カテゴリ:ハードウェア
ド・モルガンの法則
論理演算での法則として「ド・モルガンの法則」があります。
A猫好き B犬好き としたとき、{( A と B どちらかでもあてはまる人 )ではない人 }は、{( Aではない人 )と( Bではない人 )どちらもあてはまる人 }と同じ人たちを指すことになります。※図上段の関係式
もう一つの関係式として、{(猫犬どっちも好き)ではない人 }と{猫好きではない人 と 犬好きではない人 どちらかでもあてはまる人 }は同じことになります。※図下段の関係式
コンピュータの分野では様々な論理関係式が回路設計上の簡略化にも活用されます。
ホットスワップ
USBメモリなど、わざわざ本体電源を切らなくても付けたり外したりできると思います。電源を入れたまま、本体が起動状態で機器の脱着ができることをいいます。(ホットプラグとも称される)
機器のメンテナンスで部品を交換したい場合、多くの人が利用するサーバは常に使えているほうがよいので、個人向けのパソコンより様々な部分(電源部分など)がホットスワップに対応していることがあります。
DRAM
コンピュータのメインメモリとして、スマホも含めて製品仕様表などに「メモリ:〇〇GB」と記載されているメモリの種類になります。
Dynamic Random Access Memory の略で、特徴としては、構造にコンデンサを用いているのでデータを保持するために通電させておくだけでなく、常にリフレッシュ動作が必要になります。通電させておけば保持していられるSRAMもありますがDRAMは比較的安価に大容量化できます。
人間の記憶も、一度見てずっと覚えていることは少ないと思います。しっかり覚えておくためにはDRAMのように何度も繰り返していきましょう。
揮発性と不揮発性
アルコールなどすぐ蒸発して揮発性が高いといいますね。でもコンピュータ分野では記憶装置であるメモリに関する用語になります。
通電していないとデータが消える揮発性メモリ(DRAMやSRAMなど)と、電源が切れてもデータが消えない不揮発性メモリ(EEPROMやフラッシュメモリなど)があります。CPUなど処理の中枢に近い部分には揮発性メモリが、所謂USBメモリなど保管したり持ち歩いたりするものは不揮発性メモリが現在使われています。
排他的論理和の活用
排他的論理和(Exclusive OR)は入力の0・1の組み合わせが異なるときに1を出力します。見方をかえると、入力の片方が0なら一方の信号をスルー、片方が1ならもう一方の信号を反転します。
常に反転するNOTと違い、必要なときだけ反転させたりビット列の特定部分だけを反転できます。電子素子でも実装できるので高速な処理やプログラミングの演算としても四則演算とは異なる結果が得られるので様々な活用が考えられます。実際には通信データの誤り検出などに使われています。
LCD
液晶ディスプレイ(Licuid Cryctal Display)のことです。見かけなくなったプラズマ形式やブラウン管でもなく、素子が発光する有機ELでもなく、バックライトに対して液晶の電気特性の偏光を活用して表示する装置全般のことを指します。
もともとはイカの内臓物質から応用されたとも(そうではないという書籍もあると)言われていますが、何が応用できるか試行錯誤の上に実を結び、2020現在最も多く利用されている表示装置です。
たたいて直る?
最近は、家電製品の調子が悪いときに「たたくと直る」ことは少なくなったような気がしますが、まだ慣れていない生徒の製作物はたたくと動作が変わることがよくあります。基本的にこれはすべてはんだ付け不良によるものです。
よいはんだ付けのためには、汚れや錆に気をつけて接合部が馴染むための十分な熱しが重要です。
(※はんだ作業のときは安全のため眼鏡かゴーグルをしていることが望ましいです)
MTTF
ものが故障するまで正常に使えている時間をMTTF(Mean Time To Failure)と呼び、「故障までの稼働時間の合計÷故障件数」で算出できます。 例:故障3件、稼働時間各120時間、100時間、140時間 ならば MTTFは120時間となります。
電球などの製品に寿命として示される時間はそれぞれ算出方法も異なり、さらに実際には電球スタンドなどに組み込まれて使用されるので他の箇所の故障も考えられ、指標としてもあいまいになりがちです。
基本情報処理技術者試験等ではMTTR:平均修理時間、MTBF:正常稼動から故障までの平均故障間隔 が主に用いられ、システムの稼働率を求めます。
マザーボード
パソコンはCPUやメモリ、各種ドライブ、拡張カード、電源、入出力装置で構成されます。各種装置はマザーボード(メインボードまたはロジックボードとも呼ぶ)のスロットやソケット、コネクタに接続されます。最近はCPUが直接制御する部分も出てきましたが、多くの場合マザーボード上の「チップセット」が装置間の管理・制御をしています。
形状は違えど、ノートパソコンやスマホも同様の仕組みです。
命令とオペランド
コンピュータの処理を司るCPUでは、常に様々な命令が実行されています。
CPU ← プログラム
基本的にはCPUの種類ごとに命令の内容は異なりますが、どのような処理や制御をさせるかという「命令」と、どんなデータを指定するかという「オペランド」がセットで構成されます。
オペランドは基本的にCPUが高速にアクセスできるレジスタか、多くの作業データを置けるメインメモリのアドレスになります。
論理回路(基本論理回路)
実現させたい機能などを、実際の電子回路の設計のために0/1のような論理的動作で考えることができます。
入力がすべて1のとき1を出力するAND回路
入力がひとつでも1のとき1を出力するOR回路
入力が1なら0、0なら1を出力するNOT回路
論理的には上記3つを組み合わせたNAND,NOR,EXORがあります。
たとえば異なるデータを切り替えたい場合、次のように論理回路を組み合わせることで実現できることが考えられます。(論理回路に付く白丸はNOTの意味)さらに電子部品や電気的な事象を勘案して製作に至ります。
RAID(レイド)
RAID(Redundant Array of Independent Disk)は複数の記憶媒体を用いて、基本的にはディスクの故障に対してもデータを守るための仕組みです。※もともとのⅠは「Inexpensive」のⅠです。
RAIDは仕組みによりレベル番号がついています。データを2つの記憶媒体どちらにも同じく書き込むミラーリング。データを複数の記憶媒体に分けて並列で読書きするストライピング。データ復元のためのパリティ算出。これらが組み合わされて実現されてます。
例えばRAID-5は3台以上のディスクで構成され、ストライピングとパリティを組み合わせて1台の故障ならデータが守られます。※ストライピングのみのRAID-0は故障率も上がり、データを守れません。
家庭用コンセントは何ボルト
家電や充電器などをつなげて日々使っていると思いますが、家庭用コンセントはどんな電源でしょうか。さらに直接機器にセットする乾電池はどんな電源ですか。
スマホをはじめコンピュータの電子回路は基本的に数[V]の一定電圧で動作します。
直流・交流、電圧が異なる電源で動作させるためにはどうしたらよいか、詳しくは工業技術基礎の教科書を見てみましょう。
進数変換の基本的な考え方(小数)
コンピュータは電気的なON/OFFで動くため、1/0で数を表す2進数が基本となります。
2の乗数の組み合わせで表すので、小数も2進数で表現できます。小数点以下の場合は、2分の1(2の-1乗)、4分の1(2の-2乗)、8分の1(2の-3乗)・・・といった重みの値になります。
では、2進数の(101.0101)は10進数ではいくつでしょう。
進数変換の基本的な考え方
コンピュータは電気的なON/OFFで動くため、1/0で数を表す2進数が基本となります。
2の乗数の組み合わせで表すので、実際には1(2の0乗)から始まり、2(2の1乗)、4(2の2乗)、8(2の3乗)・・・という値の組み合わせになります。
では10進数の100(ひゃく)は2進数で表すとどうなるでしょう。
DVD
映像などの記録媒体としてDVDを見かけますが、DVDは Digital Versatile Disc の略です。
VideoのVでは無く、多目的に使える円盤媒体という意味です。
フリップフロップ
電気的に記憶する仕組みの一つとして、フリップフロップがあります。
通電している間は、状態を保持したり変更できたりするので
コンピュータが動作するための重要な要素でもあります。
配線の色
+5[V]などのプラス側は赤、対して0[V](電池でいうマイナス側)は黒、それ以外の箇所は赤黒を使わない・・・など
電源ラインを明確にしたり、信号の意味を分けて把握しやすくするためにも色分けは重要です。
(100[V]以上では明確な色分けがあり、配色も異なるので注意。)
電力[W]ワット,電圧[V]ボルト,電流[A]アンペア
電圧、電流との関係は 電力[W] = 電圧[V] × 電流[A] になります。
家庭用コンセントは交流100[V]なので、電流としては合計15[A]の範囲で使ってくださいということです。
たとえば部屋全体で、30[A]の許容量があっても一箇所からタコ足配線すると危険になります。熱を持ったり、動作しなくなってしまうので、電力にも気を払いましょう。
しきい値
10の乗数を表すSI接頭辞
ちなみに新聞(日経新聞)は1日約15万文字らしいです
アクチュエータ
周波数とコンピュータの処理能力
トランジスタのスイッチ特性
スイッチ特性は、ベース電流のON/OFFで、コレクタとエミッタ間をON/OFFするように利用することができます。
電気で電気の流れを決められるので、センサと合わせて自動にすることにも使えます。
2進数
2進数は0(ゼロ)と1(いち)だけで値を表現します。たとえば、1は1、2は2進数では「10」です。
コンピュータは、電気的なON/OFFで動いているので、2進数の考え方があります。
→ 2進数で 11011010 とすると、10進数では218