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コンピュータ
 

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コンピュータ(computer)は、広義には計算機、狭義には計算開始後は人手を介さずに計算終了まで動作する計算機。純理論的には、チューリングマシンと等価なものを指す。日常的にはパーソナルコンピュータ（パソコン）を指して「コンピュータ」と呼ぶことも多い。

なお、日本の法律上での呼称は「電子計算機」（でんしけいさんき、略称・電算機）とされている。「電子頭脳」（でんしずのう、略称・電脳）という通称でも呼ばれる。

ハードウェアの構造からデジタルコンピュータとアナログコンピュータに大別されるが、現在使われているほとんどのコンピュータはデジタルコンピュータである。

デジタルコンピュータは、おもに半導体素子を用いて作られた論理回路の組み合わせによって構成される。演算の対象は通常2進数によって表され、桁数を増やしていけば原理的にいくらでも計算精度を上げられるが、ほとんどの演算では、桁数が多くなれば必要な計算が増えて遅くなる。

対してアナログコンピュータは、加減算や微積分などを行うアナログ電子回路を演算増幅器によって構成し、それらを組み合わせて所望の演算を行う。演算の対象は電圧によって表され、演算結果はオシロスコープやペンレコーダなどに出力される。入力の変化に対してほぼリアルタイムで出力が得られる特徴があり、各種シミュレーションなどに利用されたが、演算内容を変更するためには回路を変更する必要があり、得られる精度にも限界があるので、デジタルコンピュータの高速化に伴ってその役割を終えた。

古くはチャールズ・バベッジによって開発された階差機関などがデジタルコンピュータの元祖であった。現在のデジタルコンピュータは、ストアードプログラム方式で逐次処理をして駆動するノイマン型コンピュータがほとんどであるが、量子コンピュータやDNAコンピュータなどのノイマン型でないコンピュータも研究され、1990年代後半から画像解析分野などで実用化されている。例を挙げるならば、地球観測プラットフォーム技術衛星の映像解析など地球自然環境調査などの分野で利用されている。

コンピュータの理論的定義

コンピュータとアルゴリズムの概念の理論的な定式化は1936年にアラン・チューリングによって初めてなされた。チューリングはチューリングマシンというコンピュータのモデルを提案し、チューリングマシンは停止性問題を解く事が出来ない事を証明した。コンピュータの実装が出来る前にコンピュータの理論的定義がなされ、さらにはその限界までもが示されていた事は興味深い事である。因みにチューリングはエニグマ (暗号機)の理論的解析に最初に成功した人物でもある。

チューリングマシンが停止性問題を解く事が出来ない事を証明する為に、チューリングは万能チューリングマシンの概念を考え出した。この概念はジョン・フォン・ノイマンによるノイマン型コンピュータの概念の先駆けである。

チューリング以後、様々な人がコンピュータとアルゴリズムの概念の理論的なモデルを提案した。代表的なモデルとして帰納的関数、ラムダ計算等がある。しかし後にチャーチはこれらの概念は実は全て同値である事を証明し、これら同値な概念をコンピュータの定義として採用する事を提唱した（チャーチの提唱）。

コンピュータの動作原理

コンピュータは機械部品、電子、光子、その他の素粒子、あるいは何らかの良く知られた物理現象を通じて動作する。コンピュータは時代ごとに様々に異なる技術を用いて作られてきたが、よく知られたタイプのコンピュータではほとんど全てに電子的な構成部品が使われてきた。

コンピュータを使う際には、解くべき問題を直接モデル化することもある。すなわち、計算に利用する物理現象に、解くべき問題をできるだけ忠実に当てはめるのである。例えばダムの水の流れをモデル化するために電子の流れ（電流）を使うといった例が挙げられる。このようなアナログコンピュータは1960年代には良く使われたが、今では希少になっている。

今日のほとんどのコンピュータでは、問題はまず、全ての関連する情報を二進数（0と1を用いる記数法）で表現することで数学的形式に翻訳される。次に、これらの情報に対する全ての演算が単純なブール代数に還元される。

続いて、ブール演算を表現するために電子回路が使われる。ほぼ全ての数学的演算はブール演算に還元できるので、十分に高速な電子計算機さえあれば数学的問題の多く（や数学の問題に変換可能な情報処理問題の多く）は解くことが可能である。現代のデジタルコンピュータを可能にしたこの基本的なアイデアはクロード・シャノンによって形式化され、研究された。

しかしコンピュータは全ての数学的問題を解くことはできない。どのような問題がコンピュータで計算可能でどのような問題が不可能なのかを示したのはアラン・チューリングである。彼はこの仕事を通じて理論計算機科学を創始した。

コンピュータが問題の計算を終えると、結果は電球や発光ダイオード (LED)、モニタ、プリンタといった出力装置の出力によってユーザに表示される。

初心者、特に子供にとっては、「コンピュータはただの機械であり、自らが表示する言葉を考えたり理解したりしているわけではない」という重要な事実を理解するのが難しい場合もある。コンピュータは単にプログラムされた線や色の一覧表を機械的に引いて、それを出力装置を使っていろいろなパターンの光の図形として表示しているだけである。これらのパターンが文字や数字を形作ることを認識して、それに意味付けを行っているのは人間の脳である。現在存在するコンピュータがやっていることは、0と1に論理的に等価な電子を操作していることだけである。コンピュータを使って人間の理解力や自我をうまく模倣する方法は今のところない。詳しくは人工知能を参照のこと。

語源

computer という語は元々は算術計算を行う人を指す言葉だった。この用法は（アメリカやイギリスでは非常に稀になりつつあるが）今でも有効である。オックスフォード英語辞典第2版 (OED2) では、この語が機械的な計算装置を指す言葉として使われた最初の年を1897年と記している。1946年までには、異なるタイプの計算機を区別するために、OED2によってcomputerに付く修飾語句がいくつか導入されている。これらの修飾語の中には analogue、digital、electronicといった語が含まれている。しかし様々な引用文から、1946年以前にこれらの語が既に使われていたことは明らかである。

computer の定義や訳、その他の詳細な語源はWiktionaryのComputerの項目を参照のこと。

コンピュータの仕組み

1940年に最初の電子式汎用計算機が登場して以来、コンピュータに使われる技術は劇的に変化してきたが、ほとんどのコンピュータは今なおノイマン型アーキテクチャを採用している。

ノイマン型コンピュータの機能は原理的には非常に素直なものである。典型的には、クロックサイクルごとにコンピュータは命令とデータをメモリから取り出す (fetch)。取り出した命令を実行し、結果を格納し、次の命令を取り出す。「停止」の命令に遭遇するまでこの手順が繰り返される。

フォン・ノイマン型アーキテクチャではコンピュータは次の4つの主要な部分からなるとされる。すなわち、算術論理ユニット (Arithmetic and Logic Unit, ALU)、制御回路、記憶装置（メモリ）、入出力装置（まとめて I/O と呼ぶ）である。これらの部分はバス (コンピュータ)と呼ばれる導線の束で相互に接続され、通常はタイマまたはクロックによって動作する（別のイベントが制御回路を動作させる場合もある）。

命令

コンピュータの命令は人間の言語に比べるとずっと貧弱である。コンピュータは限られた数の明確で単純な命令しか持っていないが、曖昧さは全くない。多くのコンピュータで使われている命令の典型的な例としては、「5番地のメモリの中身をコピーしてそのコピーを10番地に書け」とか「7番地の中身を13番地の中身に加算して結果を20番地に書け」とか「999番地の中身が0なら次の命令は30番地にある」といったものである。

コンピュータの内部では命令は二進コード、つまり2を底とする計数法で表現される。例えば、インテル系のマイクロプロセッサで使われるあるコピー命令のコードは10110000である。ある特定のコンピュータがサポートする特定の命令セットをそのコンピュータの機械語 (machine language) と呼ぶ。

実際には、人間がコンピュータへの命令を機械語で直接書くことは通常はなく、高水準のプログラミング言語を使う。プログラミング言語で書かれた命令が、インタープリタやコンパイラと呼ばれる特別なコンピュータプログラムによって自動的に機械語に翻訳されて実行される。プログラミング言語の中にはアセンブリ言語（低水準言語）のように、機械語に非常に近いレベルで対応付けられるものもある。逆に Prolog のような高水準言語は計算機の実際の演算の詳細とは完全に切り分けるという絶対原理に基づいている。

記憶装置（メモリ）

メモリは番地を付けられたセルの列で、各々のセルには小さな量の情報が格納される。この情報はある場合にはコンピュータに何をすべきかを教える命令である。また、セルにはコンピュータが命令を実行する対象となるデータも格納される。全てのセルはこのどちらかを格納し、ある時はデータを、またある時は命令を格納する。

一般的には、メモリセルの中身はいつでも書き換えられる。すなわち石板というよりは落書き帳に近い。

各セルのサイズとセルの数はコンピュータごとに大きく異なる。また、メモリを実装する技術も時代とともに大きく変化してきた。最初は電磁リレーが、続いて水銀の入った管（水銀遅延線）やバネに音波を通す方法が使われた。次には永久磁石の配列（磁気コアメモリ）やトランジスタが使われた。現在では1つの半導体チップの上に数百万個のコンデンサとトランジスタを集積した集積回路（DRAM）が主に使われている。

演算処理（プロセッサ）

算術論理演算ユニット (ALU) は算術演算（加算・減算など）のような基本的な演算やAND、OR、NOTといった論理演算、比較演算（2つのバイトの中身が等しいかどうかの比較など）、シフト演算などを行う装置である。コンピュータの中で真の仕事（情報処理）を行う部分と言える。

制御

制御ユニットはメモリの中でどのバイトがコンピュータが現在実行中の命令を格納しているかを追いかけ、どの命令を実行すべきかを ALU に教え、実行に必要な情報をメモリから受け取り、実行結果を適切なメモリ位置に運ぶといった仕事をする。一度これらの仕事を終えると、制御ユニットは次の命令に飛ぶ。（次の命令は普通、次のメモリ番地に位置しているが、命令がジャンプ命令の場合には別の場所にある。）

メモリを参照する際に、現在の命令はメモリ内で関連する番地を指定するために様々なアドレッシングモードを使う場合がある。コンピュータのマザーボードの中には2つまたはそれ以上のプロセッサをサポートするものもある。コンピュータサーバでは2つまたは複数のプロセッサを使うのが一般的である。

入出力

入出力（にゅうしゅつりょく）（Input Outputを略してI/Oとも言う）はコンピュータが外の世界から情報を得たり、計算結果を外に送り返したりすることを可能にするためのものである。外部から見て、コンピュータに情報を送ることを入力、逆にコンピュータから情報を得ることを出力という。

入出力には、入出力インターフェースを介して、入出力装置（I/O装置）が接続される。入出力装置としては例えば、キーボード、マウス、スキャナ、モニタやプリンタ、磁気ディスク装置、光学ドライブ装置などといった馴染み深いものから、3次元ディスプレイやデータグローブといったものまで、幅広いものが存在する。

入出力装置は、主として入力を得るためのもの（キーボード、スキャナなど）、出力するためのもの（モニタ、プリンタなど）、入力と出力を兼ね備え情報を蓄積して後からそれを読み出すことのできるもの（磁気ディスク装置など）に大別することができる。

アーキテクチャ

現代のコンピュータではALUと制御ユニットを中央処理装置 (CPU ;central processing unit) と呼ばれる一つの集積回路にまとめている。典型的には、コンピュータのメモリは数個の小さな集積回路の形で CPU の近くに配置する。コンピュータの質量の圧倒的大部分を占めているのは電源装置のような付属システムかあるいは入出力装置である。

大型のコンピュータでは、上記のようなモデルとは違って複数のCPUと制御ユニットが同時に動いているものもある。さらに、主に研究用途や科学計算に使われるコンピュータでは上に書いたモデルとは大きく異なっている。しかしこういったタイプのコンピュータはプログラミングの方式が標準化されていないため、商用目的の機種にはほとんど見られない。

プログラム

コンピュータプログラムは単にコンピュータに実行させる命令の大きなリストである。場合によってはデータの表が付属することもある。現在でも1行～数1000行程度のプログラムが用いられているが、ワープロソフトやOSなどのコンピュータプログラムは数百万行の命令からなる。これらの命令の多くは繰り返し実行される。2003年時点での典型的なPCは1秒間に20～30億個の命令を実行できる。コンピュータのこのような並外れた能力は、複雑な命令を実行できる能力に由来するものではない。むしろ、コンピュータはプログラマと呼ばれる人々によって組まれた何百万もの単純な命令を実行しているのである。プログラムごとに全てを新規に書き下すことは効率が悪いため、画面に点を描くといったよく使われる仕事を行う命令のセット（ライブラリ）が多数用意されている。

今日では、ほとんどのコンピュータは同時にいくつものプログラムを実行するように見える。これは通常、マルチタスクと呼ばれている。実際には、CPUはあるプログラムの命令を実行した後、短い時間の後でもう一つのプログラムに切り替えてその命令を実行している。この短い時間の区切りをタイムスライスと呼ぶ。これによって、複数のプログラムがCPU時間を共有して同時に実行されるように見える。これは動画が実は静止画のフレームの短い連続で作られているのと似ている。このタイムシェアリングは通常、オペレーティングシステムというプログラムで制御されている。

オペレーティングシステム (OS)
処理すべき仕事があるかないかによらず、コンピュータが動作するためにはある種のプログラムが必要である。典型的なデスクトップコンピュータでは、このプログラムはオペレーティングシステム (Operating System = OS) と呼ばれている。コンピュータが動作するための最も基本となるプログラムであることから、「基本ソフト(基本ソフトウェア)」と翻訳されることもある。

コンピュータを動作するためオペレーティングシステムは、ユーザー、もしくは他のプログラムからの要求に応じてプログラム (この意味では、アプリケーションソフトウェアもしくは単にアプリケーションという用語も使用される。ソフトウェアという用語も似た意味合いだが、これはプログラム一般を指すより広い概念である。)をメモリー上にロードし、プログラムからの要求に応じていつ、どのリソース（メモリやI/O）をそのプログラムに割り当てるかを決定する。

オペレーティングシステムはハードウェアを抽象化した層を提供し、他のプログラムがハードウェアにアクセスできるようにする。例えばデバイスドライバと呼ばれるコードがその例である。これによってプログラマは、コンピュータに全ての接続された電子装置について、その奥深い詳細を知る必要なくそれらの機械を使うプログラムを書くことができる。

ハードウェアの抽象層を持つ多くのオペレーティングシステムは標準化されたユーザインターフェイスも持っている。かつてはキャラクターユーザインターフェースのみが提供されていたが、Mac OSがグラフィカルユーザインターフェースの概念を普及させた。現在、デスクトップコンピュータ用として最も良く知られているOSはマイクロソフト社のWindowsである。

コンピュータのほとんどはデスクトップコンピュータではなく、携帯電話や炊飯器などの電気製品、各種の測定機器、乗用車や工作機械などの装置に組み込まれた非常に小さく安価なコンピュータである。これを組み込みシステムと呼ぶ。一般に組み込みOS (embedded OS) と呼ばれる専用のOSを用いる。TRONプロジェクトのITRON、米WindRiver社のVxWorks、米Symbian社のSymbian OS、米LinuxWorks社のLynxOSなどが利用されている。ただし、近年は開発期間の短縮などの目的で、WindowsやLinuxといったデスクトップコンピュータで使われているOSと同系統のOSを搭載する場合もある。また、組み込みシステムのなかには、明確なOSを内蔵していないものも多い。

コンピュータの歴史

 

This article is licensed under the GNU Free Documentation License. It uses material from the "コンピュータ".

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