コンピュータの5大装置とマザーボード

たとえばネット証券で株式を売買すれば、証券会社はあなたの氏名や残高、注文の履歴をデータベースで管理します。その情報が第三者に盗み見られたり、書き換えられたりしては困ります。だからこそセキュリティが要る——というように、それぞれの分野はばらばらに存在しているのではなく、1本の流れでつながっています。

そして、ソフトウェアに書かれた命令に従って実際に処理を動かしているのは、コンピュータの機械の部分、つまりハードウェアです。ハードウェアとは、コンピュータを構成している電子回路や周辺機器などの物理的な実体、いい換えれば機械そのものを指します。

② コンピュータを5つの役割に分ける

コンピュータは一見すると複雑な機械ですが、やっていることは驚くほど画一的です。指示を受け取り（入力）、その指示に従って計算し（演算）、途中経過と結果を覚えておき（記憶）、全体の手順を指揮し（制御）、結果を人間に見せる（出力）。この5つの役割に対応する装置を5大装置といいます。

このうち演算装置と制御装置をひとまとめにした部品がCPU（Central Processing Unit：中央演算処理装置）です。つまり「5大装置」といっても部品が5つ転がっているわけではなく、CPUが2つの役割を兼ねている、という点に注意してください。試験では「CPUは演算機能と制御機能をもつ」という形で問われます。

③ 記憶装置は2階建てになっている

記憶装置はさらに主記憶装置と補助記憶装置に分かれます。

• 主記憶装置（メインメモリ）……CPUが直接読み書きできる記憶装置。処理中のプログラムやデータを一時的に置いておく作業机にあたります。
• 補助記憶装置……CPUが直接読み書きすることはできず、いったん主記憶装置に読み込んでから使う記憶装置。電源を切っても内容が消えないので、長期保存を担当します。書類をしまう棚にあたります。

作業机（主記憶）は手が届きやすい代わりに狭く、棚（補助記憶）は広い代わりに取りに行く手間がかかる、と考えるとイメージしやすいでしょう。この「速いが小さい／遅いが大きい」という関係は、のちに学ぶ記憶装置の階層の話にそのままつながっていきます。

④ 本体と周辺装置

5大装置のうち、CPUと主記憶装置は本体に収められ、入力装置・出力装置・補助記憶装置は周辺装置として本体につながる、という分け方もよく使われます。周辺装置を本体につなぐときの約束事が、この節の最後に出てくるインタフェースです。

5つとも主記憶装置が片方の端になっていることに気づいたでしょうか。主記憶装置はコンピュータの中の中継地点であり、ここを経由しない移動はありません。「補助記憶装置から直接CPUへ」も「入力装置から直接出力装置へ」も起こりません。

② データの流れと制御の流れ

5大装置の関係図では、2種類の矢印が使い分けられます。

• データの流れ……実際の数値や文字が移動する経路。実線の矢印で描かれます。上の①〜⑤がこれにあたります。
• 制御の流れ……「読み込め」「計算せよ」「表示せよ」という指示が飛ぶ経路。点線の矢印で描かれ、すべて制御装置から各装置へ向かって出ていきます。

制御装置は自分でデータを加工しません。あくまで指揮者であって、演奏はしないわけです。逆に演算装置は計算しかせず、いつ計算を始めるかは自分では決めません。この役割分担が、CPUを「制御機能」と「演算機能」の2つに分けて説明する理由です。

③ プログラム内蔵方式という前提

いまの説明はすべて、プログラムもデータと同じように主記憶装置に置かれていることを前提にしています。この考え方をプログラム内蔵方式（プログラム記憶方式、ノイマン型）といいます。数学者フォン・ノイマンが提唱したとされる方式で、現在のコンピュータはほぼこの型です。

プログラム内蔵方式の利点は、プログラムを入れ替えるだけで同じ機械にまったく別の仕事をさせられることです。表計算ソフトを終了してブラウザを起動すれば、同じハードウェアが別の道具に変わります。配線を組み替えないと仕事を変えられなかった初期の計算機と比べると、この柔軟さは決定的でした。

一方で、命令もデータも同じ主記憶装置に取りに行くため、CPUと主記憶装置を結ぶ経路が渋滞しやすいという弱点も抱えています。CPUがどれだけ速くなっても、主記憶装置からのデータ待ちで手が空いてしまうのです。この渋滞をどう解消するかが、のちに学ぶキャッシュメモリやメモリインタリーブの出発点になります。

④ バス——装置どうしを結ぶ通り道

装置と装置の間でデータや信号をやり取りする共通の伝送路をバスといいます。乗り合いバスのように、複数の装置が1本の路線を共有するイメージです。

バスが一度に運べるビット数をバス幅といい、幅が広いほど一度に多くのデータを運べます。また、バスが1秒間に何回動作するかを外部クロック周波数といいます。CPUがいくら速くてもバスが細ければ全体は速くならない、という点は、システムの性能評価でいうボトルネックの考え方そのものです。

メモリモジュールは拡張メモリ、増設メモリともよばれます。パソコンの動作が重いときに「メモリを増設する」というのは、このメモリモジュールをメモリソケットに追加で差すことを指しています。

なお、同一規格のメモリを2枚1組で差して高速化する技術をデュアルチャネルといいます。マザーボード上のメモリソケットには「2枚1組」となる組み合わせが決まっていて、正しい組で差さないとデュアルチャネルは働きません。色分けされたソケットが並んでいるのはこのためです。

③ 拡張という考え方

パソコンは買ったときの構成のままで一生使うものではありません。あとから機能を足せるように、マザーボードにはあらかじめ空きのスロットが用意されています。

• ビデオカード（グラフィックボード）……画面表示の処理を専門に受け持つ拡張カード。CPUの負担を減らし、3D描画や動画編集を速くします。高速なやり取りが必要なので、PCI Expressスロットに差します。
• サウンドカード、ネットワークカード……音声や通信の機能を足す拡張カード。現在は最初からマザーボードに組み込まれていることがほとんどです。

拡張の考え方は、のちに学ぶスケールアップ（1台の性能を上げる）とスケールアウト（台数を増やす）の区別にもつながります。メモリやカードを足して1台を強くするのがスケールアップの発想です。

④ 電源とチップセット

マザーボードには電源ケーブルをつなぐ電源コネクタがあり、ここから各部品に電気が配られます。また、CPUとメモリ、CPUと周辺機器の間のやり取りを取り持つ制御用の半導体をチップセットといい、マザーボードがどの規格のCPUやメモリに対応できるかは、このチップセットで決まります。

つまり「このマザーボードにはこのCPUしか載らない」という制約は、CPUソケットの物理的な形とチップセットの対応状況の両方から生まれている、ということです。