cs-13. プロセッサ，メモリ，文字コード，論理演算と足し算

cs-13. プロセッサ，メモリ，文 字コード，論理演算と足し算 （コンピューターサイエンス） URL: https://www.kkaneko.jp/cc/cs/index.html 金子邦彦 謝辞：この資料では「いらすとや」のイラストを使用しています 1

• https://www.kkaneko.jp/cc/cs/index.html

アウトライン • OS • プロセッサ • コンピュータの構成 • メモリとアドレス • メモリの仕組み • 文字コード • 論理積と論理和 • 論理演算と足し算 • ２の補数 2

コンピュータ 操作，活用 プログラミング 基礎の理解，仕組みの理解 3

• OS: 「基本ソフトウェア」などともいう．基本的な機能を 提供（プロセス管理，メモリ管理，タイマー，デバイスド ライバなど） • プロセッサ: コンピュータの頭脳にあたる部分 • メモリ: コンピュータの中で記憶を行う • 文字コード: 「A」や「0」や「!」や「あ」などの文字を， 数字に置き換えるルール • 論理演算：「ビット」に関する演算．AND, OR, NOT など． 足し算や掛け算の基礎． 4

13-1 OS 5

OS の特徴 • コンピュータを起動したときに，最初に実行 されるソフトウェア • Windows, Linux などさまざまな種類がある 6

OS の機能 • コンピュータの操作のときに使うもの ソフトの起動や終了．ファイルの操作． ソフトのインストール • OS に他のソフトが付属していることも (Web ブラウザなど） 7

OS の機能 • コンピュータでは，複数のソフトウエアが同時 に動くのは当たり前 • すべてのソフトウエアは，OSの配下にある 他のソフト 他のソフト 他のソフト OS 基本的な機能を提供 プロセス管理，メモリ管理， タイマー，デバイスドライバなど 8

13-2 プロセッサ 9

13-2 プロセッサ プロセッサは，コンピュータの中で， 計算，制御を担う コンピュータの頭脳とも呼ばれること も 10

プロセッサ（CPU）は，精密なデジタル 電子回路である インテル Core i7 プロセッサ 精密なデジタル電子回路 11

13-3 コンピュータの構成 12

コンピュータの入力と出力 人間や 他のコンピュータ 入力 出力 コンピュータ 13

ハードウエアとソフトウエア ソフトウエア アプリケーション オペレーティングシステム ハードウエア プロセッサ，メモリ その他，入力装置，出力装置など 14

コンピュータのハードウエア構成 プロセッサ 入 力 装 置 メモリ 出 力 装 置 補助記憶装置 15

プロセッサ 出 入 力 力 装 装 コンピュータの中で，計 置 置 算，制御を担う メモリ 補助記憶装置 16

データの記憶を行うチップ CPU データの書き込み，データの読 （プロセッサ） み出し機能がある 入 力 装 置 メモリ 出 力 装 置 補助記憶装置 17

13-4 メモリとアドレス 18

プロセッサ 入 力 装 置 プロセッサ，メモリ 出 間でデータが 力 装 やり取りされる メモリ 置 補助記憶装置 19

プロセッサ 入 アドレス 力 装 置 メモリ 出 データ 力 装 置 メモリからプロセッサへの読み出し 補助記憶装置 20

プロセッサ 入 アドレス 力 装 置 メモリ 出 データ 力 装 置 プロセッサからメモリへの書き込み 補助記憶装置 21

メモリとは • メモリは，データの記憶を行う • データを覚えさせたり（書き込み），取り 出したり（読み出し）の機能がある 22

デジタル • コンピュータでは，すべてのデータ，プログ ラムを，０，１（デジタル）で表現 23

情報とデータ 情報 人間にとって意味の ある意味内容そのもの あの人の電話番号は 「123-4567」だ 明日は晴れだ 気象情報，個人情報，にせ情報 情報活動，外交情報，情報機関 データ コンピュータの処理できるよう に，情報をコード化したもの 1234567 (数値データ） 晴れ(文字列データ） データ通信，データベース 電子メールのデータ WWWのデータ 24

デジタル • デジタルの世界では，すべてが，「０」，「１」 の列 • １個の「０」，「１」は，１ビット（ビットは情 報の単位） ００１０１１１０１００１０１００１０１００１０１０１００１ 25

２進数とビット • ２進数では，「０」，「１」 だけを使う 例） 0011010111101110101011 • ビット： ２進数の１桁のこと 例） 00110101 の下から４ビット目は ０ 26

メモリとアドレス • メモリはバイト（８ビット）単位に区切ら れている • 各バイトには０から始まる通し番号が付け られている。 アドレスという（番地ともいう） メモリ内のデータ ００１０１１１０１００１０１００１０１００１０１０１００１ ８ビット ８ビット ８ビット 27

メモリへの操作 • 読み出し 読み出したい データのアドレス データ メモリ • 書き込み 書き込みたい データのアドレス とデータそのもの メモリ 28

読み出し アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ アドレス４番地，５番地 から２バイト分 読み出すとき メモリの値は変化 しない メモリの各区画は１バイト （１６進数で２桁） 29

書き込み アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ アドレス６番地， ７番地に 「０４００」を 書き込むと メモリの各区画は１バイト （１６進数で２桁） ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ？？ ０ ４ ０ ０ ？？ 前の値は消える 30

13-5 メモリの仕組み 31

メモリの仕組み ア ド レ ス ア ド レ ス デ アドレス信号が コ 通る信号線 （アドレスバス） ー ダ アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス アドレス ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ デ ー タ データ信号が 通る信号線 （データバス） メモリ 32

アドレス４，５番地から，2バイト分読み出す ア ド レ ス 「 ４ 」 アドレス４，５ のメモリをオンに アドレスが 入る 必要なメモリを オンに （ 2 2 バ バ イ イ ト ト の 分 デ を ー 一 タ 括 読 み 出 し ） データが 出る 33

アドレス６，７番地に，2バイト分書き込む ア ド レ ス 「 ６ 」 アドレス６，７ のメモリをオンに アドレスが 入る 必要なメモリを オンに （ 2 2 バ バ イ イ ト ト の 分 デ を ー 一 タ 括 書 き 込 み ） データが 入る 34

13-6 文字コード 35

１６進数 • １６個の記号0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F を使 う 例） 0065FDF0 36

２進数と１６進数の対応 ０ ００００ １ ０００１ ２ ００１０ ３ ００１１ ４ ０１００ ５ ０１０１ ６ ０１１０ ７ ０１１１ ８ １０００ ９ １００１ A １０１０ B １０１１ C １１００ D １１０１ E １１１０ F １１１１ 37

２進数と１６進数の関係 • ２進数 ４桁は，１６進数の １桁 ００１１ ０１０１ １００１ １１００ ３ ５ ９ C １６桁の２進数は，４桁の１６進数 38

１０進数と１６進数の対応 ０ ０ １ １ ２ ２ ３ ３ ４ ４ ５ ５ ６ ６ ７ ７ ８ ８ ９ ９ A １０ B １１ C １２ D １３ E １４ F １５ 39

ASCIIコード表 「文字１文字」は， 数字（16進数2桁）にコード化 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ０ NULL DEL SP ０ ＠ P １ SOH DC1 ！ １ A Q a q ２ STX DC2 “ ２ B R b r ３ ETX DC3 ＃ ３ C S c s ４ EOT DC4 ＄ ４ D T d t ５ ENQ NAK ％ ５ E U e u ６ ACK SYN ＆ ６ F V f v ７ BEL ETB ’ ７ G W g w ８ （BS） CAN （ ８ H X h x ９ （HT) EM ） ９ I Y i y A （LF) SUB ＊ ： J Z j z B （VT) ESC ＋ ； K ［ k { C （FF) （FS) ， ＜ L ￥ l | D （CR) （GS) － ＝ M ］ m } E SO （RS) ． ＞ N ＾ n ~ F SI （US) ／ ？ O ＿ o DEL p 太字は特別用途

13-7 論理積と論理和 41

二進数は 0 または 1 右手が下がっている 右手が上がっている 二通り 42

二進数は 0 または 1 右手が下がっている ０ 右手が上がっている １ ※ 0 と 1 が逆になる場合もある 43

変数が２つ 右手と左手の 両方を考えると ４通り 44

変数が２つ ０と０ 1 と０ 0と1 1と1 45

論理積 ０と０ 0と1 1 と０ 1と1 論理積は 両方とも１ 46

論理和 ０と０ 0と1 1 と０ 1と1 論理和は 少なくとも 片方には １がある 47

論理和と「選択」は違う ・焼き芋大会があるんだけど、 ・土曜日と日曜日、どっちが良い？ 両方、申し込んでよ ♡ 日曜日 落選：０ 当選：１ 土曜日 落選：０ 当選：１ 両方参加しても OK! 土曜日と日曜日の選択では無 い 48

論理積と論理和のまとめ ０ １ ０ ０ ０ １ ０ １ 論理積 AND ０ １ ０ ０ １ １ １ １ 論理和 OR 49

複数のビットを一括して論理積、論理和を 求める場合があります x y ００１１ クイズ ０１０１ x と y の論理積は？ 論理和は？ 全部で４ビット 50

複数のビットを一括して論理積、論理和を 求める場合があります x ００１１ ００１１ y ０１０１ ０１０１ ０００１ ０１１１ 論理積 AND 論理和 OR 51

多数決 Aさん，Bさん，Cさんは 「0」か「1」に投票 A 0 1 0 1 0 1 0 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 多数決 0 0 0 1 0 1 1 1 52

多数決は，論理積（AND）と論理和（OR）の 組み合わせでできる A 0 1 0 1 0 1 0 1 A AND B 0 0 0 1 0 0 0 1 ① B AND C 0 0 0 0 0 0 1 1 ② B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 C AND A 0 0 0 0 0 1 0 1 ③ ① OR ② 0 0 0 1 0 0 1 1 ④ 多数決 0 0 0 1 0 1 1 1 ③ OR ④ 0 0 0 1 0 1 1 1 53

13-8 論理演算と足し算 54

論理積と論理和 ０ １ ０ ０ ０ １ ０ １ 論理積 AND ０ １ ０ ０ １ １ １ １ 論理和 OR 55

否定（NOT) NOT(0) = 1 NOT(1) = 0 否定 NOT 56

足し算 0 + 0 = 00 0 + 1 = 01 1 + 0 = 01 1 + 1 = 10 ２つのビットから ２ビットができる 57

足し算 0 + 上位ビット 下位ビット 0 = 00 0 + 1 = 01 1 + 0 = 01 1 + 1 = 10 ０ ０ ０ １ ０ １ ０ １ 上位ビット x AND y 足し算は AND, OR, NOT の組み合わせで可能 ０ １ ０ ０ １ １ １ ０ 下位ビット AND((x OR y), NOT(x AND y)) 58

13-9２の補数 59

２の補数 • ２の補数は，負の整数も扱いたいときに便利 • ２の補数では，最上位ビットが符号ビット ０ → 正の整数または０ １ → 負の整数 ８ビットの整数データの場合 10進数の２ 0 0 0 0 0 0 1 0 10進数の１ 0 0 0 0 0 0 0 1 10進数の０ 0 0 0 0 0 0 0 0 10進数の－１ 1 1 1 1 1 1 1 1 10進数の－２ 1 1 1 1 1 1 1 0 60

－４５ と ４５ を足すと ０ ８ビットの２の補数 45 0 0 1 0 1 1 0 1 -45 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 45 + (-45) 0 ２の補数では， マイナスの数は 最上位ビットが１ １繰り上がる 61

パソコン演習 ① ウェブブラウザを起動する ② python tutor を使いたいので，次の URL を開く http://www.pythontutor.com/ ※ Internet Explorer でうまく動かない場合があります → うまく動かないときは Google Chrome を試してください ※ 日本語モードはないので，英語で使う 62

• http://www.pythontutor.com/

① 次のように書く print( format( -2 & 0xff, 'b' ) ) print( format( -1 & 0xff, 'b' ) ) print( format( 0 & 0xff, 'b' ) ) print( format( 1 & 0xff, 'b' ) ) print( format( 2 & 0xff, 'b' ) ) print( format( 3 & 0xff, 'b' ) ) 63

②「Visualize Execution」をクリック 64

③「Last」ボタンをクリック 65

④ 結果を確認 -2 -1 0 1 2 3 10進数 66