ノイマン型コンピュータとは？その構造と仕組み
ITの初心者
先生、『ノイマン型コンピューター』について教えてください。
IT･PC専門家
『ノイマン型コンピューター』とは、演算、制御、記憶、入出力を司る部分からなり、内部のプログラムに従って処理を進めるコンピューターの基本構造の一つです。
ITの初心者
つまり、プログラムに沿って順番に処理を実行するコンピューターということですか？
IT･PC専門家
その通りです。また、現在のほとんどのコンピューターがこの『ノイマン型コンピューター』に分類されます。
ノイマン型コンピューターとは。
「ノイマン型コンピューター」とは、現代のコンピューターの基本構造です。計算処理、制御、データ記憶、入出力といった機能で構成されており、内部に格納されたプログラムに従って動作します。ハンガリー出身の数学者ジョン・フォン・ノイマンが1946年に考案しました。現在の主流のコンピューターのほとんどはこの構造に基づいています。対義語は「非ノイマン型コンピューター」です。「ノイマン型計算機」とも呼ばれます。
ノイマン型コンピュータの基本構造
ノイマン型コンピュータの基本構造は、中央処理装置（CPU）、メモリ、入出力デバイスの3つの主要コンポーネントを中心に構築されています。
CPUは、コンピュータの「頭脳」として機能し、計算処理、制御、命令の実行を行います。メモリは、データやプログラムを一時的に格納する「作業場」です。入出力デバイスは、外部の周辺機器やユーザとの間の通信を可能にします。
演算処理における役割
ノイマン型コンピュータの演算処理における役割において、中央処理装置（CPU）は演算制御の中枢です。CPUは、プログラムを構成する命令を読み込み、解釈し、実行します。命令には、加算、減算、乗算、除算などの算術演算が含まれ、これらの演算を適切な順序で実行することで、CPUは計算処理を行います。
CPUは、演算器と制御装置の2つの主要なコンポーネントで構成されています。演算器は、算術演算や論理演算を実行する部分で、制御装置は、プログラムの命令を順序通りに読み込み、演算器に命令を伝達して演算を実行する部分です。演算処理におけるCPUの役割は、プログラムで指定された演算を高速かつ正確に実行することにより、計算を可能にすることです。
制御処理の仕組み
-制御処理の仕組み-
ノイマン型コンピュータの制御処理は、制御装置によって行われます。制御装置は、プログラムから命令を1つずつ取得し、その命令を実行するためのさまざまなコンポーネントに指示を与えます。たとえば、制御装置は演算装置に演算を実行するように指示したり、入出力装置にデータを読み込みまたは書き込みするように指示したりします。制御装置は、コンピュータの全体的な動作を管理し、命令が順番に実行されるようにします。この制御プロセスにより、コンピュータはさまざまなタスクを実行し、複雑な問題を解決することが可能になります。
記憶装置の機能
記憶装置は、コンピュータにおける主要コンポーネントの1つで、プログラムとデータを永続的に格納し、後でアクセスできるようにします。このコンポーネントは、オペレーティングシステムやアプリケーション、ユーザーによって作成されたファイルなどのデータを保存します。記憶装置は、データをビット化して格納し、それを必要なときに電子的または機械的に取得します。これにより、コンピュータは、現在処理中のデータだけでなく、以前に処理したデータにアクセスして、効率的に動作することができます。
入出力処理の流れ
ノイマン型コンピュータは、入出力処理において、以下の基本的な流れに従います。
1. -入出力要求の発生- ユーザーまたはプログラムが入出力処理を要求します。
2. -中央処理装置 (CPU) への通知- 入出力要求が CPU に通知されます。
3. -入出力コントローラの介入- CPU は入出力コントローラに制御権を移譲します。
4. -デバイスの選択- 入出力コントローラは、入出力要求に従って適切な入出力デバイスを選択します。
5. -データの転送- 入出力デバイスとコンピュータメモリの間でデータが転送されます。
6. -処理の完了通知- 入出力デバイスは処理完了を CPU に通知します。
7. -CPU への制御権の返譲- CPU は入出力コントローラから制御権を取り戻します。
8. -入出力処理の終了- 入出力処理が完了します。