人で無しのための計算機理論入門 その１０ プログラムの基礎 その４ 地味だけ ど大事な論理式

さて、とうとう１０回目になったこの「 人で無しのための計算機理論入門」。一応、情報機器を使用したり、それ以上にプログラムさえ書いたりして使いこなしたりする上で、基本的な事項をきちんと押さえておくことがいかに大事かということをお伝えできたと思います。ほら、基本理論て意外に大切でしょう？ということです。

　

これ以上のことを説明し出すと、非常に専門的になりすぎて、普通の人が知っておけば便利だな、という内容から少し遠ざかってしまうことになりそうですので、一旦ここで、この「計算機理論入門」は区切りをつけさせていただきたいと思います。これまで読んでいただき本当にありがとうございました。

　

さて、その記念すべき最終回は、やはり地味に基本を押さえていきたいと思います。

　

以前、二進数とブール代数（論理式）について、「P=NP?問題の覚え書き」というブログの「 充足問題について　その前に」という記事で、割合詳しく述べさせていただきました。
　

ここでは、分岐に欠かせない、論理式について、もう一度復習をしておきたいと思います。
　

ところで、「その７」でCPUは、

　０（ゼロ）フラグ：計算の結果が0の時に１、そうでないときは０
　マイナスフラグ：　計算の結果が負の時に１、そうでないときは０

　
というフラグを立てる、というお話をしました。

　
こういう風にフラグというもので計算結果を出したあと分岐をするということは何となくおわかりでしょうが、複数の条件が重なった場合の分岐はどうするか、ここで、論理式というものが必要になります。

　
たとえば、「もし、毎年４月はじめの日曜日　晴れだったら花見実行のメールをメンバーに出す　だけど　雨が降ったら中止」というプログラムを書きたいとします。
　

いくつかの表し方があるとは思いますが、たとえば、

　
　・Dを日付型の変数と定義
　・Dに今日の日付を記憶
　・Dが
　　　４月であるか？
　　　　かつ
　　　最初の日曜であるか？
　　をそれぞれ調べるサブルーチンを呼び出し、
　　条件を満たせば、次へ進む。
　　そうでなければ終了
　・天気は晴れ？　＝＞花見メール
　　天気は雨？　　＝＞中止メール
　
というように要素を分解して表せば計算機のプログラム的になるのは分かりますよね。（その他の天候の時は空気を読めということです。空気読むのは日本人として大事ですよ、ほんとうに。それができないから（ｒｙ）
　

ところで、上の例で条件による分岐のところで”かつ”という言葉が出てきました。少し抽象して
　

　条件Aを満たす
　かつ　　
　条件Ｂを満たす

　
というのは条件Aと条件Ｂが両方満たされて初めて次に進めるわけですから、ある条件を満たしたとき立つフラグを1それ以外を０とすれば、

　
　条件Ａのフラグ　　　　　０　　１　　０　　１
　条件Ｂのフラグ　　　　　０　　０　　１　　１
　ＡかつＢをみたす？　　　０　　０　　０　　１　

　
となり、かけ算したときの計算の結果と同じです。これを論理積と言い、その筋の学問の記号では∧と表します（集合の積集合の記号∩に似ていますが、０か１の２値しかないので、どちらかに決まるということで尖っていると思ってください）。

　
また、同様に「または」、というのもありますが、表にすると

　
　条件Ａのフラグ　　　　　０　　１　　０　　１
　条件Ｂのフラグ　　　　　０　　０　　１　　１
　ＡまたはＢをみたす？　　０　　１　　１　　１

　
となり、かけ算したとき計算の結果と同じです。これを論理積と言い、その筋の学問の記号では∨と表します（∧と同様に集合の和集合の記号∪に似ていますが、はやり、論理式では０か１の２値しかないので、どちらかに決まるということで尖っているわけです）。

　
他に、もちろん、否定（記号：￢）と言うものもありますが、これは

　
　条件Ａのフラグ　　　　　０　　１
　条件Ａの否定　　　　　　１　　０

　
と、わかりやすいです。

　
こういう数式を扱う学問にブール代数というのがあるのですが、言語の中には０をFalse、1をTureと表現する、ブーリアン型というのがあります。これはブール代数からきているわけですね。

　
だから、プログラム言語によっては、分岐の条件の部分で０以外の値にすればとすれば常に真と判断するという言語もありまして、慣れないととわかりにくいバグになりますから、気をつけてくださいね。
　

以上です。
　
最後まで地味なこの講座にお付き合いいただきまして本当にありがとうございました。まだ、葉桜の咲くこの時期にこうして一つ書き物を終了させることができたことを本当にうれしく存じます。

　
つたない講座でしたが、何とか終わらせることができましたのはみなさまのご声援と叱咤激励の賜であり、繰り返しになりますが、心より感謝の意を表させて頂きます。
　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　平成２６年４月吉日

人で無しのための計算機理論入門 その９ プログラムの基礎 その３ 使い回して効率を上げよう

がんばるためにがんばる、そんな訳の分からない状況で、貧乏なのに国のためにボランティアをやっている、なんだか訳の分からない私。しかし、「世界市民のみなさん。アメリカがあなたのためになにをしてくれるかではなく、人類の自由のために共になにができるかを考えようではありませんか」とは故ケネディ大統領の有名な演説にもある通り。少なくても今までこの国でも人権さえも無視されてきても、ホモサピエンスには違いありませんので、気持ちだけでも人類の自由のために微力を尽くそうという次第。

　

※　ところで、一つ訂正があります。「その３」にて、C/C++、Javaなどの高級言語のことを関数型と申し上げていましたが、オブジェクト指向型と申し上げるべきでした。お詫びして訂正いたします。ブログの方の記事においては訂正済みです。

　

さて、今回はサブルーチンについてお話しします。

ある程度プログラムが書けるようになって、いろいろなプログラムを書いているうちに、あれ、これってどこかで同じプログラムを書いたな、とか、この部分は他でも何回も使うんだけど、いちいち同じことを書いたりするの面倒だな、という気になってきますよね。

そういうときに、その部分だけを独立させて使い回すことをサブルーチン化すると言います。考え方としては、木の幹、いわば幹線的な処理を行う部分をメインルーチン、そこから呼び出されて様々な専門的に特化した仕事を繰り返し行うところをサブルーチンといいます。

以前、「その７」で説明した、フローチャートの記号は以下のようになります。

現在主流のオブジェクト指向型言語では、サブルーチンの処理をクラス(class)として、独立させることが主流です。

　

どのように独立させるかというと、

　

　１．サブルーチンの中で使用する変数とその中で行う処理を
　　　他から影響されない一つの独立した組にする。
　　（カプセル化）

　２．似たようなサブルーチンは、同じクラスの中で、
　　　異なるメソッド(method)と記述し、呼び出すときは、
　　　[クラス名].[メソッド名]のようにして呼び出す

　

といった感じでしょうか。ちなみに、クラスの中の変数にも、

　

　　　[クラス名].[変数名]

　

という感じで呼び出せるものもあります。（呼び出せないものもあります。これについては後述します）

　

このような、

　

　[クラス名].[メソッド名]や、
　[クラス名].[変数名]

　

で呼び出せるものを、メンバ(member)と呼びます。３年Ｂ組の誰々さんを呼び出すのとちょっと似ていますよね。

　

一般にクラスの中だけで使う変数や、サブルーチンなどは、プライベート(private)と分類され、クラス外側から見えないようにします。クラスの外側から見えてもいいものをパブリック(public)に分類します。

　

このあたりのことは、言語の仕様にも依る部分があるので、詳しくはその言語の使用をよくご確認下さい。

ただ、プロセスが分かっていると、クラスに関しても何となくよく分かりますよね。

　

さて、このように、誰にだって、（コンピュータのプログラムにだって！）プライベートはあるんです。私にはありませんけど……。

人で無しのための計算機理論入門 その８ プログラムの基礎 その２ 変数とメモリの関係

もう書かなくて良いのかと思っていたら、なんだか書かないといけないような雰囲気。四月バカであるように祈りたいです（この部分は４月１日に書いています）。しかし体調はいまいちなんだけどねえ。また使いつぶされてる為の陰謀じゃないのか、と半分本気で疑っている現在。みなさまどうお過ごしでしょうか。

（※４月３日注記　などと書いていたら４月２日のニュースで、オバマ大統領の訪日決定しそうだとあり、かなりビクビクているところ。私なりに大急ぎで仕上げたのは言うまでもありません）

さて、分岐ができればループができるということは前回の図でもおわかりいただけるのではないかと思います。

となると、他にいくつかの予備知識が有れば、もう、プログラムも書けるんじゃないかな、と思うでしょう。かけると思うけど、世の中そんなに甘くはないけど、結構甘い。どっちなんだ。

あと二つ、いや、三つかな、お話しすれば、関数型と言われる言語であれば、そこそこなプログラムは書けるになると思います。多少、経験は必要でしょうが。

まず、前回のフローチャートで、変数を使っていますが、意味的にはおわかりいただけたでしょうか。
　
たとえば、

　 i=i+1

などというのは、計算機プログラム上よく出てくる表現ですが、これは、もともと、計算機のメモリのある番地の内容を変数iとして使用しますよ、ということから出てくる、一般的な数学では見かけない表現で、要するに変数iとして割り当てられたメモリの内容を1増やしなさいということを計算機に指示する表現です。

　この命令は、計算機内部では、メモリの内容をCPUのレジスタに読んでそのレジスタの内容を一増やして、もとのメモリの番地に書き込むという作業が行われるわけですが、それ以前の重要な問題がありますよね。

すなわちまず、ある変数をメモリに割り当てる、という命令がたいていのコンピュータ言語では必要となります。（Rubyという言語では勝手にそのあたりの空気を読んでこっそりとやってくれたり、それ以外の言語でも、統合開発環境と呼ばれるプログラム作成用のアプリケーションソフトを使えば、プログラムの作成中に指摘してくれたりもするようですが）たとえば、C/C++と言われる言語であれば、

　int i;

と、変数を宣言します。これは、C/C++言語では「変数iを整数型の変数として宣言します」と言う意味ですが、実際のプログラムの実行上はメモリのある番地に整数の変数iの内容を記憶する領域を確保して下さいね、と言う意味です。（なんだかちょっとプロセスというのが分かってきたでしょう？）

つまり、プロセスというのは、プログラムが実際CPUで実行される形式（これを機械語、あるいはマシン語とも言います）で表現されたプログラムと、このような変数の為のメモリの領域が確保されたものということです。

さて、プロセスが分かっていただいたところで、この節での大きな一つの目的は果たしたわけですが、せっかくだからもう少しプログラムを書く上で重要なことを説明しておきましょう。ここからは少しややこしくなりますので、分からなくてもかまいません。しかし、知っていると、後々プログラムを書く技法上でのいろいろな悩ましいことがらでスマートに解決できる、という点で違ってきますので、一応説明します。

上記の例で、変数iをメモリのある番地の内容とすることにしました。ところで、その変数iの内容がどの番地にあるかということをどこかに記憶しておかなければ、高級言語から機械語に翻訳するときなどで困ります。

C/C++言語などで言われる、いわゆるポインタというものです。

たとえば、変数iの内容を変数jと同じ内容にしますということを行うときに、我々は変数iが変数jと同じになればいいんだから、たとえば、

　i=j

と表現すればそれで良いと考えますが、しかし、よくよく考えるとコンピュータでは、実は基本的には二種類のやり方があって、
　
1．変数iと変数jの内容を記憶するメモリの領域を
　 別々に二つ確保して、変数iの内容を変数jと同じにする

2．変数jの内容を記憶するメモリの領域を一つだけ確保し、
　　変数iは、変数jの番地と同じ番地を参照するようにする

という、非常に微妙な話があります。

1．を「値渡し」あるいは「内容渡し」、2．を「参照渡し」もしくは「ポインタ渡し」と言います。

一般的なコンピューターの高級言語は、変数と変数において「値渡し」であり、「参照渡し」は特別な指示をしないとできなかったり、そもそもサポートしていなかったりしますが、次回説明する予定のサブルーチンに値を渡すときに、言語によって元々の設定が「値渡し」か「内容渡し」かが異なりますから注意しておかないといけません。

「値渡し」であれば、たとえば、上の例では、
 
　i=j

としたあとは、それぞれ独立した変数になりますが、「参照渡し」であるときには、iの内容だけを変更しようとしてjの内容まで変更する、ということが発生しますからね。

このあたりは本当にややこしくて、注意していないとバグ（コンピュータプログラムが考えているとおりに動かないときのミスをバグが紛れ込んでるという言い方をします）としても発見できにくいバグになりやすいので、「値渡し」か「参照渡し」かは、少しプログラムが書けるようになってきたら、で良いですので、いつも気をつけておいて下さいね
　

人で無しのための計算機理論入門 その７ プログラムの基礎 その１

 勝手ながら、国際情勢に気を使いながらのこの記事の作成ですが、明日から春休みということもあり、にこにこしながら大きな荷物を抱えて戻ってきている子供たちも見るという状況。というわけで、核安全保障サミットもある一方、糊口を凌ぐためのお仕事にも精を出さないといけない状況になっていまして、昨日に続き一本記事を上げたいと思っています。

この記事からしばらくプログラムについての基本的なお話をしたいと思います。例によってハードウエアに一番近い部分から、プロセスという概念がどうして必要になったかというところまでお話ししていく予定です。

まず、プログラムをするのに必要な最小限度の要素を考えてみることにしましょう。

実は処理の流れを図式化したものに、フローチャート（流れ図）と呼ばれるもので、日本工業規格（JIS規格）でもきちんと定義されていたりもします（JISX0121)。これは、たとえば、ISO( 国際標準化機構 )の品質マネージメント規格にISO9000シリーズというのがありますが、そこでそろえる書類の手順書などにも用いられたりして、汎用性が高いので覚えておいても損はないと思います。

ここでは、あまり細かいことまでは言わず、まずはごく基本的な次の５つだけ説明しておきましょう。

以上の五つとなります。これに時には矢印を加えて、処理の流れを表わすのですが、だいたい、上から下へ処理の順序を書いていくのがふつうです。

ここで、「その２」のCPUに必要な機能で説明していなかった分岐というものが出てきました。この部分について説明して、今回の記事は終わりたいと思います。

CPU何らかの計算をすると、計算の結果に応じてフラグというものを立てます。ゲームなんかをやっている人は、あるイベントをクリアするとフラグが立って次のステージに進める、などと使ったりしてませんか。あのフラグと同様です。

ただし、CPUが計算の結果立てるフラグは基本的には次の二通り。

０（ゼロ）フラグ：計算の結果が0の時に１、そうでないときは０
マイナスフラグ：　計算の結果が負の時に１、そうでないときは０

この他に、割り込みの信号が検出されたときに１となる、割り込みフラグというものもあります。

CPUはこのフラグの状態をみて分岐をします。

たとえば、ある二つの変数の内容が等しいかどうかが必要なときは、引き算をしてゼロフラグが０か１かという結果を見て分岐の処理します。

また、同様に大きい、小さいの比較は引き算をした結果、マイナスフラグが立っている(=1）か立っていないか(=0）ということで分岐を判断します。

このように、ごく単純なことに、我々の作業は分解されて計算機では処理されていくことを少しご理解いただいておくと、計算機に対する見方もまた違ったものになるのではないでしょうか。

人で無しのための計算機理論入門 その６ 基本ソフトの基本機能（OSのカーネルについて）

まだまだ寒かったり暑かったりですが、本日はよく晴れて春麗ら。連休最終日に好天に恵まれたか人出も多く、宛にしていた図書館の駐車場も満杯といった様子。どうしたものかと途方に暮れて喫茶店に入ったところです。

さて、今日は何をやるかというともちろんピクニックではありません。日本語では基本ソフトともいわれるオペレーションシステム（以下OS）の基本機能について簡単に触れたいと思います。この部分は縁の下の力持ちの部分ですので、あまり普段は意識して使っていないかもしれませんが、理解しておいても損はありません。

まず、OSの大まかな役割としては、前回の仮想メモリのお話でも分かるようにハードウエアの差異を吸収する、言い換えれば、ハードウエアを抽象化するという働きがまずあります。

それは、CPUから見たときのメモリばかりでなく、人間からみた場合もそうでした。細かいハードウエアの差異を吸収し、ほぼ同じような操作性を提供しています。

このほかに、CPUの処理能力やメモリを効率的に利用できるようにする、計算資源（一般にはリソースと呼ばれる場合も多い）の最適化ほか、入出力装置（IO)に関しての管理（パソコンに新しい機器を繋ぐとデバイスドライバをインストールしています、などと表示されますよね）などなど、さまざまな機能を持っています。

世の中に出回っているOSには、たくさんの種類があり色々なやり方で構成されていますが、どのOSにも共通している基本的な機能、言い換えれば、計算機のハードウエアに一番近い処理を管理するをプログラム群のことをカーネル（Kernel)と言い、基本的に次の４つの機能に分けることができます。

１．プロセスの管理

　プロセスというのは、計算機が処理を行う上で基本単位となりうるプログラムとデータのセットだと考えて下さい。

ほかに、計算機の処理における仕事の単位としてタスクというのがありますが、これは、人間からみた場合の計算機にやらせたい仕事の単位です。

以前にも少しお話ししましたが、CPUさんは単純なものすごく細かい処理を、１秒間に１０億回といった単位で処理しています。一方、人間の入出力の単位はせいぜいマイクロ秒、ミリ秒単位でしょう。そのため、人間には気づかれないように、自分がやりやすいように処理を分割して、人間からは並列に見えるような程度に処理の時間を区切りつつ多数の処理をちょっとずつ行っていたりします。

したがって、人間が計算機に何かやってとお願いしているときとの仕事の単位と、実際に計算機が処理を行っているときに管理する仕事の単位とは全く別のものになります。

たとえば、スマートフォンのアプリ。これは、人間からみたら、一つのプログラムに見えますよね。でも実際にたくさんの機能があって、それぞれの機能も計算機側からみたらいくつもの種類に分けることが可能です。

このように、スマートフォンのアプリのように人間が計算機にやらせようと考える仕事の単位をタスク、計算機側からみた仕事の単位をプロセスといいます。

このプロセスの管理や、計算機資源の効率的な仕様、並列処理などのお話はまた稿を改めて詳しくお話しするつもりです。

２．メモリ管理

　メモリとCPUは計算機にはなくてはならないもの。このメモリの抽象化については、仮想メモリについて述べましたが、このほかに、メモリを管理する上で、別のプログラムが同じメモリ領域にアクセスしないようにするメモリの保護などというものもあります。

３．デバイス管理

　OSのカーネルはデバイスドライバという形で、計算機の付属する各入出力装置や、外部記憶装置、あるいはネットワーク機器など一般にデバイス（IT業界におけるデバイスの意味は広いので使い方が難しいですが、OSのカーネルについて触れる時は、CPUとメモリ以外の様々なIO装置群）を

動かすプログラムを保持、その動作を管理しています。

たとえば、ディスプレイやキーボードなどの基本的な入出力装置以外に、プリンタに出力を送りプリントが終わればユーザに知らせたりもします。このほかに、ネットワークやファイル・ディレクトリの管理など、 カーネルはそのようなIOの管理機能の基本的な部分を提供しています。

４．システムコール

　以上のようなカーネルの機能はもちろんプログラムで書かれています。しかし、カーネルはハードウエアと密接に関わる部分であるため、簡単にカーネルの処理にアクセスするようなプログラムを作ってそれに触れるようなことがあればコンピュータは正常に動かなくなってしまいます。そこで、一般には、通常、カーネルはOSもしくはCPUが提供する特権モードで動作し、特別な許可を持つユーザしか触れることしかできません。しかし、一方で、一般のユーザもハードウエアに近い部分できめ細かい作業を行いたい場合もあります。そのような場合に、安全にカーネルの機能を提供する為の機能がシステムコールです。

例として、Windows系のOSでは、Windows APIと言われるものがあり、Ｃ言語やVisual BASICのようなプログラム言語から関数して呼び出すことができるような形で提供されています。

今回は、少しややこしかったですね。私もだいぶ忘れているところも多くありましたので、今回は、ウキペディアの記事のいくつかを参考書として勉強させていただきました。機能の分類は比較的一般的になものであり、ほかに引用などそのまま使用した部分はありませんが、念のために記載しておきます。

ウキペディアでの参考記事
・カーネル　　　： http://ja.m.wikipedia.org/wiki/カーネル
・OS　　　　　　： http://ja.m.wikipedia.org/wiki/オペレーティングシステム
・システムコール　http://ja.m.wikipedia.org/wiki/システムコール

人で無しのための計算機理論入門 その５ 仮想メモリ

なんだか国際問題にまで関わってきているような気がするこの人で無しのための計算機理論入門。きっと気のせいだということで、話を続けたいと思います。

今回は今では当たり前になったOSの重要な機能の一つ、仮想メモリについてお話ししたいと思います。

以前「その２」で、内部メモリと外部メモリの違いは価格だけだということをはなしました。一方、「その３」では、OSが無い段階のプログラムでは、内部メモリの大きさにプログラムが依存する場合があるということをお話ししています。そのようなハードウエアの差異をなくすのがOSであるということでしたね。

そのことについて今回は少々詳しく説明します。今回、比較的高度に専門的な内容ですので、理解できなくてもかまいません。このあたりのことを知らないIT業界の人なんかいっぱいいます。また、その分説明も詳しくなるため、文章も長いです。

では、まずCPUがどうやってメモリにアクセスするのかということについてお話ししたいと思います。

その２で、CPUとメモリはバスというもので結びついていて、バスにはアドレスバスとデータバスがあるということをお話ししました。

このバスは、基本的には電気信号を通す線、つまり電線ですが、機能が高度になり、高速化の要求に従っていろ色々なことがやられるようになっています、が、ここではそこまで詳しい内容にはふれません。

前回（その４）CPUとメモリの両方に関することとしてビット（bit）という単位が関係するという話をしました。そこでは、ビットとはCPUとメモリが一度に処理できる二進数の桁数であり、CPUがメモリにアクセスするとき指定するメモリの番地を表すときの桁数でもあるという話をしたと思います。

つまり、CPUがメモリとデータをやりとりするときに使われる信号線がデータバス、メモリの何番地のデータであるかを指定するのがアドレスバスというわけです。

遅まきながら、計算機が２進数を使用する理由は、それが、電線に流れる信号が、ONとOFFだけで表せられるからです。このあたりのことは、いずれ機会があればデジタル信号処理ということでお話しできるかもしれませんが、今回はごくイメージ的に。たとえば、モールス信号のように、とんつーとんつーと信号のあるなし、あるいは信号の長い短いで通信していた頃を思い出して下さい。その方が、明らかに明瞭に遠くまで信号を伝えることができますよね。計算機の世界では、同様に簡単なことをいかに速く動作させるか、処理させるかというようなことが基本的な考え方です。

さて、話しは、CPUとメモリの話に戻ります。内部メモリは動作が速いけれど高価で、外部メモリは遅いけれど安価というお話をしました。だいたい、現代のパソコンやスマホで使われる内部メモリは一般にDRAMと呼ばれる半導体のメモリですが、動作は数nsから数十nsで動作するのに比べて、HDDドライブなどの外部メモリはそれよりも数百倍ぐらい遅かったりします。ビットあたりの価格も逆方向に同じぐらい違いますけどね。

ところで、「その４」で説明しましたが、３２ビットでアクセスできるメモリアドレスの範囲は４Ｇ(ギガ）、６４ビットだと１６E（エクサ）でした。これに対して、現在の高機能スマホでもメモリは２Ｇが一般的。パソコンのCPUは６４ビットが普通ですが、せいぜい８Ｇから１６Ｇぐらいが一般的ではないでしょうか。つまり、CPUが指定できるメモリアドレスの範囲より、遙かに小さいことがわかります。

CPUは、基本的にメモリにアクセスする場合、単にアドレスを指定してその番地の内容を読み書きするだけ、です。一方、OSさんは、たくさんのプログラムが時分割で同時に走らせていることで、計算機では、あたかも並列に色々な処理ができるように見せかけています（これも、マルチタスクと呼ばれるOSの重要な機能です）あるいは、一つのプログラムでも、CPUがメモリアクセスできる番地いっぱいのデータを処理する場合もあります。

そのような場合、OSさんは、こっそりと、CPUさんをだまします。つまり、外部メモリにあるような、プログラムやデータもあたかも内部メモリにあるように見せかけて、CPUが指定する本来内部メモリにはないアドレスも、あるように見せかけてCPUに処理をさせるのです。このようなOSの働きによって、CPU側から見ると、あたかも広大なメモリ空間に何も考えずにアクセスできているようにみえる。そういうOSの機能のことを仮想メモリ、と呼びます。

ただし、CPUはハードウエア的には内部メモリにしかアクセスできないため、OSさんは、一生懸命できるだけCPUさんが早く処理をできるように色々予測しながら、内部メモリの内容が外部メモリの内容とあまり頻繁に入れ替えをしなくて済むように考えて処理をしています。このように仮想メモリという考え方によって、現代のCPUは内部メモリの大きさに関わらず、様々な処理を行えます。

ただし、処理の内容が大きく、一方それに比べて、相対的な内部メモリの大きさが小さいような場合、内部メモリと外部メモリとの間の内容の入れ替えをOSは頻繁にしないといけなくなります。これが、古いパソコンで、なにかあるとHDDがカリカリ動き出す理由です。

したがって、パソコンやスマホ、タブレットPCを長く使いたいならば、CPUの性能はもちろん、内部メモリ（一般にDRAMあるいはRAMとよばれる半導体メモリ）の大きさも重要です。個人的には、新しくパソコンを買うとしたら、一番高いCPUより、二番目に高いCPUを選択し、その分、メモリにお金を使う方が、長く使うことができると思います。私なんか、パソコンは８年前に買ったものですが、メモリは奮発して２Ｇ載せていました。さすがにそろそろ限界に近いですが、まだそれなりにではありますが、Windows8.1走ってますよ。

人で無しのための計算機理論入門 その４ 計算機に関するいろんな単位

さて眠れない夜、簡単に計算機で使われている単位のお話でもすることにしましょう。ここからは、若干ですが、専門的になっていきますので、わからなければそれはそれで良いと思って下さい。

まずCPU。

CPUは、電子回路で構成されています。従って電源が必要です。もう一つ、クロックと呼ばれるものがどうしても必要になります。これは、行進の時にかける号令のようなもので、電気ですので、イチ、ニ、のかわりに、on、off、オン、オフを繰り返します。このイチ、ニ、のかわりのオンとオフ（あるいは、オフとオン）の一セットを１クロックと呼び１クロックこれがCPUが命令を基準となる単位です。クロック数はＨｚ（ヘルツ）で表し、大きい方が1秒間に実行できる命令の数が多いことになります。クロックが１ＧＨｚだと１秒間に最大１０億回の処理が理論上できるということになります。

もっとも、１クロックに１命令処理できるとは限らず、数クロック掛かる命令もありますし、CPU設計の考え方の違いも有るので、あくまでも処理の速さとしてはの目安です。

他に、ビットと言うのもありますが、これはメモリとも関係しますので、少し後回しにします。

次にメモり。これは、少々やっかいです。というのはメモリの記憶容量を表すのに、ビット(bit)という単位とバイト(byte)という単位の２種類を使います。さらに、２の１０乗が１０２４で、１０００に近いこともあって、キロ(K)、メガ(M)、テラ(Ｔ）などの表現も１０進数か２進数かで微妙に違います。

そういうややこしいことは後回しにして、とりあえずは基本的な事項。ビットというのはCPUやメモリが一度に処理できる２進数の桁数です。これが大きいほど、CPUとメモリで一度にやりとりできる情報の桁数も増えます。また、当然CPUが処理できる２進数の桁も増えます。そうすると、一度に処理する情報の量も当然増えますから、処理も速くなる傾向があります。

また、CPUが指定するメモリの番地もの大きさも広がります。一般に３２ビットのCPUだと理論的に最大４ギガですが、６４ビットであれば１６エクサ（＝１００京）と無限に近いような大きさの数字です。

一方、メモリの容量バイト(byte、一般に大文字のＢで表すことも多い）というのが使われますが、これは、これは、慣習的なもので１バイトは８ビットのことです。

細かいことを言い出すとこの辺も本当にややこしくなるので、基礎的な事項のみ説明しました。