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コンピュータの5大装置

コンピュータの5大装置(コンピュータのごだいそうち)とは、「入力装置」「制御装置」「記憶装置」「演算装置」「出力装置」の5つを以ってコンピュータの主要な装置としたものである。また、それらによって実現される「入力」「制御」「記憶」「演算」「出力」の5つの機能をコンピュータの5大機能(コンピュータのごだいきのう)とすることがある。この主要装置を5つとする数え方は、たとえばノイマン型アーキテクチャのように計算機科学で国際的に通用するものではないし、況んやチューリングマシンのように理論的に重要なものでは、決してない。しかし、日本では情報処理技術者試験の出題材料になっているためか、大学の計算機科学を専門とする学科など以外では、重要な概念であるかのごとき扱いで教育されている場合が見受けられる。ノイマンによる報告書"The First Draft on the EDVAC"()の影響を受けて、日本において計算機の黎明期に書かれた書籍にあった図と説明が、長い間に文脈を離れ一人歩きしたものと思われる(#出典を参照)。以下、ノイマン型との対応を示すなどしながら、各装置について説明する。ノイマン型については、報告書"The First Draft on the EDVAC"の第2章 "MAIN SUBDIVISIONS OF THE SYSTEM" における、対応する節の、番号とタイトルを示す(タイプ稿版ではなく、Michael D. Godfreyによりメンテナンスされている版で確認した)。ノイマンの報告書では、2.2節 "First: Central arithmetic part: CA" に相当する。演算装置は、現代的な見方ではCPUの一部であり、装置としてはプロセッサの一部である。算術演算、論理演算をはじめとする演算を行う装置である。ALUを代表として、FPUほか集積回路の集積度向上にともない、近年では3DCG等あらゆる演算をおこなう演算装置がある。プロセッサ設計の用語ではデータパス()と呼ぶ部分に含まれる。人間の世界で例えれば、実際に仕事をする作業者といえる。ノイマンの報告書では、2.3節 "Second: Central control part: CC" に相当する。制御装置も、現代的な見方ではCPUの一部であり、装置としてはプロセッサの一部である。プロセッサの他の部分や、コンピュータの他の装置に対し、順番に、動作すべきタイミングとその動作を指示する装置である。プロセッサ設計の用語では制御部などと言う。人間の世界で例えれば、作業者に指示をする管理者といえる。ノイマンの報告書では、2.4節 "Third: Various forms if memory required: (a)-(h)" と 2.5節 "Third: (Cont.) Memory: M" に相当する。処理手順を記載したプログラムや、処理前や処理後の情報(データ)などを、一時的または半永久的に記憶(保存)する装置である。人間の世界で例えれば、事務作業をする際の机やノートのようなものといえる。実際的には、CPUと直接的につながっているのは記憶装置のうち主記憶装置で、補助記憶装置は入出力を通してつながっている。主な主記憶装置にはDRAM、SRAMなどが、主な補助記憶装置にはハードディスクドライブ、DVDドライブなどがある(記憶媒体と読み書き装置の分離が明確ではない)。ノイマンの報告書では、2.7節 "Fourth: Input: I" に相当する。入出力装置は、現代考えられているノイマン型のモデルではコンピュータの外部の装置とし、コンピュータに含めていない。コンピュータの入出力機能を実現しているのはインタフェースすなわち入出力装置とし、そこに繋げるものは周辺機器、と分けて考えたほうが実際に即しているかもしれない。この分類では入力も出力もする装置が困る。ノイマン型のオリジナルの報告書では、入出力について触れているが、直接入出力がおこなわれるのは「R」と呼んでいる装置とし、制御装置や演算装置とは直接やりとりしない、という明示があり、現在考えているようなモデルとは異なっている。また、メモリマップドI/O方式とすれば、周辺機器との入出力は記憶装置との読み書きと論理的に同等となるので、入出力を区別する意味は無い。ともあれ、入力装置は、外部からコンピュータに対し、処理すべき情報(データ)や操作上の命令などを入力する装置である。主な入力装置にはキーボード、マウスなどがある。人間と直接関係ないもの、たとえば温度センサのようなものもある。ノイマンの報告書では、2.8節 "Fifth: Output: O" に相当する。出力装置は、コンピュータから外部に、処理した結果(データ)や操作上の命令の応答などを出力する装置である。主な出力装置にはプリンター、ディスプレイなどがある。人間と直接関係ないもの、たとえば機械を制御する装置のようなものもある。ノイマンの報告書では、2.6節 "CC, CA (together: C), M are together the associative part. Afferent and efferent parts: Input and output, mediating the contact with the outside. Outside recording medium: R" に相当する。(注: これは5大装置に含まない)5大装置には含まないが、これら装置の間で信号をやりとりするためには、つないで信号を伝えるものが必要であり、バスという。ノイマン型の現代の見方では構成要素である。城憲三・牧之内三郎 共著『計算機械』(共立出版、1953年)の第6章、6.6節の文章中および p. 120 にある第80図「2進方式電子計算機の構成図」に、コンピュータ(「2進方式電子計算機」)の「構成部分の大別」として、「穿孔機構」(鑽孔テープリーダ)、「外部(低速)記憶回路」(磁気テープなど)、「内部(高速)記憶回路」(主記憶装置およびレジスタ)、「演算回路」、「制御回路」、「印刷機構」(プリンター)、の6部分が挙げられており、よく見られる「5大装置」の図と、その第80図には類似点が見られる。2種類の記憶装置をひとつにまとめ、「回路」と「機構」を「装置」と改め、入出力を抽象化すれば、「5大装置」そのものであり、1953年の書籍ということを考えれば(日本のそれとしては)同書が源流であろう。以下の文献において、この記事で説明したような主要な装置の分類がみられる。

出典:wikipedia

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