1-1. コンピュータアーキテクチャ

このセクションで学ぶこと

コンピュータを構成する主要部品の役割
2進数・16進数と文字コードの仕組み
ビット演算・シフト演算の仕組みと使いどころ
OSがどのような役割を果たしているか

1. コンピュータの主要部品

コンピュータは大きく以下の部品で構成されている。

┌─────────────────────────────────────────┐
│                コンピュータ              │
│                                         │
│  ┌──────┐   ┌──────┐   ┌────────────┐  │
│  │ CPU  │──▶│メモリ│   │ストレージ   │  │
│  └──────┘   └──────┘   └────────────┘  │
│      │           │            │         │
│      └───────────┴────────────┘         │
│                  │                      │
│             バス（Bus）                 │
└─────────────────────────────────────────┘

CPU（Central Processing Unit）

プログラムの命令を実際に実行する「頭脳」にあたる部品。

役割：計算・判断・制御
クロック周波数：1秒間に何回クロックを刻むかを示す（例：3GHz = 30億回/秒）
コア数：複数のコアがあると複数の処理を同時に行える（マルチコア）

CPUが行う基本動作は以下の3ステップの繰り返し。

フェッチ（Fetch）  → 命令をメモリから取り出す
デコード（Decode） → 命令を解読する
実行（Execute）    → 命令を実行する

メモリ（RAM: Random Access Memory）

プログラムが実行中に使うデータを一時的に保存する場所。

特徴：高速だが、電源を切るとデータが消える（揮発性）
役割：実行中のプログラムやデータを保持する
容量の例：8GB、16GB、32GBなど

メモリのイメージ（各マスに1バイトのデータが入る）

アドレス  データ
0x0000   01001000  ← 'H'
0x0001   01100101  ← 'e'
0x0002   01101100  ← 'l'
0x0003   01101100  ← 'l'
0x0004   01101111  ← 'o'

ストレージ（HDD / SSD）

データを永続的に保存する場所。

種類	特徴	速度
HDD	磁気ディスクに記録。大容量・安価	遅い
SSD	フラッシュメモリに記録。衝撃に強い	速い

電源を切ってもデータが消えない（不揮発性）
プログラムの実行時はストレージ → メモリへ読み込まれる

速度の比較

CPU レジスタ  : ~0.3 ns  （最速）
CPU キャッシュ: ~1-10 ns
メモリ(RAM)  : ~100 ns
SSD          : ~0.1 ms
HDD          : ~10 ms    （最遅）

プログラムが遅い場合、多くはメモリやディスクへのアクセスがボトルネックになっている。

2. 2進数・16進数

コンピュータは電気信号の「オン（1）」と「オフ（0）」しか扱えない。そのため、すべてのデータは 2進数（Binary） で表される。

2進数とは

10進数	2進数
0	0000
1	0001
2	0010
3	0011
4	0100
5	0101
8	1000
15	1111

変換の考え方（10進数 → 2進数）

13 ÷ 2 = 6 余り 1
 6 ÷ 2 = 3 余り 0
 3 ÷ 2 = 1 余り 1
 1 ÷ 2 = 0 余り 1

余りを下から読む → 1101  ✓（13 = 1101₂）

データの単位

単位	読み方	大きさ
bit	ビット	0か1の1桁
Byte	バイト	8 bit
KB	キロバイト	1,024 Byte
MB	メガバイト	1,024 KB
GB	ギガバイト	1,024 MB
TB	テラバイト	1,024 GB

16進数（Hexadecimal）

2進数は桁数が多くなり読みにくいため、プログラミングでは 16進数 がよく使われる。

0〜9, A〜F の16種類の文字を使う（A=10, B=11, ... F=15）

2進数   : 1111 1111
10進数  : 255
16進数  : FF  （プログラムでは 0xFF と書く）

2進数	16進数	10進数
0000	0	0
0001	1	1
0010	2	2
0011	3	3
0100	4	4
0101	5	5
0110	6	6
0111	7	7
1000	8	8
1001	9	9
1010	A	10
1011	B	11
1100	C	12
1101	D	13
1110	E	14
1111	F	15

なぜ16進数が便利か？ 4ビット = 16進数1桁に対応するため、変換が簡単。

3. ビット演算・シフト演算

2進数のビット1本1本を直接操作する演算を ビット演算 という。 CPUが直接サポートしており、非常に高速に処理できる。

ビット演算の種類

演算子	名前	意味
`&`	AND	両方が1のときだけ1
`\|`	OR	どちらか一方が1なら1
`^`	XOR	どちらか一方だけが1なら1（排他的論理和）
`~`	NOT	0と1を反転

AND（`&`）

対応するビットが両方とも1のとき、結果が1になる。

  1100   (12)
& 1010   (10)
----------
  1000   ( 8)

使いどころ：ビットマスク（特定のビットだけ取り出す）

value    = 10110111  (183)
mask     = 00001111  ( 15) ← 下4ビットだけ抽出したい
---------
結果     = 00000111  (  7) ← 下4ビットが取れた

OR（`|`）

対応するビットのどちらか一方が1なら結果が1になる。

  1100   (12)
| 1010   (10)
----------
  1110   (14)

使いどころ：特定のビットを立てる（フラグをセットする）

flags  = 00000000
flag_B = 00000010  ← Bビットを立てたい
-------
結果   = 00000010  ← Bビットが1になった

XOR（`^`）

対応するビットが異なるときだけ1になる（同じなら0）。

  1100   (12)
^ 1010   (10)
----------
  0110   ( 6)

使いどころ：差分検出・暗号化・ビットの反転

// 同じ値でXORすると0になる → 差分がなければ0
a ^ a === 0  // true
// 0でXORすると元の値に戻る
a ^ 0 === a  // true

NOT（`~`）

全ビットを反転する。

8ビット幅で考えると：
~00001111  →  11110000  （= 240）

注意（JavaScript の場合） JavaScript では整数は32ビットとして扱われるため、~00001111 は -16 になる。 NOT を使う場合はビット幅を意識して AND マスクで必要な桁だけを取り出すのが一般的。

シフト演算

ビット列を左または右にずらす演算。

演算子	名前	意味
`<<`	左シフト	ビットを左にずらす。右端に0を補う
`>>`	右シフト	ビットを右にずらす。左端は符号ビットを補う

左シフト（`<<`）

ビットを左に n 個ずらす = 2ⁿ 倍 と同じ効果。

00000001 (1)
<< 3
-----------
00001000 (8)   ← 1 × 2³ = 8

const x = 1;
x << 3;  // → 8  （1 × 2³）
x << 4;  // → 16 （1 × 2⁴）

右シフト（`>>`）

ビットを右に n 個ずらす = 2ⁿ で割る（切り捨て）と同じ効果。

00001000 (8)
>> 2
-----------
00000010 (2)   ← 8 ÷ 2² = 2

const x = 20;
x >> 1;  // → 10 （20 ÷ 2）
x >> 2;  // → 5  （20 ÷ 4）

なぜシフト演算を使うのか？ 掛け算・割り算よりも CPU の命令数が少なく高速。組み込みシステムやパフォーマンスが重要な処理でよく使われる。

ビット演算の実用例

権限フラグ管理（ファイルのパーミッションなど）

READ    = 100  (4)
WRITE   = 010  (2)
EXECUTE = 001  (1)

// READ と WRITE を付与する
permission = READ | WRITE  → 110 (6)

// WRITE 権限があるか確認する
has_write = permission & WRITE  → 010 (2) → 0以外なので「あり」

4. 文字コード

コンピュータは文字も数値として扱う。「どの数値がどの文字か」を定めた規則が 文字コード。

ASCII（アスキー）

最初に普及した文字コード。128種類の文字を0〜127の数値で表す。

'A' → 65
'B' → 66
'a' → 97
'0' → 48
' ' → 32（スペース）

UTF-8

日本語を含む世界中の文字を扱える文字コード。Webや多くのシステムで標準。

'A'  → 0x41         （1バイト）
'あ' → 0xE3 0x81 0x82（3バイト）
'😀' → 0xF0 0x9F 0x98 0x80（4バイト）

なぜ文字化けが起きるのか？ 送り側と受け側で文字コードが異なる場合、「この数値はどの文字か」の解釈がずれるため文字化けが発生する。

5. OS（オペレーティングシステム）の役割

OSは、ハードウェアとアプリケーションの間に立つソフトウェア。

┌────────────────────────┐
│   アプリケーション      │ ← ブラウザ、エディタなど
├────────────────────────┤
│   OS（オペレーティング  │ ← Windows、macOS、Linux
│     システム）          │
├────────────────────────┤
│   ハードウェア          │ ← CPU、メモリ、ストレージ
└────────────────────────┘

OSの主な役割

プロセス管理 複数のアプリを同時に動かせるよう、CPUの使用時間を切り替えながら管理する。

メモリ管理 各プログラムに必要なメモリを割り当て、互いに干渉しないよう管理する。

ファイルシステム ストレージ上のデータを「ファイル」「ディレクトリ（フォルダ）」という形で管理する。

デバイス管理 キーボード・マウス・プリンタなどの周辺機器を制御する。

セキュリティ・権限管理 ユーザーごとにアクセス権を管理し、不正なアクセスを防ぐ。

まとめ

キーワード	説明
CPU	命令を実行する処理装置
メモリ（RAM）	実行中データの一時保存場所（揮発性）
ストレージ	データの永続保存場所（不揮発性）
2進数	コンピュータが扱う0と1の数値体系
バイト	8ビット。データ量の基本単位
ビット演算（AND/OR/XOR/NOT）	ビット単位で直接操作する演算
シフト演算（<< / >>）	ビットを左右にずらす演算。2の累乗の乗除と等価
UTF-8	現在最も広く使われる文字コード
OS	ハードウェアとアプリの橋渡し役

次のステップ

演習問題に取り組んで理解を確認しよう。

理解できたら 1-2. プログラムが動く仕組みへ進もう。