに表示されるイメージを格納するメモ リである． 5. メモリの容量は普通バイト単位で表示される．
43. 演習 • 記憶素子（メモリ）について誤っているものはどれか．（第25回ME2 種） 1. RAMは読み書き可能なメモリである． 2. キャッシュメモリはデータをやり取りする2つのデバイス間の速度差 を緩衝する役割がある． 3. フラッシュメモリは電源を切るとデータが消える． 消えません 4. ビデオメモリはディスプレイに表示されるイメージを格納するメモ リである． 5. メモリの容量は普通バイト単位で表示される．
44. 演習 • 記憶装置について誤っているものはどれか．第29回臨床工学技士国家 試験 1. RAMは記憶内容を変更することができる． 2. RAMは主記憶装置として使われる． 3. ROMは電源を切っても情報を保持する． 4. フラッシュメモリは揮発メモリの一種である． 5. ハードディスクは情報を磁気的に記憶する．
45. 演習 • 記憶装置について誤っているものはどれか．第29回臨床工学技士国家 試験 1. RAMは記憶内容を変更することができる． 2. RAMは主記憶装置として使われる． 3. ROMは電源を切っても情報を保持する． 4. フラッシュメモリは揮発メモリの一種である． フラッシュメモリは不揮発性メモリです．電源を切っても記憶は保持されま す． 5. ハードディスクは情報を磁気的に記憶する．
46. 演習 • コンピュータの補助記憶装置について誤っているのはどれか．第36回 ME2種 1. RAIDによるハードディスクのミラーリングは信頼性を低下させる． 2. アクセス時間を短縮するためにキャッシュメモリが用いられる． 3. BD (Blu-ray Disc) の容量は約25GB/層である． 4. USBフラッシュメモリはEEPROMの一種である． 5. SSDはハードディスクをフラッシュメモリで置き換えたものである．
47. 演習 • コンピュータの補助記憶装置について誤っているのはどれか．第36回 ME2種 1. RAIDによるハードディスクのミラーリングは信頼性を低下させる． 向上させます． 2. アクセス時間を短縮するためにキャッシュメモリが用いられる． 3. BD (Blu-ray Disc) の容量は約25GB/層である． 4. USBフラッシュメモリはEEPROMの一種である． 5. SSDはハードディスクをフラッシュメモリで置き換えたものである．
48. 演習 • 書き込まれた情報を変更できないのはどれか．第26回臨床工学技士国 家試験 1. ハードディスク 2. CD-R 3. USBフラッシュメモリ 4. フロッピーディスク 5. SSD
49. 演習 • 書き込まれた情報を変更できないのはどれか．第26回臨床工学技士国 家試験 1. ハードディスク 2. CD-R 1度書き込んだら変更できません． 3. USBフラッシュメモリ 4. フロッピーディスク 5. SSD -Rがついたら1度だけ書き込める．
50. 演習 • パーソナルコンピュータの主記憶装置に用いられるのはどれか．第35 回臨床工学技士国家試験 1. HDD 2. SSD 3. CD-ROM 4. DRAM 5. DVD-RAM
51. 演習 • パーソナルコンピュータの主記憶装置に用いられるのはどれか．第35 回臨床工学技士国家試験 1. HDD 2. SSD 3. CD-ROM 4. DRAM 5. DVD-RAM • DRAM以外は補助記憶装置に用いられます．