PCの概要

琉球大学情報工学科　和田　知久

THE INDISPENSABLE PC H/W BOOK, 3rd edition, Hans-Peter Messmerの1.2.2-1.2.11

PCとは通常DOS, OS/2, Windows(NT)を使うIBMコンパチブルコンピュータを指す。

１．２．２　PCの構成（図１．５）

• メイン部品は８０ｘ８６ Central Processing Unit (CPU)。
• CPUのすぐ横にあるのが、メインメモリ Random Access Memory (RAM)でCPUによりデータの読み書きがされ、データ処理が行われる。
• CPUとRAMがマザーボードのメインコンポーネントである。
• キーボードはCPUにつながり、データやコマンドを入力する。
• CPUはグラフィックアダプターを介してDisplayにつながる。
• 多量のデータを長期保存するために、フロッピーディスクやハードディスクドライブがある。
• プロセッサはコントローラを介してFDやHDDとデータの読み書きを行う。
• ほとんどのPCにはパラレルインターフェース(PRN, LPT1, LPT2, LPT3)があり、プリンタと接続される。
• また、少なくとも１つのシリアルインターフェース(COM1 - COM4と呼ばれる、Communication Interfaceと呼ばれる)でモデム等とつながり、電話やネットワークを介して他のコンピュータとつながる。
• ネットワークアダプタによりPCはLocal Area Networks (LANs)と接続される。

１．２．３　マザーボード（図１．６）

• マザーボードは名前が示すようにPCのハートである。
• 図１．６はPentium マザーボード。
• 多数あるバススロットには、たとえばグラフィックアダプタのサーキットボードをさす。
• 図１．７はマザーボードのブロックダイアグラムであり、CPU ８０ｘ８６に対して、算術コプロセッサ80x87 (FPU)がある。
• i486DX、Pentium、PentiumPRO(II)からFPUはCPUチップに内蔵され、コプロという言葉は古い言葉である。
• メインメモリ（RAM)が次に重要な部品であり、通常幾つかのバンクに分割している。
• メモリのアクセスのために、アドレスバスとデータバスがある。
• また、アクセスタイムとはCPUがメモリへREADコマンドを送ってからデータがメモリよりCPUへ転送されるまでの時間。
• キャッシュメモリとはメインメモリよりたいぶ小さく、かつ相当高速なメモリで、CPUがよく使うデータを保持し、CPUを常に働かせるようにする。
• マザーボード上にはRead Only Memory(ROM)もあり、ROM内にPCがPower up時に必要なプログラムとデータが格納される。（メインメモリはPower down時にデータを失うので）
• それ以外にROMにはキーボード、グラフィックスガード等へのアクセスをサポートする多数のプログラムも格納されている。（ROM-BIOS）
• キーボードでのデータ入力時に、キーボードインターフェースはインタラプトにより、直接プロセッサと通信し、入力データをプロセッサへ伝える。
• データの交換にアドレスバスとデータバスが必要であった、それ以外に読み出し・書き込みをコントロールする write-enable-signal が必要である。これらすべてをまとめてシステムバスと呼び、バススロットへつながる。
• 時に多量のデータをHDD/FDから転送する必要があり、データ転送に特化したチップを使用する（DMA chip）。
• ダイレクトメモリアクセスチップ(DMAチップ）はメインメモリとHDD等の転送を行い、CPUはバイパスされ、CPUは転送命令が与えられない。
• その他に時間を知らせるタイマーチップ(timer-chip)があり、メモリのリフレッシュをサポートする。
• 主記憶は通常Dynamic RAMで構成され、リフレッシュオペレーションなしでは10ms-1sでデータを失う。

１．２．４　グラフィックアダプタとモニター

• 図１．８はVGAアダプターカードであり、グラフィックアダプタの中心はグラフィックコントロールチップである。
• 図１．９はブロックダイアグラムで、グラフィックコントロールチップはMotorola6845とかS3のチップで、Windowsのビデオ出力を高速化する。
• 機能としてはモニターを駆動して、文字や図形の表示をするとともに、水平/垂直のリトレースパルスの発生、カーソルの表示、テキスト表示行列数のコントロールをする。
• グラフィックアダプタには２つの動作モードがある。テキストモードとグラフィックスモードである。
• キャラクタ（文字）はある決まったのピクセルの集まりとして表示され、グラフィックスモードでは点を任意に表示する。
• テキストモードで文字を表示する場合、CPUは文字に対応するコードをグラフィックスコントロールチップへ送る。
• このとき、Video RAMはスクリーンに表示する文字のコードを保持する。
• Character Generatorはこのコードを対応するピクセルのパターンに変換する。
• 一方、グラフィックモードではCharacter Generatorは不使用で、Video RAMから直接pixel情報が読み出される。
• スクリーンに表示するデータはCPUにより、Video RAMに書き込まれる。また、CPUはVideo RAMからデータを読み出すこともある。これはバスインターフェースを介して行われる。
• MS-Windowで新ウインドウにより上書きされてしまうデータをCPUはVideo RAMから読み出し、メインメモリに保存する。したがって、その新ウインドウを閉じた後にメインメモリの保存データをVideo RAMに再転送することで、元の状態を再現できる。
• また、バスインターフェースによりグラフィックコントロールチップはプログラマブルであり、２５行X８０列のモードを６０行X１３２列のモードに変更したりできる。
• このようなリプログラムはグラフィックアダプタのH/W構成に依存するので、ハイリゾルーション（高解像度）の(S)VGAアダプタはそれ自身のBIOSを持つ。これはROMであり、マザーボード上のROM-BIOSをサポートする。たとえば、異なるdisplay mode間のスイッチ（最近のアダプタは８０種類もの異なるモードをサポートする）、スクリーン上のある点の再描画、Video RAMを複数のページに分けて使うなどのサポートをする。
• このとき、マザーボード上のCPUはバスインターフェースを介して、ROM-BIOS中の対応するルーチンをCALLする。
• グラフィックアダプタのバックにはジャックがあり、モニターと接続される。

１．２．５　ドライブコントローラ、フロッピー、ハードディスクドライブ

• パワーが切れると、メインメモリの中身は消失する。というわけで、早期より磁気メモリが開発され、使用されている。
• 半導体の進歩の以前は、メインメモリもマグネティックドラムで構成されていた。その後、磁気コアメモリ（小さなリング状の磁気メモリ）が使用され、現在ではフロッピーディスクとハードディスクドライブに磁気記憶が使用されている。
• フロッピーディスクドライブはリムーマブルデータボリュームの１つで、取り替えができる。構造は丸いフレキシブルな磁性材でコートされた円盤がケースに収納されたものである。
• ハードディスクドライブでは、データボリュームは取り外すことができない。また、データボリュームはフレキシブルではなく硬いものである。
• FDやHDDはPCに限らず使用されるので、PCの構成とは独立したものである。
• したがって、CPUよりデータを読み書きするためには、ドライブをコントロールする必要がある。このために、コントローラが１つのバススロットに挿入される。
• 図１．１２にコントローラのブロック図を示す。コントローラとはCPUとドライブを結ぶものである。ということで、コントローラは２つのインターフェースをもつ。
• １つはCPUとのデータ交換をするバスインターフェース。もう１つは、各フロッピードライブやハードディスクドライブとのインターフェースである。通常のPCは２つ以上のFDと２つのHDDをコントロールするcombicontrollerを備える。
• combicontrollerはそれ専用のマイクロプロセッサを持ち、ROMに蓄えられたプログラムとともに、コントロールカード上のコンポーネントをコントロールする。このマイクロプロセッサはマザーボード上の８０ｘ８６CPUとは異なるものである。
• すなわち、コントローラ自体は小さな独立したコンピュータであり、マザーボード上のCPUからの命令をバスインターフェースを介して受けとる。
• 同様に、CPUはキーボードインターフェースを介してコマンドをユーザより受けとる。コントロールカード上のマイクロプロセッサはプログラムストレージコントローラとデータシンクロナイザーをうまくドライブすることで、バスインターフェースとドライブインターフェース間のデータの流れをコントロールする。
• FD、HDD側ではデータは磁気記憶に合ったフォーマットになっている。このフォーマットはPCでのデータフォーマットに合わないので、データシンクロナイザーはこのフォーマットの変換を行う。
• プログラムストレージコントローラは読み出し／書き込みをコントロールし、読み出しデータのエラーチェックを行う。
• ドライブを効率的にコントロールし、使用するために、多数のコントローラはそれ自体のROM-BIOSを持っている。
• グラフィックアダプターのROM−BIOSのように、このROM-BIOSもハードディスクコントローラをアクセスする幾つかのリーチンを持っている。
• フロッピーディスク用のルーチンはすでにマザーボード上のROM-BIOSに置かれている。（ROM-BIOSとROM Codeは異なる。）
• ROM Code内のルーチンはコントローラ上のマイクロプロセッサをコントロールし、マザーボード上のCPUからアクセスはできない。一方、コントローラ上のROM−BIOS内のルーチンはマザーボード上のCPUをサポートする。

１．２．７　パラレルインタフェィスとプリンタ　（図１．１４）

• PCには少なくとも１つのパラレルインターフェースがあり、マザーボード上もしくは別個のアダプタカード上に置かれる。
• システムバスを介して、PC/XTでは１バイト、ATbusでは２バイト、(EISAバス以降）では４バイトのデータが並列にやり取りされる。
• しかし、パラレルインターフェースのバスインターフェース（図１．１５）は常に１バイト幅であり、インターフェースには常に１バイトが転送される。
• インターフェースカード上のI/Oチップはこの８ビット（１バイト）を同時に受け取り、並列に８ビットデータを接続デバイス（通常プリンタ）へ送信する。このデータバイトの他に、データの到着を示すコントロール信号も同時に転送される。
• インターフェースのJackは２５ピンのCentronics Standardである。このJackをみればパラレルインターフェースと分かる。
• セントロニクススタンダードのデメリットはワイヤーの各々がシールドなしのケーブルであり、これによりPCとプリンタ間の最大長さは約５ｍである。
• データの受け渡しはhandshaking方式を用いており、レシーバは各バイト転送ごとに受け取りをコンファームする。まだデータと共にclock信号も転送される。
• プリンタは転送データを受け取り、対応するtextやgraphicsをプリントする。このコードは例えば、0dh, 0ahでそれぞれCarrige Return, Line Feedである。
• 通常パラレルインターフェースはデータを出すだけで、データを受け取らない。しかし、最近のチップでは受信も可能である。

１．２．８　シリアルインターフェースとモデム

• パラレルインターフェースと同様に、PCは１つ以上のシリアルインターフェースを持つ。（図１．１６にダイアグラムを示す。）
• 中心的なコンポーネントはいわゆるUARTであり、古いPC/XTでは８２５０チップ、ATでは１６４５０／１６５５０チップが使用されていた。
• バスインターフェースを介して、マザーボード上のCPUはUARTにアクセスし読み出しもしくはデータの転送をする。
• パラレルインターフェースと同様にシリアルインターフェースではデータはバスインターフェースを介して、UARTへ１バイトごとに伝送される。
• しかしパラレルインターフェースとは異なり、UARTはパラレルにデータを転送しない。UARTは各バイトをビットの列に変換する。さらに、UARTは必要に応じてstart, stop, parityビットを付加する。
• データの８ビットとUARTが付加するコントロールビットによりデータパケットが形成される。
• １秒間の信号の変化数をbaud rateと呼ぶ。パリティビットは単純な転送データのvalidity checkである。
• シリアルインターフェースでは、途中にバッファなしに１００ｍ程度の長距離の伝送が可能である。パラレルインターフェースとは異なり、同期信号（ｃｌｋ）は伝送されない。
• PCにおけるシリアルインターフェースはRS232C standardに従っている。RS232Cスタンダードでは２５ピンのJackであるが、９ピンの省略JackがIBMより決められている。
• UARTの特徴の１つは、データの伝送と受信は非同期に行われることである。したがって、データの到着時にUARTはCPUを妨げずに動作を始め、データを受信する。
• その後、プロセッサにデータの受信がありCPUへの転送のあることを伝える。
• シリアルインターフェース（communication interface, COMとも呼ぶ）にモデムを接続すれば、電話ネットワーク等により、データの交換ができる。
• データはCPUによりUARTへ送られ、UARTはデータをビットストリームへ変換し、それをモデムへ送る。モデムではキャリア信号が変調（modulation）され、電話ネットワーク等を介して他のモデムへ伝送される。目的地のモデムでは復調（demodulation、modemという名前はMOdulation/DEModulationから）が行われ、データがシリアルのビットストリームとして、目的地のコンピュータのUARTへ送られる。そのUARTはこのビットストリームをバイトに変換して、CPUへ転送する。

１．２．９　ネットワークアダプタとLANｓ

• PCが高価であったときには、オフィスで共有のPCを使用していた。この時にデータは同一のPC上で共有されていたが、ＰＣハードウエアが急激に安価になり、パワフルになり、個人がもつようになり、プリンタの共有やデータの共有が必要となってきた。
• 以上の背景により、local area networks(LANs)が盛んに使用されるようになってきた。（図１．１７）
• 図１．１２のコントローラのようにネットワークアダプタも２つのインターフェースを持っている。１つはPCのCPUとの接続のためのバスインターフェース。もうひとつはネットワークをアクセスするインターフェースである。（図１．１８）
• 他の拡張アダプタカード（グラフィックアダプター、ディスクコントローラ）のように、ネットワークアダプタも空きのバススロットに入れることができる。
• マザーボード上のCPUはデータとコマンドを、カード上のI/Oチップもしくはバッファメモリへバスインターフェースを介して転送する。
• I/Oチップはそのデータをネットワークを介する伝送に合った形に変換する。そして、その変換データをネットワークインターフェースに送り出す。そして、ネットワークはそのデータを意図されたコンピュータ（サーバ、ネットノード）へ転送する。
• 逆に、データ転送コマンドがI/Oチップに到着した時に、そのコマンドはバッファメモリに置かれ、CPUは適当な時間にそれを知らされ、CPUは実行中のプロセス（たとえば算術計算）を中断し、要求タスクを実行し、その後、中断したプロセスを再開する。

１．２．１０　CMOS RAMとリアルタイムクロック

• これまで見たように、PCには多数の変化に富んだ拡張アダプタやインターフェースがある。
• PCは電源OFF時に、そのメモリの内容を失うので、どのようなコンポーネントがインストールされているか分からなくなる。
• 初期のPCではDIP switch（図１．１９）により、コンフィギュレーションを設定した。
• ATより、このコンフィギュレーションの情報はCMOS RAM（図１．６）というマザーボード上のチップに保持されている。
• このチップは低消費電力なチップであり、電池でバックアップされている。
• CMOSチップには他の機能もある。（図１．２１）それがリアルタイムクロックである。
• PCがOFFしてもこのreal-time clockは電池によりパワーが供給されており、日時の情報を保持している。コンピュータはCMOS RAMを読み出すことで、コンフィグレーション、日時を知ることができる。
• CMOS RAMとリアルタイムクロックは１チップ化されており、MC146818もしくはそのコンパチプルICである。
• 通常、CMOS RAMは６４バイトを保持し、バッテリーで２−３年動作する。

１．２．１１　キーボード

• 最も重要な入力デバイスである。
• ディスクコントローラのように、keyボードも１つの小さなコンピュータであり、key hitをビットストリームに変換することに特化している。
• キーボードのメイン部分はマイクロプロセッサ（8042 for PC/XT, 8048 for AT and MFII）であり、キーボードのscan-matrixを監視する。
• scan-matrixは複数の交差ラインで、それぞれのラインはキーボードプロセッサに接続されている。各交差点にはスイッチがあり、keyが押されると交差点のコンタクトが閉じられる。キーボードマイクロプロセッサはこの閉じられたスイッチを見つけてkey入力を認識する。
• そして、keyに対応するコードがバッファを介してマザーボード上のキーボードインターフェースに送られる。そして、CPUはkey入力を知る。
• コード(scan code)からの対応キャラクタへの変換はキーボードドライバと呼ばれるプログラムにより実行される。これにより、複数の異なるkeyボードにハードウエアの変更なしに対応できる。