みなさんが，特別教室で目にするコンピュータは様々な部品から構成されています．最初にそれらの部品がどのような外観をしていて，どのような機能を持っているかを見ていくことにしましょう．これから紹介するようなコンピュータを構成する機器の事をハードウェアと呼びます．コンピュータを物理的に構成しているのはハードウェアですが，ハードウェアだけではコンピュータは仕事をする事はできません．

コンピュータの内部を覗いてみると以下のようになっています．

コンピュータの中には演算をつかさどるCPUと，記憶をつかさどるメモリ，ハードディスクがあります．これらの要素が相互に協調しあってコンピュータの機能を実現しています．各構成要素について少し詳しく見てみましょう．

コンピュータの記憶装置には，主記憶装置(メモリ)と二次記憶装置(補助記憶装置，ハードディスクやCD-ROMなど)があります．両者の特徴は以下の通りです．

主記憶装置

• データの読み込み速度・書き込み速度が速い
• 電源を切るとデータが全て消えてしまう

二次記憶装置(補助記憶装置)

• データの読み込み速度・書き込み速度が(主記憶装置と比べて)遅い
• 電源が切れてもデータは消えない

テキストエディタを使った文書編集を例に，記憶装置の役割について見てみましょう．メモ帳を使って文章を編集するとします．

このように「文章を書きます。」という文章を入力しました．この段階では，入力された情報(文章)は主記憶装置であるメモリに保存されています．これは，編集中の文章は変更される可能性が高く，情報を高速に読み書きできる必要があるためです．

しかし，メモリ上に保存された文章情報はコンピュータの電源が切られると消失してしまいます．そのため，書き終えた文章はファイルに保存します．ファイルに保存するとは，メモリ上に存在している文章情報を二次記憶装置にコピーすることです．これによって，コンピュータの電源が切れても文章が消失してしまうことはありません．

主記憶装置はコンピュータ内部にあり，通常メモリと呼ばれます．メモリは，以下のようなスティック状の形をしています．

二次記憶装置には以下のようなものがあります．ハードディスク以外はすべてコンピュータ外部の記憶装置です．

• ハードディスク
• フロッピーディスク
• CD-ROM / CD-R / CD-RW
• DVD

ここでは二次記憶装置の例としてハードディスクを紹介します．ハードディスクはコンピュータ内部にあり，その概観は以下のような四角い箱となっています．

ハードディスク上部にある銀色の板をはがして，ハードディスクの中身を見てみましょう．

中には鏡のような円盤が2枚入っています(写真の例は分解の過程で上側の円盤1枚が割れてしまったものになっています)．この円盤に磁気を帯びさせる事で，情報が保存されます．一連の情報は同心円状に配置されたトラック（円周）に記録されています．電源が入っているときにはこの円盤は常に回転しています．

銀色の三角形の形をした突起の先がヘッドと言われる部位で，これが円盤の上を移動することで情報を読み書きするトラックを変えることができます．

主記憶装置も二次記憶装置も一定の容量の情報しか記憶できません．詳現在市販されている主記憶装置（メモリ）では，一本で64メガバイト，128メガバイト，256メガバイト，512メガバイトのいずれかのデータ容量を持つメモリが一般的です．また，二次記憶装置は主記憶装置と比較して記憶容量が格段に大きく，例えばハードディスクは現在では数十ギガバイト(GB)の容量を持ちます．

1GBは10億バイト，80億ビットになります。半角英字1文字を表すための情報量が1バイトなので，10億個の文字が保存できる事になります．
もし，この授業で目標とされているタイピングスピード（毎分120字）で英文字を入力して，1GBのハードディスクをいっぱいにするには，1,000,000,000 / 24 / 60 / 120 = 約5,787日（約16年）かかることになります．

CPU(Central Processing Unit)は演算機能を持ち，コンピュータの頭脳に相当します．まずはCPUの外観を見てみましょう．

CPUは，主記憶装置上のプログラムから一つ一つ命令を読み出して実行する装置です．CPUは，演算ユニット（Arithmetic and Logic Unit）とレジスタという部品から構成されています．レジスタは，CPU内部で情報を保存するユニットです．演算ユニットは，レジスタの情報を使って計算（四則演算や論理演算）を行います．

CPUは基本的に以下の三つの仕事しかしていません．

• メモリやその他の部品から，レジスタにデータを転送する
• レジスタに記憶されているデータに対して演算を行う
• レジスタからメモリやその他の部品にデータを転送する

コンピュータはこれらの単純な動作の積み重ねによって，様々な機能を実現しているのです．

クロックとは，CPUの各部分の基本動作のタイミングを合わせるために，一定の時間間隔で発生している信号です．CPUが行う様々な処理はクロック信号にタイミングを合わせて行われます．従ってクロック信号が発生する間隔が短ければ短いほど，CPUの動作が速いことになります．クロックが１秒間に何回発生するかを示す数値としてクロック周波数が使われます．一般にその周波数が高ければCPUの動作速度も高いということができます．

例えば端末ウィンドウに皆さんが「a」という文字を入力しそれをコンピュータが表示する時を考えて見ましょう．

• 「A / ち」と刻字されたキーが入力されたことを感知する
• 押されたキーが「a」を表していることをキーボード表から知る
• 現在のカーソルの位置を調べる
• 現在のカーソルがある位置に「a」を表示する

CPUが行うこれらの処理はそれぞれ数クロックの時間がかかります．

コンピュータの販売広告などで「1GHzのCPU」と言った文句を聞いた事はないでしょうか？この1ギガヘルツとは，クロック数を示しています．１ギガヘルツの場合，１秒間に1ギガ（1,000,000,000）回ものクロック数の処理を実行する事ができます．この数が増えれば増えるほど，CPUの処理速度が高速であると考える事ができます．1GHzのCPUの場合，先ほどの例で示したような4つの処理は，一つの処理が3クロックずつかかると仮定すると，4 * 3 / 1,000,000,000 = 0.000000012秒で済んでしまうことになります．

ここからはソフトウェアについて解説していきます．また，ソフトウェアがこれまで解説してきたハードウェアとどのように関係しているかを見ていくことにしましょう．

コンピュータにさせたい仕事を実行させるためには，プログラムと呼ばれるものが必要となります．逆に，プログラムがなければコンピュータは動作しません．プログラムとは，コンピュータに実行させたい仕事の手順をコンピュータが理解できる形式で記述したものです．プログラムは予め人間によって記述され，コンピュータに与えられている必要があります．プログラムを記述することをプログラミングと呼び，その際に用いる言語をプログラミング言語と呼びます．プログラミング言語は，コンピュータに与える命令を厳密に記述できるように人工的に作られた言語です(私たちが日常利用している日本語などの言語は自然言語と呼ばれます)．

プログラムは情報を処理する命令の集合です．しかし，コンピュータの内部ではそのプログラム自体も情報として扱う事が出来ます．情報処理では，「処理内容を表す情報」と「処理対象となる情報」の2つの異なった情報があることになり，とくにこれらを区別する際には，前者をプログラム，後者をデータと呼びます．例えば，Windowsではプログラム自体のファイルは，〜.exeというファイル名で保存するという決まりごとがあります．Unixにはこのような決まりごとはありません．どちらの場合もプログラムであってもデータと同じようにファイルとして扱う事は共通しています．

機械としてのコンピュータをハードウェアと呼ぶのに対し，そのハードウェアに仕事をさせ，様々な目的に利用する技術を総称してソフトウェアと呼びます．これは通常プログラムの形をとります．このソフトウェアという言葉は，ハードウェアという言葉と対応して使われることが普通です．プログラムもソフトウェアという概念の一部であり，この教材の中ではほぼ同義として使用します．

コンピュータは入力された情報を加工，処理し，その結果を出力する機械です．同じコンピュータに対して，異なる内容の命令が記述されたソフトウェアを与えて実行させることで，そのコンピュータは様々な仕事をすることが可能です．ハードウェアは記憶や演算などの使用目的ごとに存在しています．これに対して，メールの送受信やWebの閲覧，文書処理などのサービスは用途別に開発されたソフトウェアを共通のハードウェアに与える事で実現しています．

このように汎用のハードウェアを持ち，ソフトウェアを入れ替えることで様々な情報を様々な方法で処理ができるという事がコンピュータの特徴です．

コンピュータで利用できるソフトウェアは，その果たす役割の違いによって基本ソフトウェアと応用ソフトウェアの2種類に大別する事が出来ます．

応用ソフトウェアはアプリケーションとも呼ばれ，特定の作業や業務を行う為に使用されるソフトウェアのことです．前に述べたように，利用者は異なるソフトウェアをコンピュータで実行して操作することで，文書作成，表計算，電子メール，Webページの閲覧など，コンピュータを様々な用途に使うことができます．

基本ソフトウェアとして，OS(Operating System)があげられます．私たちがアプリケーションを用いてコンピュータに仕事をさせる時，アプリケーションはキーボード，ディスプレイなどの入出力装置や本体内部のメモリやハードディスクなどの様々な装置を利用して仕事を行っています．この時，コンピュータを構成するこれらの装置を効率よく使うために働くソフトウェアがOS(Operating System)と呼ばれるものです．

OSは様々な装置やアプリケーションの間に立ち，コンピュータが行う基本的な仕事を管理しています．これが基本ソフトウェアと言われる理由です．OS自身もソフトウェアであるためハードディスク上に書き込まれています．たいていのコンピュータでは，電源を入れると自動的にOSがメモリに読み込まれて実行される仕組みが備わっています．この仕組みによって，利用者は電源を入れる操作だけでOSが起動した状態からコンピュータを使う事ができ，すぐにアプリケーションを起動してスムーズに作業ができるわけです．OSが起動するとアプリケーションをすぐに使う事ができる仕組みに関しては，この後解説します．代表的なOSとしては，Unix，Windows，MacOSなどがあります．

以後はOSが説明に加わってくるので，区別を明確にするために応用ソフトウェアをアプリケーションに呼び換えて説明していきます．以下はこれまでの用語を整理した図です．

OSの具体的な役割には様々なものがありますが，その中でも以下の3点について説明していきます．

アプリケーションとハードウェアの仲介

ユーザーインターフェースの提供

資源の管理

コンピュータを構成する様々な装置(入出力装置や本体内部の記憶装置などのハードウェア)は非常に複雑な機械であり，アプリケーションがこれらの装置を直接制御することは面倒です．OSはこれらの装置とアプリケーションの仲介役を果たしています．ハードウェアの制御をOSに任せることによって，アプリケーションはOSとだけやり取りをすればよくなります．それによって，同じOS上であれば，コンピュータのハードウェアの違いに関係なく同一のアプリケーションを利用することができます．逆に，特定のアプリケーションはそのアプリケーションが対応しているOS上でしか動作しません．従って，Unix環境だけで動作するように作られたアプリケーションをWindows環境で利用することはできません．

ユーザーインターフェースとは，コンピュータがユーザに対して情報を表示したり操作を促すための仕組みのことを意味しています．現在ではアイコンなどを利用したGUI(Graphical User Interface)が主流となっています．OSがユーザーインターフェースを提供することによって，私たちはコンピュータ内部での複雑な処理を意識せずにコンピュータを利用することができます．また，個別のアプリケーションソフトウェアで使用するユーザーインターフェースも共通でないと，使い勝手が良くありません．よって共通のユーザーインターフェースを提供して，それぞれのアプリケーションの使い勝手を向上させる役割も担っています．

二次記憶装置と主記憶装置の領域やCPU(の演算時間)などのように，利用できる量に限りがあるものをコンピュータの資源とよびます．これは1つのコンピュータを多数の人が利用する時にも適用される考え方です．OSはこれらの資源を効率的に使用するための機能を持っています．

OSはデータが二次記憶装置のどの場所に記憶されているかを管理しています．この機能と前に説明したGUIによる操作を組み合わせる事で，ファイルのアイコンをダブルクリックするだけで，そのデータの中身を見ることができるわけです．例えば，私達はファイルに名前を付けて保存していますが，OSがない状態ではハードディスクに格納されている番地等でファイルを管理しなければいけなくなります．ハードディスクに格納されている場所と，ファイルの名前を対応付けているのがOSなのです．

メモリには様々な情報が書き込まれます．しかし，メモリ上に好き勝手に情報を書き込んでしまうと，元々あった必要な情報が上書きされてしまい，コンピュータが正常に動作しなくなってしまいます．そのような事態を避けるため，OSはメモリの番地(情報を保管する区画に割り振られた数字)を管理しています．

CPUは同時に2つ以上の処理を実行することができません．必ずどれか1つの処理が占有する事になります．しかし，コンピュータを普段使っているときは，CDプレーヤーで音楽を再生しながら，文書の作成などをしたことのある人も多いはずです．これはOSがCPUに対して，時間を細かく区切って処理する内容を割り振っている為です．この切り替えが高速に行われている為に同時に2つのアプリケーションを動かしているように見えるのです．OSによって現在実行されているプログラム（アプリケーション)をプロセス(process)と言います．

それではみなさんが使っているコンピュータで，実際に現在どういったプロセスがあるのかをみてみましょう．

端末ウィンドウで ps と入力すると以下のようになります．

% ps
   PID TT       S  TIME COMMAND
  2842 pts/1    S  0:00 tcsh
  2844 pts/2    R  0:00 -tcsh

	  

ここで左上に PID というものが出ています．これはプロセスごとに割り当てられている番号です．この番号をプロセスID(process id)といいます．

emacsやMozillaは，終了のキーやメニューが用意されています．しかし，時にはアプリケーションに欠陥があって，実行が止まらなくなったり，何をしても反応がなくなったりします．そのような時には，そのプロセスを強制終了させなければなりません．

• コマンドを起動した端末ウィンドウで C-c を入力します．これでシグナル(signal)がプロセスに送られて，通常のプロセスは強制終了します．
• プロセスによっては C-c でも終了しないものがあります．そのような時は次の kill コマンドを使います．

まず，ps コマンドで終了したいプロセスの pid を調べます．
その後，次のように入力します．

% kill (終了したいプロセスの pid)
	

そうするとプロセスが終了します．

コンピュータはどのような仕組みでアプリケーションを実行しているのでしょうか．emacsでファイルを開いて編集し保存する過程を例に見てみましょう．

1. まず，利用者がキーボードやマウスを用いてアプリケーション（emacs）を実行する命令を入力します．
2. OSは入力を解釈し，起動したいアプリケーション（emacs）がハードディスク（二次記憶装置）のどこに記憶されているかを探し出し，メモリ（主記憶装置）に読み込むという処理をします．
   
   さらに「ipl」というファイルをemacsで開くとすると，OSはiplというファイルのデータもハードディスクから探してきて，メモリに読み込むという処理をします．
   
   

   ここで，メモリに記憶できる以上の大きなアプリケーションが実行されようとすると，OSはCPUの仮想記憶(Virtual Memory)機能を用いて，実行が可能となる仕組みを提供します．アプリケーションの中で，これから実行される部分だけをメモリ上に置き，実行を開始します．実行に伴って，必要な部分がメモリ上にないと，実行し終わった部分に新たに必要となった部分を上書きして，実行を続けます．こうして十分なメモリがある場合と比べると，ディスクとメモリの間に情報のやり取りが増えるために実行速度が低くなります．

3. OSはメモリに呼び出したアプリケーション（emacs）を実行させます．
   
4. キーボードなどからファイル編集をするための命令を打ち込むと，この命令はOSを介してアプリケーションに伝わり，アプリケーションが処理の命令をOSを介してCPUに伝えます．CPUはメモリからファイルのデータを取り出しては，命令に従った処理を行い，その結果をメモリに書き込みます．
   
5. データに処理を加えた途中経過や結果は，ディスプレイ上に表示されます．この表示の作業もOSとアプリケーションが連携して行います．また，結果をプリンタなどに出力することもできます．
6. 主記憶装置であるメモリは，電源が切れると記憶した情報が消えてしまいます．このままでは困るので二次記憶装置にデータを記録する必要があります．編集を加えたiplというファイルを保存すると，OSはiplというファイルのデータをメモリからハードディスクに移して保存する処理をCPUにやらせます．