コンピュータ構成要素の要点とまちがえやすい点（ITパスポート試験 論点テキスト）

このページの論点

テクノロジ系｜コンピュータシステム｜10論点・要点70本・まちがえやすい点42本・式3本

• プロセッサ
  • CPUの構成要素・バス・割込み・DMA
  • マルチコア・GPU・NPU・SoC
  • クロック周波数と処理性能の計算
• メモリ
  • RAM・ROMと半導体メモリの種類
  • 補助記憶装置の種類と特徴
  • 記憶階層とキャッシュメモリ
• 入出力デバイス
  • 有線の入出力インタフェース規格
  • 非接触通信・コード・eSIM
  • センサー・アクチュエーターと測位
  • IoT・CPS・ドローン・スマート農業

プロセッサ

CPUの構成要素・バス・割込み・DMA

CPUを構成する制御装置と演算装置、データバス、語長、内部割込み、DMAによるデータ転送、放熱部品を扱う。

要点

• CPUは、命令を解読して他の装置へ動作の指示を出す制御装置と、四則演算や論理演算を実行する演算装置を中心に構成される。
• データバスは、CPUと主記憶装置や周辺機器との間で、演算対象や処理結果となるデータそのものを伝送するための共通の経路である。
• 64ビットCPUの64ビットは、CPUが一度に処理できるデータの基本的な単位(語長、レジスタ幅)の大きさを表す。
• 内部割込みはプログラムの実行そのものが原因で生じるもので、ゼロ除算や桁あふれ(オーバーフロー)などが該当する。
• DMAは、CPUを介さずに周辺機器と主記憶が直接データをやり取りする方式であり、転送中はCPUを他の処理に使える。
• ヒートシンクは、発熱する部品に密着させて取り付け、フィン状の構造で表面積を広げて熱を空気中へ発散させる金属製の放熱部品である。

まちがえやすい点

• 主記憶装置はプログラムやデータを記憶する装置、入出力装置は入力・出力を担う装置であり、CPU内部で命令解読や演算を行う装置ではない。
• アドレスバスは格納場所(番地)を指定する経路、制御バスは制御信号を伝送する経路であり、データそのものを運ぶデータバスとは異なる。
• 入出力完了通知・電源異常・タイマなど、実行中のプログラム外の要因によるものは外部割込みに分類され、内部割込みとは発生原因が異なる。
• クロック周波数は動作速度、コア数は演算中核の個数を表す指標であり、一度に処理できるデータの大きさを表すビット数ではない。
• レギュレータは電圧を安定させる部品、コンデンサは電荷を蓄える部品、バリスタは回路を保護する部品であり、放熱を目的とするヒートシンクとは別である。

マルチコア・GPU・NPU・SoC

複数コアによる並列処理、GPUとGPGPU、AI推論用のNPU、複数機能を1チップに集積するSoCの違いを扱う。

要点

• マルチコアプロセッサは、1つのCPUパッケージ内に複数の演算コアを搭載し、複数の処理を並列に実行できるようにしたプロセッサである。
• GPGPUは、三次元グラフィックス処理用に開発されたGPUの高い並列演算能力を、科学技術計算やAIの学習処理などに応用する仕組みである。
• CPUは少数の高性能なコアで多様な処理を逐次的にこなし、GPUは多数のコアで単純な計算を並列に処理する。
• NPU(AIアクセラレータ)は、AIの推論を高速かつ低消費電力で処理する専用のプロセッサである。
• SoC(システムオンチップ)は、CPUやメモリ、GPUなど複数の機能を1つの半導体チップ上にまとめて集積した構成である。

まちがえやすい点

• シングルコアプロセッサはコアが1つのみで並列処理能力が限られ、複数のコアを持つマルチコアプロセッサとは別である。
• 命令の切替による見せかけの並行処理はマルチタスク、複数コンピュータの連携はクラスタの説明であり、物理的に並列処理を行うマルチコアとは異なる。
• ミドルウェアやファームウェアはソフトウェアの分類であり、GPUの並列演算能力を応用するGPGPUではない。
• ALUは演算を行う算術論理演算装置、DRAMは主記憶に使うメモリ、BIOSは起動時の初期化プログラムであり、AI処理専用のNPUとは別である。
• BIOSは起動時の初期化プログラム、デバイスドライバは周辺機器を制御するソフトウェアであり、チップの集積構成を指すSoCとは異なる。

クロック周波数と処理性能の計算

クロック周波数の意味、周波数と周期の換算、命令の実行時間からMIPSを求める計算、性能指標の関係を扱う。

要点

• クロック周波数は、CPU内部の同期を取るために1秒間に発生するクロック信号の回数を表す指標で、単位はHz(ヘルツ)である。
• 周期は周波数の逆数で求めるため、1GHzのCPUのクロック1回分の周期は、1÷10⁹＝10⁻⁹秒＝1ナノ秒である。
• GHzのGは10億(10⁹)を表す接頭語であり、3GHzは1秒間に3×10⁹＝30億回のクロックを発生させる。
• MIPSは百万命令を単位とし、1命令が2ナノ秒のCPUは1秒間に5億命令を実行できるため、500 MIPSとなる。
• クロック周波数は1秒あたりの動作回数を表し、コア数が増えると並行処理がしやすくなる。

まちがえやすい点

• 3億回は300MHz、300億回は30GHzに相当し、桁を取り違えると3GHzの30億回とは異なる値になる。
• 1マイクロ秒は1MHz、10ナノ秒は100MHz、0.1ナノ秒は10GHzに相当し、1GHzの周期である1ナノ秒とは異なる。
• 主記憶の容量を増やしても動作周波数は変わらず、増やして効くのは補助記憶への退避が減る点であり、周波数を上げる効果ではない。
• IPアドレスはネットワーク上の識別番号であり、処理速度の目安となるクロック周波数とは別である。

式

• クロックの周期周期＝1÷周波数1GHzなら1ナノ秒
• MIPSMIPS＝1秒間に実行できる命令数÷100万1命令2ナノ秒なら5億命令÷100万＝500 MIPS

メモリ

RAM・ROMと半導体メモリの種類

RAMとROMの揮発性の違い、DRAMとSRAMの特性、フラッシュメモリやEEPROMといった不揮発性メモリの特徴を扱う。

要点

• RAMは電源を切るとデータが消える揮発性の記憶装置で、プログラム実行時のデータを一時的に読み書きする主記憶として利用される。
• ROMは電源を切っても内容が保持される不揮発性の記憶装置で、機器の起動プログラムなど書き換えを頻繁に行わないデータの格納に使われる。
• DRAMはコンデンサに電荷を蓄えてデータを保持するため、定期的なリフレッシュ(再書き込み)が必要な揮発性メモリで、主記憶装置に広く用いられる。
• SRAMはフリップフロップで記憶するためリフレッシュが不要で高速だが、高価で大容量化しにくく、主にキャッシュメモリに使われる。
• NAND型フラッシュメモリはSSDやUSBメモリなどに広く採用されている不揮発性メモリで、書き込みはページ単位、消去はブロック単位で行う。
• EEPROMは電気的な信号によってデータの書き換えや消去が可能な不揮発性メモリで、機器の設定情報の保存などに利用される。
• DDR4 SDRAMは、DDR3の後継、DDR5の前の世代にあたり、パソコンやサーバの主記憶に使われる高速なメモリの規格。
• DIMMは、デスクトップパソコンやサーバーのスロットに装着する、複数のメモリチップを基板に載せた標準サイズのメモリモジュール。
• SO-DIMMは、ノートパソコンなどの小型機器向けに、標準サイズのDIMMより小さく作られたメモリモジュール。

まちがえやすい点

• リフレッシュが必要で安価・大容量なのはDRAM(主記憶用)であり、SRAMとは異なるが、どちらも電源を切ると内容が消える揮発性メモリである。
• SRAMはリフレッシュが不要でキャッシュメモリなどに使われる方式、フラッシュメモリは不揮発性の補助記憶向けメモリであり、DRAMとは特性が異なる。
• DRAMとSRAMは電源を切るとデータが消える揮発性メモリであり、不揮発性のNAND型フラッシュメモリではない。

補助記憶装置の種類と特徴

HDDとSSDの記録方式と性質の違い、補助記憶装置のデータ保持の特性を扱う。

要点

• HDDは磁性体を塗布した円盤(プラッタ)を高速回転させ、磁気ヘッドでデータを読み書きする、機械的な駆動部を持つ補助記憶装置である。
• SSDは半導体メモリを利用した補助記憶装置で、機械的な駆動部を持たないためHDDに比べて読み書きが高速で耐衝撃性にも優れる。
• 補助記憶装置には、電源を切ってもデータが保持される不揮発性の記憶媒体であるHDDやSSDが用いられ、長期保存に使われる。
• ブルーレイディスクは、青紫色のレーザーで記録・再生する、DVDより大容量の光ディスク。高画質映像の保存などに使われる。

まちがえやすい点

• SSDを電源を切るとデータが消える揮発性とする記述は誤りであり、揮発性なのは主記憶に使われるDRAMである。
• 主記憶装置(RAM)は電源を切ると内容が消える揮発性の記憶であり、不揮発性の補助記憶装置とは別である。
• 磁気テープや光ディスクはいずれも異なる記録方式を用いる記憶媒体であり、半導体メモリを使うSSDとは異なる。

記憶階層とキャッシュメモリ

レジスタ、キャッシュメモリ、主記憶、補助記憶の階層、キャッシュのヒット率と実効アクセス時間、仮想記憶を扱う。

要点

• レジスタはCPU内部に組み込まれた記憶回路で、演算対象データや途中結果を一時的に保持する、記憶階層の中で最も高速な記憶場所である。
• キャッシュメモリは、処理速度の速いCPUと低速な主記憶装置の間に置かれ、よく使うデータを一時的に保持して処理を高速化する。
• 仮想記憶は、主記憶の容量が不足する場合に、補助記憶装置の一部を一時的に主記憶の延長として利用し、見かけ上の記憶容量を拡張する技術である。
• 記憶階層では、CPUに近い装置ほどアクセス速度が速いが記憶容量は小さく、遠い補助記憶装置ほど速度は遅いが大容量かつ安価である。
• キャッシュヒット率は、必要なデータがキャッシュメモリの中に存在していた割合を表し、高いほど主記憶装置へのアクセスが減って処理性能が向上する。
• 実効アクセス時間は、ヒット率×キャッシュ時間＋(1−ヒット率)×主記憶時間で求める。
• 主記憶は実行中のプログラムやデータを保持する揮発性の記憶装置であり、CPUが直接読み書きする。

まちがえやすい点

• キャッシュメモリはレジスタよりは低速だが主記憶よりは高速という位置づけであり、最も高速なレジスタとは異なる。
• レジスタはCPU内部にありさらに高速だが容量はごくわずかである点で、主記憶との速度差を埋めるキャッシュメモリとは異なる。
• キャッシュメモリはCPUと主記憶の速度差を埋める仕組みであり、容量不足を補う仮想記憶とは目的が異なる。
• 主記憶(DRAM)は揮発性で電源を切ると内容が失われ、電源を切っても保持される補助記憶とは異なる。
• 補助記憶はSSDやハードディスクのように電源を切っても内容が残る装置であり、CPUとの速度差を埋める目的では用いない点で、キャッシュメモリとは異なる。

式

• 実効アクセス時間ヒット率×キャッシュ時間＋(1−ヒット率)×主記憶時間0.9×10＋0.1×100＝19ナノ秒

入出力デバイス

有線の入出力インタフェース規格

USB、HDMI、USB Power Delivery、Thunderboltといった接続規格の用途の違いを扱う。

要点

• USBは、キーボードやマウス、外付けストレージなど幅広い周辺機器の接続に使われる汎用のシリアルインタフェース規格である。
• HDMIは、映像信号と音声信号を1本のケーブルでまとめてデジタル伝送できる接続規格である。
• USB Power Deliveryは、USBケーブルを通じて機器間で最大数十〜100W超の大きな電力を供給できるようにする給電規格である。
• Thunderboltは、USB Type-Cコネクタと互換性を持ち、高速なデータ転送・映像出力・給電を1本のケーブルで兼ねることができる規格である。
• USBは機器を接続したまま抜き差しできるホットプラグとバスパワー給電に対応し、Bluetoothは近距離無線通信の規格である。
• DisplayPortは、VESAが策定した、映像・音声をデジタル信号で伝送する、パソコンとディスプレイなどの接続規格。
• アナログ RGBは、映像信号を赤・緑・青の成分に分け、アナログ信号として伝送する、パソコンとディスプレイの接続方式。
• DVIは、主にデジタルの映像信号を伝送する、パソコンとディスプレイ間の接続規格。音声は扱わない。

まちがえやすい点

• HDMIは主に映像・音声出力用、LANはネットワーク接続用であり、汎用の周辺機器接続に使われるUSBとは主目的が異なる。
• SATAは主に内蔵ストレージを接続する規格、PCI Expressは拡張カードなどを接続する内部バス規格であり、映像・音声伝送を主目的とするHDMIではない。
• BluetoothとNFCはデータ通信を主目的とする無線規格、PoEはLANケーブルを通じて電力を供給する規格であり、USBケーブルを介するUSB PDとは別である。
• HDMIは映像と音声を1本のケーブルで伝送するインタフェースであり、給電を担うUSB Power Deliveryとは異なる。

非接触通信・コード・eSIM

NFC、非接触型ICカード、RFID、QRコード、eSIMの仕組みと通信距離などの違いを扱う。

要点

• NFCは、数cm程度のごく近距離でICカードやスマートフォン同士がデータをやり取りする無線通信技術で、交通系ICカードや電子決済などに利用される。
• 非接触型ICカードは、内蔵アンテナを介してリーダーとの間で無線通信を行い、かざすだけで情報の読み書きができる方式である。
• RFIDは、微小な無線ICチップにデータを記録し、電波を用いて数cm〜数mの範囲で非接触にデータを読み書きできる電子タグの技術である。
• QRコードは縦横2方向(2次元)に情報を持たせることで、従来の1次元バーコードより多くの情報量を格納できる、日本企業が開発した2次元コードである。
• eSIMは端末に内蔵され、物理カードの差し替えなしに契約情報を書き換えて使えるSIMの方式である。
• IrDAは、赤外線を使って、機器どうしが近距離でデータを無線通信するための規格。

まちがえやすい点

• Wi-Fiや5Gはより広い範囲を対象とする無線通信方式であり、数cm程度の近距離で通信するNFCとは別である。
• 接触型ICカードはカード表面の金属端子をリーダーに接触させて通信する方式であり、かざすだけで通信する非接触型ICカードとは異なる。
• バーコードとQRコードは光学的に模様を読み取る方式で電波は使わず、電波による非接触通信を特徴とするRFIDではない。
• JANコードとISBNコードは数字を1次元のバーの組合せで表す1次元バーコードの規格であり、2次元コードであるQRコードとは別である。
• NFCは近距離無線通信、RFIDは電波による非接触データ読み書き、SSDは半導体の記憶装置であり、いずれも内蔵型SIMであるeSIMとは異なる。

センサー・アクチュエーターと測位

物理量を取得するセンサー、電気信号を動作に変えるアクチュエーター、各種センサーの用途、GPSによる測位を扱う。

要点

• センサーは、温度・湿度・光・加速度などの周囲の物理量を検知し、電気信号に変換して取得する装置の総称である。
• アクチュエータは、コンピュータが出力した電気信号を、モーターの回転や弁の開閉といった力学的な運動・物理的な動作に変換する装置である。
• 加速度センサは機器にかかる加速度を、ジャイロセンサは回転の角速度を検出し、画面表示の自動回転や手ぶれ補正などに利用される。
• LiDARは、レーザー光を対象物に照射し、反射して戻ってくるまでの時間などから対象物までの距離や周囲の立体的な形状を測定する技術である。
• 超音波センサは、人の耳に聞こえない高い周波数の音波を発して反射が戻るまでの時間を測り、対象までの距離を求めるセンサである。
• GPSは、複数の人工衛星から送信される電波を受信し、電波の到達時間差などから地球上における自分の現在位置を測定する仕組みである。
• 光学センサーは、光の強さや有無を検出して電気信号に変えるセンサー。画面の明るさの自動調整などに使われる。
• 赤外線センサーは、物体が出す赤外線や反射した赤外線を検出するセンサー。人の動きの感知や非接触での温度測定に使われる。
• 磁気センサーは、磁界の強さや向きを検出するセンサー。電子コンパスでの方位の判定などに使われる。
• 加速度センサーは、単位時間あたりの速度の変化（加速度）を検出するセンサー。端末の揺れや動きの大きさの検出などに使われる。
• ジャイロセンサーは、回転の速さを表す角速度を検出するセンサー。機器の回転や向きの変化を捉え、姿勢制御などに使われる。
• 超音波センサーは、人に聞こえない高い周波数の音波を発し、反射して戻るまでの時間から物体までの距離を測るセンサー。
• 温度センサーは、周囲や物体の温度を検出して電気信号に変えるセンサー。空調や機器の制御などに使われる。
• 湿度センサーは、空気中に含まれる水分の量（湿り具合）を検出するセンサー。加湿器や除湿機の自動制御などに使われる。
• 圧力センサーは、気体や液体、物体に加わる力の大きさを検出するセンサー。気圧や荷重の測定などに使われる。
• 煙センサーは、空気中に漂う煙の粒子を検出するセンサー。火災報知器などに使われ、火災の早期発見に役立つ。
• アクチュエーターは、電気信号などのエネルギーを、モーターやシリンダなどにより回転や直線の物理的な動きに変換する装置。

まちがえやすい点

• アクチュエータは電気信号を力学的な運動などに変換する装置であり、物理量を電気信号として取得するセンサーとは入力と出力の役割が逆になる。
• 温度センサは周囲の温度、照度センサは明るさ、気圧センサは大気圧を検出するセンサであり、傾きや回転を検出する加速度センサ・ジャイロセンサとは異なる。
• GNSSは人工衛星を用いた位置測定の技術、RFIDは電波でICタグの情報を読み取る技術であり、レーザー光で距離や形状を測るLiDARではない。
• 照度センサは周囲の明るさ、加速度センサは機器にかかる加速度を検出するものであり、音波の反射で距離を測る超音波センサとは別である。
• Wi-Fi測位は周辺のアクセスポイントの電波を利用する測位方式であり、人工衛星を用いるGPSとは仕組みが異なる。

IoT・CPS・ドローン・スマート農業

センサーで集めたデータを活用するCPS、ドローンの自律制御、ICTを使うスマート農業といったIoTの活用例を扱う。

要点

• スマート農業は、ドローンによる農薬散布やセンサーによる生育状況の把握など、ICTやロボット技術を活用して効率化・省力化を図る農業の形態である。
• 自律制御(自動運転)は、設定した飛行ルートや搭載センサーの情報をもとに、操縦者が逐一操作しなくても機体が自ら判断して飛行を継続する仕組みである。
• サイバーフィジカルシステム(CPS)は、現実世界のセンサーなどから集めたデータを仮想空間で分析・処理し、その結果を現実世界へフィードバックして活用する仕組みである。

まちがえやすい点

• 有機農業は化学肥料や農薬に頼らない栽培方法、露地栽培は屋外の畑で行う一般的な栽培方法であり、ICTやロボット技術の活用を主眼とするスマート農業とは観点が異なる。
• 目視外飛行の許可制度や操縦者ライセンス制度はドローンの運用に関する制度上の枠組みであり、機体が自ら判断して飛ぶ仕組みである自律制御ではない。
• エッジコンピューティングはデータ処理の一部をデータ発生源に近い場所で行う技術であり、現実と仮想空間の双方向の連携を表すCPSとは別である。

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出典と作り方

この読み物は、IPA「ITパスポート試験 シラバス Ver.6.5」の中分類の順に、アプリ「ITウカール」の収録問題の解説をもとにアプリ製薬が作成したものです。公式の文章の転載ではありません。問題文・選択肢は載せていません。

• ITパスポート試験 シラバス Ver.6.5（IPA）