コンピューターの動作の仕組み(構成要素)をシミュレーターで理解しよう！スマホやPCはこんな風に動いてます！

2022-01-29　 コンピューター概論

PCやスマホなどのコンピューターって不思議ですよね。自由自在に動いてるように見えます。本当に何でも出来てしまう魔法の機械なんです！

そんなコンピューターですが、基礎的な部分に分けることで、どんな風に動作しているのかが理解出来ていきます。

そこで今回はシミュレーターでコンピューターの各構成要素とつながりを解説します！

コンピューターの5大構成要素

コンピューターは↓のような構成要素が連携して動いています！それぞれの概要を以下説明します！

1.入力装置

図の左側にあるもので、人間がコンピューターに向かって操作/指示する部分のことです。ここがないと、コンピューターが操作できないです。

PCでいうと「キーボード」や「マウス」、スマホでいうと「タッチパネル(タッチ操作)」にあたります。

2.出力装置

図の右側にあるもので、コンピューターが人間に向かって結果や画面を出力する部分です。ここを通して、人間が情報をコンピューターから得るわけです。入力装置とは逆になります。

PCでいうと「ディスプレイ」や「プリンター」、スマホでは「ディスプレイ」になります。

3.記憶装置

青色枠で囲った部分です。記憶装置は真ん中の「主記憶装置（メモリ）」と「補助記憶装置(HDD,SSD)」の2つがあります。簡単に人間の例でいうと、主記憶装置が短期記憶で、補助記憶装置は長期記憶になります！

この領域を使って、コンピューターは各種データを保存し、処理を行います。後に解説しますが「データ保存領域」と「プログラム保存領域」の2つに分けられます。

4.演算装置

上にあるCPU内の機能です。簡単にいうと掛け算とか足し算とか四則演算などを行います。ここがあるからこそ、コンピューターは動けているんですね！

この部分がどうやって作られているかの詳細は、加算器電子回路シミュレーターで解説しています！この動きが理解できれば、コンピューターって何をしてるのかが分かってきますよ！（難しいですが）

5.制御装置

ここもCPU内の機能です。この制御装置がその他の「入力装置」「出力装置」「記憶装置」「演算装置」に指令を出して、コントロールするわけです！コンピューターの総司令官みたいな部分で、中心的な位置にあるわけです！

コンピューターの動作(各要素の動き）をシミュレーターで確認してみよう！

それでは実際にシミュレーターでコンピューターの動きを見てみましょう！

　
ファイル内容:
入力数値:

コンピューターシミュレーターの要点解説

以下、↑シミュレーターの動きと要点を解説します。

コンピューターはプログラム領域から「命令」を1つずつとって動く

シミュレーターの動きのとおりですが、コンピューターは主記憶にある命令を1つずつ演算装置にもってきて、それに従って動作していくんです。この一連の命令をプログラムといいます。

つまり、コンピューターの動きはプログラム領域の中身のデータ次第で変わるんです！ここを変えれば、いくらでもコンピューターの動きを自由自在に操作できるわけです！だから、コンピューターは何でもできるように見えるわけなんですね！

↓制御装置に命令が読み込まれて動く

入力/出力/演算/制御含めて、主記憶を中心にデータやり取りされる

これもシミュレーターで確認できますね。

入力装置からのデータを置くのも主記憶、出力する前にデータが置かれるのも主記憶です。またCPUの演算に使うデータも、演算結果を置くのも全て主記憶です。いかに主記憶（メモリ）がコンピューターの中で重要な位置にあるかわかりますね！

操作/演算の中心はCPUですが、データのやり取りの中心は主記憶（メモリ）なんです！
↓各要素がやり取りするデータは主記憶に必ず入っている

主記憶は「プログラム領域」と「データ領域」に分けて使う

図から分かる通り、主記憶でも「プログラムを置いてある領域」と「プログラムを実行するときに使うデータを置く場所」の2種類があります。同じ主記憶でも全く役割が違うんです。

ただし、ハードウェア的には「プログラム領域」「データ領域」と明確に分かれてるわけではないです。あくまで、OSやソフトが区分けしてるだけなんです。

実際は補助記憶装置はもっと巨大であり、もっと遅い装置！

絵的に見ると、補助装置より主記憶のほうが大きく見えますが、、、実際は補助装置のほうが圧倒的に大きいです。また、今回は表現していませんが、補助記憶装置のほうが圧倒的に遅く、データを取得したり書き込んだりするのに時間がかかります。

だからこそ、重要で直近で頻繁に使うデータ（短期記憶）は主記憶に入れて、直近はあまり使わないけど長く保存したいデータ（長期記憶）は補助装置に入れるという使い分けがなされるんです！

まとめ：コンピューターは5つの要素が連携して高速に動作しています！

まとめです。↑のコンピューターシミュレーターで示したように、コンピューターは「入力装置」「出力装置」「記憶装置」「演算装置」「制御装置」が連携して動いています。

中心的なのは「制御装置」で、ここが指令して各要素を動かしています。そして、この制御を決めるのが主記憶に保存されている「プログラム」です。この「プログラムデータ」を書き換えることで、いくらでも自由にコンピューターを動かす事ができるんです！これがコンピューターが魔法のように動く理由です。

今回のシミュレーターでは分かりやすいように、ゆっくり動作させていますが、実際の演算は一瞬です！これだけのやり取りを0.000001秒とかそんなレベルです！（ただし補助装置が遅いのでもう少しかかりますが）

人間よりも圧倒的に「高速に」「間違いなく」動くというのが重要ですね！
　

[関連記事] コンピューター概論

1．コンピューターの動作の仕組み(構成要素)(本記事)

2．CPUのクロック数(周波数)とは

3．CPUとメモリ/ストレージの速さの違い

4．マルチタスク(タイムシェアリング方式)

5．ファイルアクセス時タスク切り替え