ハードウェア

中央処理装置（CPU）とは、コンピュータにおいてデータ処理と命令の実行を行う部分である。プログラムは每秒数百万回のサイクルを繰り返すことで動作する。

CPUの構成要素

これらの構成要素は、情報を伝達する一連のワイヤーであるバスによって接続されています：

• アドレスバスはメモリアドレスを伝送します（単方向）。
• データバスはデータと命令を伝送します（双方向）。
• コントロールバスは制御信号を伝送します。

特殊レジスタ

これらのレジスタは、fetch–execute cycle（読み出し・実行サイクル）中に使用されます。

fetch–execute cycle（読み出し・実行サイクル）

fetch–execute cycleには3つの工程があり、これが繰り返し行われます：

1. Fetch（読み出し） — 命令がPC、MAR、MDRを使用してメモリからCPUへコピーされます。その後、PCは1増加します。
2. Decode（デコード） — 制御装置が命令の意味を解読します。
3. Execute（実行） — 命令が実行されます（ALUが計算を行い、その結果がアキュムレータへ送られることがあります）。

キャッシュメモリ

キャッシュは、CPU内部または近傍にある非常に高速な少量のメモリです。CPUが頻繁に使用するデータや命令を格納します。CPUはメインメモリよりもキャッシュからの読み出しがはるかに速いため、コンピュータの動作が高速になります。

CPUのパフォーマンスに影響を与える要因

計算例。 AとBという2台のコンピューターがあり、他は同一だが、Aは 3.0 GHzのシングルコアCPUと 2 MBのキャッシュを持ち、Bは 2.4 GHzのクアッドコアCPUと 8 MBのキャッシュを持つ。動画編集にはどちらが適しており、その理由は何か？ 動画編集は同時に実行可能な多数のタスクに分かれるため、Bの4つのコアは複数のストリームを並列に処理できる一方、Aは一度に1つのみ処理できる。また、Bの大容量キャッシュにより、頻繁に使用するデータがCPUに近い位置に保持されるため、RAMからのデータ取得頻度が減る。Aの方がクロック速度は高いものの、Bの方が優れている。クロック速度のみで判断せず、コア数、キャッシュ、クロック速度を総合的に考慮し、それぞれの特性を作業内容に合わせて評価すること。

エンベッデッドシステム

エンベッデッドシステムとは、特定の固定されたタスクを遂行するために、より大きな機器の内部に組み込まれた小型コンピュータです。そのタスクに特化しており、通常は小型かつ低コストで、汎用オペレーティングシステムを持ちません。例：洗濯機、電子レンジ、セットトップボックス。

入力デバイスはデータコンピュータ内へ送信します。

タッチスクリーンには以下の3種類の動作方式があります：

• 抵抗式 — 指で押した箇所で2枚の層が接触します；
• 静電容量式 — 指の微弱な電気電荷を検知します；
• 赤外線式 — 指が光ビームのグリッドを遮断します。

出力デバイスはコンピュータからデータ外へユーザーへ送ります。

メインメモリはCPUが直接使用できるメモリであり、2種類あります。

両方が必要です：ROMがコンピュータの起動方法を指示し、その後RAMが実行するプログラムを保持します。

サブメモリは電源が切れていてもデータを永続的に保存します。非揮発性であり、長期保存に使用されます。3種類あります。

RAMが満杯になると、コンピュータはサブメモリの一部を追加の仮想的なRAMとして使用できます。これを仮想メモリと呼びます。

現在不要なデータはRAMからディスクへ移動され、他のプログラムのためにRAMのスペースが解放されます。これにより、RAM単体では収まりきれない数のプログラムを実行できます。ただし、サブメモリはRAMよりもはるかに遅いため、処理速度は低下します。

クラウドストレージはあなたのデータを自身のデバイスではなく、インターネット経由でアクセスできる遠隔の物理サーバーに保管します。

• 利点：どのデバイスでもどこからでもアクセス可能；ローカルストレージハードウェアの購入・保守が不要；ファイル共有や自動バックアップが容易。
• 欠点：安定したインターネット接続が必要；継続的な契約費用が発生；セキュリティやプライバシーはプロバイダーに依存する；プロバイダーが事業を維持し続けることに依存する。

ネットワークインターフェースカード (NIC)

ネットワークインターフェースカード（NIC）とは、デバイスがネットワークに接続し、データを送受信するためのハードウェアです。各NICにはMACアドレスが組み込まれています。

MACアドレスとIPアドレス

• MACアドレス（メディアアクセスコントロールアドレス）は、特定の物理デバイス識別に用いられる番号である。製造元によって設定され、通常変更されない。十六進法で表記される。
• IPアドレス（インターネットプロトコルアドレス）とは、ネットワーク上のデバイスを識別する番号です。ネットワークから割り当てられ、変更することがあります。

したがって、MACアドレスはデバイスに固定されていますが、IPアドレスはデバイスが利用しているネットワークに依存します。

IPアドレスには2つのバージョンがある。IPv4は32ビットで、4つの十進数0–255（例：192.168.0.1）で表記される。新しいIPv6は128ビットで、コロンで区切られた8つの十六進数グループで表記され、圧倒的に多くのアドレスを提供する。アドレスの種類は静的（固定され、手動で設定され変更しない）か動的（デバイス接続時にルーターやネットワークから割り当てられ、変更する可能性がある）のいずれかである。

ルーター

ルーターは異なるネットワーク同士を接続します（例：自宅のネットワークとインターネット）。各パケットに含まれるIPアドレスを読み取り、正しいネットワークへ転送します。

• **fetch–decode–execute cycle（取得-デコード-実行サイクル）**と特殊レジスタを理解してください：プログラムカウンタは次の命令のアドレスを保持し、MAR/MDRはアドレス/データを搬送し、アキュムレータはALUの結果を保持します。
• CPUのパフォーマンスは、コア数が増えること、キャッシュが大きくなること、クロックスピードが高くなることで向上します。
• RAMは揮発性であり（電源がないとデータを失う）、使用中のプログラムを保持します；ROMは非揮発性で読み取り専用であり（スタートアップ指令）、常時保存されます。
• 二次記憶装置の種類にマッチさせます：磁気式（HDD、テープ）、光ディスク式（CD/DVD、レーザーで読み取る）、固体素子式（SSD、USB、フラッシュメモリ - 可動部なし）。
• MACアドレスは物理デバイスを識別し、通常は変更されません；IPアドレスはネットワークから割り当てられ、変更することがあります。