第4章ソフトウェアとプログラミング §１プログラム内蔵方式 §２アルゴリズムとプログラムカウンタ §３基本ソフトと応用ソフト §１プログラム内蔵方式 • プログラム内蔵方式では、プログラム（情報処理の手順書）をコンピュータ内部（記憶装置）に記憶する • それでは、どのようにプログラムを利用してコンピュータは自動処理を行っているのだろうか？コンピュータの装置図（1/3） • 電卓の仕組み入力装置（テンキー） CPU （演算装置＋制御装置）出力装置（液晶）コンピュータの装置図（2/3） • 電卓の使い方入力装置（テンキー） CPU （演算装置＋制御装置）人間出力装置（液晶）コンピュータの概念図（3/3） • コンピュータの仕組み入力装置（キーボード） CPU （演算装置＋制御装置）主記憶装置主記憶に憶えきれない情報を蓄える（当面計算に必要ない内容なら問題にならないはず）補助記憶装置（ハードディスク）出力装置（液晶）人間が不在でも計算ができるように予め • 計算の手順 • 計算データを憶えさせておく PCの主要構造（1/4） • PCの内部（筐（きょう）体） http://www.sugilab.net/より転載 PCの主要構造（2/4） • PCの内部外部記憶装置主記憶装置 http://www.sugilab.net/より転載 PCの主要構造（3/4） • PCの内部（マザーボード（1）） http://www.sugilab.net/より転載 PCの主要構造（4/4）ハードディスク CPU DVD ドライブ FD ドライブバス(BUS) I/Oポート主記憶装置（メイン・メモリ）プログラム内蔵方式（1/2） CPU内部構造論理回路＝演算装置 http://www.sugilab.net/より転載プログラム内蔵方式（2/2） CPU 制御装置メイン・メモリ命令語記憶装置内の命令の取り出し命令演算装置データ語演算装置で命令の実行繰り返しプログラム内蔵方式の基本動作記憶装置命令語 ① 命令のアドレス選択 ② 命令読み出しデータ語 ④ データ読出し ⑤ データ書込み命令レジスタ ③命令の解釈・実行制御装置演算装置論理回路により作られているプログラム内蔵方式の詳細 • 主記憶装置（メイン・メモリ） 1. 記憶格納場所ごとにアドレス（住所）が数字で割り振られている 2. 記憶装置にデータを読み・書きするには、このアドレスを指定する • プログラムカウンター 1. 主記憶装置内のどの命令を今実行すべきかを、その命令が書かれているアドレスで覚えている一時的メモリ 2. プログラムカウンターは命令を実行するごとに普通は１づつ増える制御装置プログラムカウンタ 01 命令レジスタ命令a ② 転送 03 演算装置 03番地のデータに1を加えろ主記憶装置アドレス ③データアドレス転送アドレスレジスタ ①今実行すべきアドレスを記憶 ④計算に必要なアドレスを記憶記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 07 45 08 命令d … … 制御装置 03番地のデータに1を加えろプログラムカウンタ 01 命令レジスタ命令a ⑥ 演算の具体的指示アドレスレジスタ主記憶装置 ④計算に必要なアドレスを記憶 03 演算装置レジスタ ⑤ 転送 12 ⑦ 演算開始演算回路アドレス記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 07 45 08 命令d … … 制御装置 ⑨次の計算のため１増やすプログラムカウンタ 02 命令レジスタ命令b ⑪データアドレス転送アドレス ⑩ 転送アドレスレジスタ主記憶装置 06 演算装置記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 レジスタ 13 ⑧ 演算結果演算回路 07 45 08 命令d … … レジスタの結果を06番地に書き込め制御装置プログラムカウンタ 02 命令レジスタ命令b ⑬演算の具体的指示アドレスレジスタ主記憶装置 ⑫計算に必要なアドレスを記憶 06 演算装置アドレス記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 レジスタ 13 ⑭ 転送演算回路 07 45 08 命令d … … レジスタの結果を06番地に書き込め §２.アルゴリズム • • 与えられた問題を解くための機械的操作からなる有限手続きのことアルゴリズムには３つの制御構造がある 1. 連続構造 2. 選択構造 3. 繰り返し構造 Perlプログラミングの例ダブルクォーテション print命令文法： print " "; 機能： " "で挟まれた文字列を表示する例： print "Hello World \n"; （注１）文字列の中の\nは改行記号（注２）一つの命令の終わりはセミコロン（；） Perlプログラムの実行 1. メモ帳でプログラムを書く 2. マイドキュメントにファイルとして保存 3. コマンドプロンプトを開くメモ帳と同じサブメニュー「アクセサリ」にある 4. コマンドプロンプトに命令をタイピングする＞perl （ファイル名）（注）プログラムのファイル名の指定がうまくいかないときは、『perl』の後にスペースを入れた後、ファイルのアイコンをドラック＆ドロップする 5. エンターキーを押すエンターキーはここでは命令実行の意味（１）逐次的構造のプログラム例 1. 2. 3. 4. 5. 6. print " 『パペット・マペットのショートコント』\n"; print "カエル：ウシくん、ウシくん、もう１２月だね。\n"; print "ウシ:そう、気がつけばもう今年も終わりか。\n"; print "カエル：クリスマスが今から楽しみだね。\n"; print "ウシ：ところで、カエルくんって、冬眠しなくっていいの？\n"; print "カエル：そういえば僕、カエルだったったんだ…"; 上から順番に逐次的に（一つづつ）処理されるプログラミングにおける変数（1/2）変数 – データを利用する際メモリ内のアドレスを指定するのは大変 – アドレスの代わりにプログラムの中で使われるのが変数名 – 代入「変数名=xxxx」でメモリにxxxxが格納される主記憶装置プログラムアドレス 1. $data1=125; 2. $data2=321; 3. $data3=237; 内容 01 02（$data2） 321 03（$data3） 237 04 変数への代入 05（$data1） 125 プログラミングにおける変数（2/2） • 変数を使った計算例 – データをプログラムに書くことさえすれば、電卓の計算より速くなる 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. $data1=125; $data2=321; $data3=237; $data4=532; $data5=291; $result=$data1+$data2+$data3+$data4+$data5; print "$result\n"; （２）選択構造のプログラム例（1/3） if命令文法：if（条件1）{ 命令1} elsif（条件2）{ 命令2} elsif（条件3）{命令3} else{命令4}; 機能： 1. 2. 3. 4. 条件1が成立するとき、命令１を実行条件１が成立せず条件２が成立するとき、命令２を実行条件１・条件２が成立せず条件３が成立するとき、命令３を実行条件１～３が成立しないとき、命令４を実行（２）選択構造のプログラム例（2/3）条件１を満たすか Yes 命令１を実行 No 条件２を満たすか Yes 命令２を実行 No 条件３を満たすか Yes 命令３を実行 No 命令４を実行（２）選択構造のプログラム例（3/3） 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. print "『血液占い』\n"; print "あなたの血液型を入力してください。"; $input=<>; chop $input; if($input eq 'A') {print "A型のあなたは生真面目で仲間内でも信頼されてます。";} elsif($input eq 'O') {print "O型のあなたは何でもマイペース。急がばまわれを地でいくタイプ。";} elsif($input eq 'AB') {print "AB型のあなたは、A型の気持ちもわかるし、B型の気持ちもわかるよき相談相手。";} elsif($input eq 'B') {print "陽気なB型のあなたはみんなの人気者。";} else {print "あなたの血液型って$input なの？もしかして、宇宙人？それとも …?";}; （３）繰り返し構造のプログラム例 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. $S=0; $i=1; while($i<=10) { $S=$S+$i; print "$i,$S \n"; $i=$i+1; }; 繰り返される命令上のプログラムで５・７の命令が繰り返されると変数がどのように変化していくか考察せよ（３）繰り返し構造のプログラム例繰り返される命令 $S+$i ⇒ $S $i+1 ⇒ $i $S 0 $S 1 $S 3 $S 6 $S 10 $S 15 $i 1 $i 2 $i 3 $i 4 $i $i 5 $S 21 $S 28 $S 36 $S 45 $S 55 $i $i $i $i 10 $i 11 7 8 9 繰り返しによって、$Sに 0+1+2+3+4+5+6+7+8+9+10 の計算結果が記憶されている 6 （３）繰り返し構造のプログラム例２繰り返したい計算辺の数 $N ⇒$N= 2*$N（新しい辺の数）辺の長さ $a ⇒ $b=$a/sqrt(2.0+sqrt(4.0-$a*$a)) $b ⇒ $a（新しい辺の長さ）（３）繰り返し構造のプログラム例２ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. $a=1.0; $N=6; $i=0; while($i<=20) { $N=2*$N; $a=$a/sqrt(2.0+sqrt(4.0-$a*$a)); $pi=$a*$N*0.5; $i=$i+1; print "$i,$pi \n"; }; 繰り返される命令 π = 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 … プログラムカウンタによるアルゴリズム構造の実現 • プログラムを処理する仕方とアルゴリズム構造とは密接に関連している • 従って、コンピュータの処理できるアルゴリズムは、３種類しかないことが分かる（１）連続構造制御装置アドレスプログラムカウンタ 01 +1 命令レジスタアドレスレジスタ主記憶装置命令a 記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 07 45 08 命令d … … （２）選択構造条件が満たされないとき制御装置プログラムカウンタ 01 ＋1又は05へジャンプ命令レジスタアドレスレジスタ分岐命令 05 条件が満たされた時条件が満たされれば 05番地に飛べ主記憶装置アドレス記憶内容 01 分岐命令 02 命令b 03 12 04 05 05 命令c 06 07 45 08 命令d … … （３）繰り返し構造制御装置プログラムカウンタアドレス 05 ＋1又は01へジャンプ命令レジスタアドレスレジスタ主記憶装置分岐命令 01 記憶内容 01 命令a 02 命令b 03 命令c 04 命令d 05 分岐命令 06 命令e 07 命令f 08 命令g … … 条件が満たされれば 01番地に飛べ §３基本ソフトと応用ソフトハードウェアとソフトウェア（1/3） • コンピュータは、主記憶装置に予め情報処理の手順・データを記憶させて使う道具（ハードウェア） • ソフトウェア従って、コンピュータという装置を自動処理装置として使うには、物理的装置の他に憶えさえる内容が必要となる（ソフトウェア）情報処理システムとしてのコン＝ピュータハードウェア（記憶装置を持った計算機）ソフトウェア＋（記憶させる内容）ハードウェアとソフトウェア（2/3） • 異なったハードウェアであっても、その相違をソフトウェアが吸収し、同じ操作手順の道具として扱えることが可能であれば、コンピュータは道具として同じに見える – 例：どのメーカのPCであってもWindowsがインストールしてあれば、同じ使い方でよい利用者利用者ソフトウェアソフトウェアハードウェアハードウェアハードウェアとソフトウェア（3/3） • 同じハードウェアであってもソフトウェアが異なれば操作する人間にとってコンピュータは違った道具に見える – 例：同一のPCであっても、Windowsをインストールして使うこともあれば、Linuxをインストールして使うこともある（ハードディスクを切り替えて使うことも）利用者利用者ソフトウェアソフトウェアハードウェアハードウェアソフトウェアの役割分担応用ソフト • ソフトウェアの分類 – 基本ソフト – 応用ソフト基本ソフトハードウェア • 基本ソフト – 応用ソフトが共通に必要とするハードウェアの管理機能を提供する – 例：インタフェース、ファイルをハードウェアに書き込む • 応用ソフト – さまざまな個別の用途のために作られたソフトウェア – 例：文書処理（ワープロ）・表計算・電子メール・Web ページ閲覧