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计算机理论入门02

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Tomoyuki Tarumi
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计算机理论入门２ 2012 年度後期 垂水共之 tarumi@ems.okayama-u.ac.jp 20121003
計算機から情報処理装置へ ? 日本語ワープロやゲームマシン（ PS3, Wii ）のように計 算（を主な仕事と）しない計算機が増えてきており、最 近は「計算機」と呼ぶより、「情報処理装置」と呼ばれ ることが多くなってきた。 – iPod は MP3 音楽ファイルの再生機。 – Kobo など「電子書籍端末」はテキストファイルの再生機。 – デジタルフォトフレームは jpeg 画像ファイルの再生機。
アルゴリズムとプログラム ? 人間は、「平均値を求めよ」と言われただけで「２つの 値の和をとり、それを２で割る」という手順を理解し、 それに従って実行する。 ? 計算機は自分で手順を考える能力が無い。このため、人 間が手順を考え、それを計算機に覚えこませて実行させ る。 ? この手順のことを「アルゴリズム」という。 ? それをある決められた規則（文法）に従って書いたもの が 「プログラム」である。
フローチャート（流れ図） ? アルゴリズム（処理手順）を図式に書き表したもの – （１）問題を設定し、解析し、プログラムを書く手順を決める 段階で、論理的手順をはっきりさせる。 – （２）細かい部分を正確に把握すると同時に、全体を把握する 。 – （３）プログラムの処理手順をはっきりと表現する。 ? 次の計算を考えてみよう。 「 a, b, c, a’, b’, c’ を入力して、次の連立方程式の解を求 める。 ax + by =c a’x+ b’y =c’ 　　　」
流れ図の例（连立方程 始まり 式） a,b,c,a’,b’,c’ ? 上から下へ 入力 D = a b’ － a’ b ? 始まり ? 入力 ≠ D= 0 ＝ ? 処理 ? 判断 x = ( c b’ － c’ b) / D y = ( a c’ － a’ c) / D a’ c = a c’ No ? 出力 Yes ? 終わり 不　定 不　能 結果の出力 終わり
フローチャートに使われる主な记号
プログラミングとは ? 処理したいことを、 計算機が実行（計算）できるように 計算機の言葉で、論理的に述べること ? 次のフェーズからなる – 問題の提起 – 解決方法の考案 – フローチャートの作成 – プログラムの作成 – デバッギング – 記　録
（電子）計算機 (Computer) と電卓 (Calculator) ? プログラム内蔵（記憶）方式　 Stored Program System ? 電卓と計算機の違い – プログラム自身を計算機 ( メモリ ) に記憶すること – 処理の高速化 ? von Neumann が提唱 ? 高級な「プログラマブル電卓」は電子計算機の範疇に入 る
プログラミング言語 ? 機械語 (machine language マシン語 ) ? アセンブラ言語 (Assembler language) ? 高級言語 ? ４ GL 　第 4 世代言語 ? スクリプト言語
機械語 ? 計算機は高速に演算を処理するが，一時点をとれば一つ の操作しかしていない。 ? 計算機の理解できる基本的な操作を「命令」 (operation) とか、「機械語」とか言う。 ? 「機械語」は計算機の機種（正確にはＣＰＵ）ごとに異 なっており，どのような操作ができるかは個々の機種に ついて調査しなければならない。 ? プログラムはこの基本的な命令の一連の並びで作られ， ? 計算機は記憶している命令を上から順に実行していく （逐次制御　 automatic sequential control ）だけである。
機械語の例 ? Ａ＋Ｂ　を求め結果を　Ｃ　に格納する． – 　　［１］　　１１００ | ０１ | ００ | ０００００００１ – 　　［２］　　１０１０ | ０１ | ００ | ００００００１０ い – 　　［３］　　１１０１ |く | ００ | ００００００１１ に ０１ え 覚 読み にくい 直し！ ら覚え – 頭の４ビット　命令を区別する わった U ) が変 次の 2 ビット　 4 本の算盤（レジスタ）のうち、どの算盤を使 械 (CP – うか 機 – [1] 　レジスタ register に後の方で指定された場所の値をもって くる。 – [2] 　現在そろばんに置かれている値に後の方で指定された場所 の値をもってきて加える。（Ａ＋Ｂの値が求まる。） – [3] 　そろばんに置かれている値（Ａ＋Ｂの値）を後の方で指定 された場所に格納する。
アセンブラ言語 (Assembler language) ? ０，１の組合せの暗号の機械語を人間が憶えることは至 難の業である。このため，人間が憶えやすい言葉で書く ための言語として「アセンブラ言語」がある。アセンブ ラ言語は命令のパタ－ンを憶えやすい記号（ニモニック 　 mnemonic ）で表現できる。 ? アセンブラ言語の例 ? Ａ＋Ｂ　を求め結果を　Ｃ　に格納する． – 　　　　　　　　　ＬＤ １，Ａ – 　　　　　　　　　ＡＤＤ １，Ｂ – 　　　　　　　　　ＳＴ １，Ｃ
アセンブラーとアセンブリング ? アセンブラ言語で記述したプログラムは「アセンブラ」 と呼ばれる特別のプログラムが例１の機械語に変換して くれる。 ? この変換を「アセンブリング」という。 ? アセンブラ言語のニモニックは機械語と１対１に対応し ており，機種（正確にはアセンブラ）によって異なる点 は機械語と同じである。 ? 同じ機種に複数のアセンブラ言語がある場合もある。 – あるアセンブラでは load をＬＤと書くし、 – 別のアセンブラではＬＯＡＤと書くものもある。 アセンブラ LD 　 1,A 1100010000000001 Load, 　 Store を区別 せずに MV Move アセンブリング で表すものもある。
高級言語 ? アセンブラ言語の機種依存性から脱却し，より日常用い る言葉，数式に近い形でプログラムが記述できる言語と して下記のような高級言語が開発されている。 ? ＦＯＲＴＲＡＮ　 Formula Translation ? ＣＯＢＯＬ　　　 Common Business Oriented Language ? ＡＬＧＯＬ　　　 Algorithmic Language ? ＰＬ／Ｉ　　　　 Programming Language One ? ＢＡＳＩＣ　　　 Beginner's All Purpose Symbolic Instruction Code ? ＡＰＬ　　　　　 A Programming Language ? ＰＡＳＣＡＬ　　　（フランスの科学者パスカルの名前 より命名） ? Ｃ ？　（ BCPL 　→　 B 　→　 C ）
コンパイラーとコンパイリング ? 高級言語で書かれたプログラムは、「コンパイ ラー」 compiler と呼ばれる特別のプログラムが、機械語 に変換（翻訳、コンパイル）される。 ? この変換、翻訳することを「コンパイリング」という。 1100010000000001 1010010000000010 コンパイラ C=A+B 1101010000000011 コンパイリング （翻訳） 「高級言語」　で書かれた 1 行の命令は、複数の機械語へ変換される。
レジスター ? スーパーやコンビニの「レジ係」とは「レジスタ＝金銭 登録機」を操作し、会計をする人のことであるのは衆知 の通りである。 ? 計算機も「計算」はレジスタを使って行う。計算機では 「レジスタ＝算盤」と思えばよい。 ? 人間が操作できる算盤や、電卓は１本に限られるが、現 在の計算機は電卓と異なり、レジスタ（算盤）を複数 （８本ないし１６本）持っているものが多い。 ? このためＡ＋Ｂの計算をどのレジスタを使って行うか陽 に指示しなければならない。 ? 計算機の世界では番号を０から付けることが多く、レジ スタ０からレジスタｐまでの（ｐ＋１）本のレジスタが ある。このレジスタ番号を表しているのが機械後の第２ フィールド、アセンブラ言語のオペランドの第１フィー ルドである。
Load 　と　 Store ? レジスタが１６本あっても全 体の計算ではたかがしれてお り、これだけで計算できるわ けではなく、中間結果や計算 に用いる値をメモリに記憶す る必要がある。 ? メモリは５１２ＭＢ～８ＧＢ 程度を持っている。 ? ＬＯＡＤ　　メモリの値をレジ スタへ ? ＳＴＯＲＥ　レジスタの値をメ モリへ
両手の指でいくつまで数えられる？（闲话休 題） ? 両手の１０本の指を使っていくつまで数えられるだろう か？　１つずつ指を折っていき、１０までというのが普 通だが、「２」の時に親指、人差し指の両方を折る必要 もなかろう。人差し指だけ折っていれば十分である。で は「３」の時は？ ? 中指だけを折るか、それとも「１　親指」と「２　人差 し指」の２本を折るか？これが２進数である。左の親指 、人差し指、中指、薬指、小指を順に１（＝２０）、２ （＝２１）、４（＝２２）、８（＝２３）、１６（＝２４） とし、折っている指の数を加えた値を表している。 ( Ｎ ＨＫ　パソコン実践セミナー　４月／５月　Ｐ２９，図４－４より )
コンパイラとインタプリタ ? コンパイラ compiler – 高級言語等で書かれたプログラムは、まとめて機械語に翻訳し 、翻訳された機械語を一気に実行する。 ? インタプリタ　 interpreter – インタプリタ言語で書かれたプログラムを順次翻訳し、実行す る。 – 例： BASIC ? スクリプト script – 簡単な処理（テキスト処理が多い）を簡単に記述できるように したスクリプト言語で書かれたプログラムを順次解釈して処理 する。 – インタプリタ言語と基本的な動きは同じであるが、簡単なもの をいうことが多い。 – 例： perl, ruby, python, awk, sed
練習問題 ? ニモニックとは何か説明しなさい。 ? 高級言語とアセンブラ言語の違いは何か。 ? 高級言語を数個例示し、その特徴を述べよ。 ? レジスタを説明しなさい。 ? 両手の指でいくつまで数えられるか？

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  • 5. 流れ図の例（连立方程 始まり 式） a,b,c,a’,b’,c’ ? 上から下へ 入力 D = a b’ － a’ b ? 始まり ? 入力 ≠ D= 0 ＝ ? 処理 ? 判断 x = ( c b’ － c’ b) / D y = ( a c’ － a’ c) / D a’ c = a c’ No ? 出力 Yes ? 終わり 不　定 不　能 結果の出力 終わり
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  • 9. プログラミング言語 ? 機械語 (machine language マシン語 ) ? アセンブラ言語 (Assembler language) ? 高級言語 ? ４ GL 　第 4 世代言語 ? スクリプト言語
  • 10. 機械語 ? 計算機は高速に演算を処理するが，一時点をとれば一つ の操作しかしていない。 ? 計算機の理解できる基本的な操作を「命令」 (operation) とか、「機械語」とか言う。 ? 「機械語」は計算機の機種（正確にはＣＰＵ）ごとに異 なっており，どのような操作ができるかは個々の機種に ついて調査しなければならない。 ? プログラムはこの基本的な命令の一連の並びで作られ， ? 計算機は記憶している命令を上から順に実行していく （逐次制御　 automatic sequential control ）だけである。
  • 11. 機械語の例 ? Ａ＋Ｂ　を求め結果を　Ｃ　に格納する． – 　　［１］　　１１００ | ０１ | ００ | ０００００００１ – 　　［２］　　１０１０ | ０１ | ００ | ００００００１０ い – 　　［３］　　１１０１ |く | ００ | ００００００１１ に ０１ え 覚 読み にくい 直し！ ら覚え – 頭の４ビット　命令を区別する わった U ) が変 次の 2 ビット　 4 本の算盤（レジスタ）のうち、どの算盤を使 械 (CP – うか 機 – [1] 　レジスタ register に後の方で指定された場所の値をもって くる。 – [2] 　現在そろばんに置かれている値に後の方で指定された場所 の値をもってきて加える。（Ａ＋Ｂの値が求まる。） – [3] 　そろばんに置かれている値（Ａ＋Ｂの値）を後の方で指定 された場所に格納する。
  • 12. アセンブラ言語 (Assembler language) ? ０，１の組合せの暗号の機械語を人間が憶えることは至 難の業である。このため，人間が憶えやすい言葉で書く ための言語として「アセンブラ言語」がある。アセンブ ラ言語は命令のパタ－ンを憶えやすい記号（ニモニック 　 mnemonic ）で表現できる。 ? アセンブラ言語の例 ? Ａ＋Ｂ　を求め結果を　Ｃ　に格納する． – 　　　　　　　　　ＬＤ １，Ａ – 　　　　　　　　　ＡＤＤ １，Ｂ – 　　　　　　　　　ＳＴ １，Ｃ
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  • 14. 高級言語 ? アセンブラ言語の機種依存性から脱却し，より日常用い る言葉，数式に近い形でプログラムが記述できる言語と して下記のような高級言語が開発されている。 ? ＦＯＲＴＲＡＮ　 Formula Translation ? ＣＯＢＯＬ　　　 Common Business Oriented Language ? ＡＬＧＯＬ　　　 Algorithmic Language ? ＰＬ／Ｉ　　　　 Programming Language One ? ＢＡＳＩＣ　　　 Beginner's All Purpose Symbolic Instruction Code ? ＡＰＬ　　　　　 A Programming Language ? ＰＡＳＣＡＬ　　　（フランスの科学者パスカルの名前 より命名） ? Ｃ ？　（ BCPL 　→　 B 　→　 C ）
  • 15. コンパイラーとコンパイリング ? 高級言語で書かれたプログラムは、「コンパイ ラー」 compiler と呼ばれる特別のプログラムが、機械語 に変換（翻訳、コンパイル）される。 ? この変換、翻訳することを「コンパイリング」という。 1100010000000001 1010010000000010 コンパイラ C=A+B 1101010000000011 コンパイリング （翻訳） 「高級言語」　で書かれた 1 行の命令は、複数の機械語へ変換される。
  • 16. レジスター ? スーパーやコンビニの「レジ係」とは「レジスタ＝金銭 登録機」を操作し、会計をする人のことであるのは衆知 の通りである。 ? 計算機も「計算」はレジスタを使って行う。計算機では 「レジスタ＝算盤」と思えばよい。 ? 人間が操作できる算盤や、電卓は１本に限られるが、現 在の計算機は電卓と異なり、レジスタ（算盤）を複数 （８本ないし１６本）持っているものが多い。 ? このためＡ＋Ｂの計算をどのレジスタを使って行うか陽 に指示しなければならない。 ? 計算機の世界では番号を０から付けることが多く、レジ スタ０からレジスタｐまでの（ｐ＋１）本のレジスタが ある。このレジスタ番号を表しているのが機械後の第２ フィールド、アセンブラ言語のオペランドの第１フィー ルドである。
  • 17. Load 　と　 Store ? レジスタが１６本あっても全 体の計算ではたかがしれてお り、これだけで計算できるわ けではなく、中間結果や計算 に用いる値をメモリに記憶す る必要がある。 ? メモリは５１２ＭＢ～８ＧＢ 程度を持っている。 ? ＬＯＡＤ　　メモリの値をレジ スタへ ? ＳＴＯＲＥ　レジスタの値をメ モリへ
  • 18. 両手の指でいくつまで数えられる？（闲话休 題） ? 両手の１０本の指を使っていくつまで数えられるだろう か？　１つずつ指を折っていき、１０までというのが普 通だが、「２」の時に親指、人差し指の両方を折る必要 もなかろう。人差し指だけ折っていれば十分である。で は「３」の時は？ ? 中指だけを折るか、それとも「１　親指」と「２　人差 し指」の２本を折るか？これが２進数である。左の親指 、人差し指、中指、薬指、小指を順に１（＝２０）、２ （＝２１）、４（＝２２）、８（＝２３）、１６（＝２４） とし、折っている指の数を加えた値を表している。 ( Ｎ ＨＫ　パソコン実践セミナー　４月／５月　Ｐ２９，図４－４より )
  • 19. コンパイラとインタプリタ ? コンパイラ compiler – 高級言語等で書かれたプログラムは、まとめて機械語に翻訳し 、翻訳された機械語を一気に実行する。 ? インタプリタ　 interpreter – インタプリタ言語で書かれたプログラムを順次翻訳し、実行す る。 – 例： BASIC ? スクリプト script – 簡単な処理（テキスト処理が多い）を簡単に記述できるように したスクリプト言語で書かれたプログラムを順次解釈して処理 する。 – インタプリタ言語と基本的な動きは同じであるが、簡単なもの をいうことが多い。 – 例： perl, ruby, python, awk, sed
  • 20. 練習問題 ? ニモニックとは何か説明しなさい。 ? 高級言語とアセンブラ言語の違いは何か。 ? 高級言語を数個例示し、その特徴を述べよ。 ? レジスタを説明しなさい。 ? 両手の指でいくつまで数えられるか？