コンピュータ工学 I Rev. 2014.10.17 1 カリキュラム体系 ソフトウェア ハードウェア コンピュータリテラシ １年春学期 １年秋学期 コンピュータ実習 コンピュータ工学 I ２年春学期 プログラミング基礎 コンピュータ工学 II ２年秋学期 ディジタル回路 I 数値計算 ディジタル回路 II ３年春学期 画像工学 ３年秋学期 コンピュータ ネットワーク 2 コンピュータ工学 I の内容 学習の目標 CPUの構造と働きを理解する。 ① 数と文字の表現法 ② 論理回路の設計 ③ CPUの構成要素と働き ④ CPUの動作のしくみ 3 アナログ信号 ディジタル信号 連続的な値 離散的な値 （整数値） ‣ 情報量が多い。 ‣ 直感的に分かりや すい。 ‣ ノイズに弱い。 ‣ ノイズに強い。 ‣ 信号処理がしやす い。 コンピュータ 4 コンピュータ（ディジタル回路） 電気の2状態 ON OFF 1 0 1001011101001 0011011111100 2進数 2進数に変換 数値データ 5309 2.735 12 324 2.1 10 数値化 音声データ 画像データ 文章データ 5 コンピュータにおける整数の表現 ① ２進数 ② p進数→10進数の基数変換 ③ 10進数→p進数の基数変換 ④ 16進数 6 基数変換 10進数 人間 入力 1 出力 基数変換 コンピュータ 2進数 演算・制御・記憶 7 p進数→10進数の基数変換 p進数 dn dn-1… d2 d1d0 n n-1 2 N(10)=dn×p +dn-1×p +…+d2×p +d1×p+d0 n-1 n-2 N(10)=p×(dn×p +dn-1×p +…+d2×p+d1)+d0 pで割ったときの商 pで割ったときの余り 8 演算の基本 ① ２進数の加算 ② ２進数の乗算 ③ 負の数の表現 ④ ２進数の減算 9 負の数 OFF ON コンピュータが使えるのは0, 1のみ マイナス記号は存在しない コンピュータにおける負の数の表現方法 ① 符号絶対値法 ② １の補数 ③ ２の補数 10 良いコンピュータを作るには？ 高速化・小型化・低コスト化 無駄を部分を可能な限り省く。 11 加減算回路の構成 A A B B 加算回路 A B 減算回路 12 加減算回路の構成（２の補数を利用） A A B B bit反転回路 加算回路 B ＋1 減算回路が要らない 小型化・低コスト化 13 P=0のとき A3A2A1A0 + B3B2B1B0 C3S3 S2 S1 S0 P=1のとき A3A2A1A0 − B3B2B1B0 S3 S2 S1 S0 bit反転 ＋1 加算回路 14 コンピュータにおける小数の表現 ① 2進数小数 → 10進数小数の変換 ② 10進数小数 → 2進数小数の変換 ③ 固定小数点数 ④ 浮動小数点数 15 小数（実数） OFF ON コンピュータが使えるのは0, 1のみ 小数点記号は存在しない コンピュータにおける小数の表現方法 ① 固定小数点数 ② 浮動小数点数 16 C言語の変数型 整数型（固定小数点数） 型名 ビット数 表現できる値の範囲 char 8 128∼127 short 16 32768∼32767 long int 32 2147483648∼2147483647 実数型（浮動小数点数） 型名 ビット数 仮数のビット数 指数の範囲 float 32 23 2の126∼127乗 double 64 52 2の1022∼1023乗 17 整数（固定小数点数）同士の計算 0011101 ＋ 0000110 0100011 そのまま加減算ができる。 計算処理が単純 ▶︎ 計算が速い 18 実数（浮動小数点数）同士の計算 5 ２ 1.1101 3 ＋ 1.1000 ２ 5 ２ 1.1101 5 ＋ 0.0110 ２ 5 10.0011 ２ 指数を同じにして 6 1.0001 ２ から計算する。 計算処理が複雑 ▶︎ 計算が遅い 19 固定小数点数 浮動小数点数 表現できる数値の 範囲が狭い 表現できる数値の 範囲が広い 計算が速い 計算が遅い 20 誤差問題 ① 丸め誤差 ② 情報落ち ③ 桁落ち 21 コンピュータにおける文字の表現 ① ASCIIコード ② JISコード ③ UNICODE 22 ASCIIコード 23 16bit JISコード 16bit 8bit 東京City 456C 357E 43 69 74 6F(16) El 5~ C i t y 文字化け 24 16bit JISコード 16bit 8bit 東京City 456C 357E 43 69 74 6F(16) 1B2442 1B284A 16bitコード開始 8bitコード開始 制御コード を埋め込む 25 16bit シフトJISコード 16bit 8bit 東京City 938C 8B9E 43 69 74 6F(16) 未 定 義 未 定 義 C i t y 26 課題1 •教科書29ページ 演習問題 •これまでの講義についての感想を書く。 どのような内容でも良い。 • 提出日時：10月11日（土） 講義開始前 • 大学専用のレポート用紙（A4）に書くこと。 • ホッチキスまたは糊で綴じること。 • 学生番号、氏名、講義名、提出日を書くこと。 • 計算の途中過程を書くこと。 27 演算回路の設計手順 ① 回路化したい計算式 ② 論理式 d=a+b S = A＋B C = A・B ③ 論理回路 ④ ディジタル回路 ※ 回路の一部 28 論理演算（ブール代数） ０と１しか使わない演算 ２進数との相性が良い。 ０ １ 変換ルール （論理積） ０ 29 論理演算（ブール代数） ０と１しか使わない演算 ２進数との相性が良い。 １ １ 変換ルール （論理積） １ 30 論理回路 ① 論理演算（ブール代数）の基礎 ② ブール代数の定理 ③ 論理式の簡単化 31 論理回路の作成手順 ① 真理値表の作成 ② 論理式の組み立て ③ 論理式の簡単化 ④ 論理回路への書き換え 32 デコーダ 2入力4出力デコーダ D0 D1 A0 入力 A1 符号化された データ D2 復号 出力 D3 元のデータ 33 マルチプレクサ 2入力1出力マルチプレクサ（イメージ図） A 入力 S Z 出力 B S＝0 のとき Z＝A S＝1 のとき Z＝B 34 カルノー図を用いた簡単化 加法標準形 真理値表 簡単化していない 論理式 ブール代数の公理 カルノー図 簡単化した 論理式 35 論理式の簡単化 真理値表 カルノー図 簡単化していない 論理式 簡単化した 論理式 36 課題2 •教科書52ページ 演習問題 1, 2, 3, 5, 6 •これまでの講義についての感想を書く。 • 提出日時：11月10日（月） 講義開始前 • 大学専用のレポート用紙（A4）に書くこと。 • ホッチキスまたは糊で綴じること。 • 学生番号、氏名、講義名、提出日を書くこと。 • 計算の途中過程を書くこと。 • 中間試験：11月17日（月） 37 順序回路 ① RSフリップフロップ ② JKフリップフロップ ③ Dフリップフロップ ④ Tフリップフロップ ⑤ フリップフロップの応用 38 フリップフロップのしくみ Reset 0 Set 0 A B A NOR B 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 Q 1 39 フリップフロップのしくみ Reset 0 Set 1 A B A NOR B 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 Q 0 40 フリップフロップのしくみ Reset 0 Set 0 A B A NOR B 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 Q 0 41 フリップフロップのしくみ Reset 1 Set 0 A B A NOR B 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 Q 1 42 フリップフロップのしくみ Reset 0 Set 0 A B A NOR B 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 Q 1 43 CPUの中の記憶装置 ① レジスタ ② シフトレジスタ ③ カウンタ ④ 基本記憶素子 44
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