補助記憶装置が必要な理由:
補助記憶装置の例: 磁気テープ、 磁気ディスク (ハードディスク、フロッピーディスク)、 光磁気ディスクなど。
テープやフロッピーディスクなどのように、 その上にデータが記録される媒体を 記憶媒体あるいは記憶メディア (俗に略して「メディア」) と呼ぶ。
昔はオープンリールだった。 (~kbys/class/kiso/img ディレクトリの ibm360.jpg や univac.jpg 参照。) 今は DDS(Digital Data Storage), DLT (Digital Linear Tape), LTO (Linear Tape-Open) テープなどを用いる。 容量はテープ1本あたり数ギガバイトから数十ギガバイト程度。 DLT (Super DLT), LTO などの大容量のもので300ギガバイト程度まで。 デジタルのデータを記録することを除けば、 カセットテープやビデオテープと原理的には同じようなもの。 (もっとも、近ごろはビデオカメラのテープもすっかりデジタルだ。)
磁気テープへのデータの読み書きをする装置を テープドライブという。
大量のデータを記録するには、 テープカートリッジがたくさん入れられて、 それらを自動的に入れ替えながら書き込みをしてくれる装置を使ったりする (ジュークボックス)。 デジタルビデオテープを利用した大容量の装置もある。
テープ装置の特徴:
回転する円盤に磁性体が塗ってあり、それに磁気的に記録 を行なうという装置である。 ハードディスク、フロッピーディスクなどが代表的である。 磁気的な記録という点では、テープと同じようなものだが、速 度はずっと速い。(とは言っても、フロッピーディスクはすさまじく遅い。)
フロッピーディスク (FD, Floppy Disk) の場合は、薄いフィルム状のプラス チック円盤に磁性体を塗ったものを用いる。それに磁気ヘッドが接触して 読み書きする。速度は遅い。 記憶容量も小さい(3.5インチ2HD というタイプで1.4 MB くらい)。
ハードディスク(HD, Hard Disk)の円盤表面はダイヤモンドに次ぐくらいの硬さを持つ。 数枚の円盤(別に1枚でもいいが)を1本の回転軸にはめてあり、それぞれの 盤面用にヘッドがある(普通、表に1つ裏に1つ)。 それぞれの面には、同心円状に多くの記録領域がとられることになる。 この同心円状の領域のそれぞれをトラックと呼んでいる(陸上競技のトラックのような感じ?)。 ヘッドは半径方向に移動できるようになっていて、この移動によって、 トラックを選んでアクセスする。 この移動をシーク(seek)動作という。 目指す記録部分にアクセスするには、必要に応じてシーク動作をしたあと、 記録部分がヘッドの下に回って来るのを待つ。よって、
アクセス時間 ＝ シーク時間 ＋ 回転待ち時間
となる。
シーク時間は4〜10ms(ミリ秒)くらい。 回転待ち時間は、平均すれば半回転を待つ時間と考えられる。
現在一番回転の速いディスクで、毎分15000回転くらい。 (2000年には10000回転くらいだったのに…。)
毎分15000回転のディスクを例にとって、 平均回転待ち時間を計算してみよう。 毎分15000回転＝毎秒(15000/60)回転だから、 1回転に60/15000秒 = 4ミリ秒かかる。 すると、半回転にはその半分で 2 ミリ秒かかるから、 回転待ち時間は平均 2 ミリ秒。 (こういう計算は情報処理技術者試験みたいなのによく出ている。)
回転速度の単位として、 毎分1回転を 1 RPM (Revolutions Per Minute) と書く。例えば、毎分15000回転のディスクなら、15000 RPM。
ハードディスクは、補助記憶装置の中では最も高速なので、 常時コンピュータに接続しておいて (ケーブルを使って外部に接続する場合とコンピュータ本体に内蔵する場合とがある)、 データやプログラムのファイルを記録するのに用いることが多い。
ハードディスクドライブのことを HDD と略することが多い。
ハードディスクの容量は製品によって様々だが、 近頃では 160GB くらいでも安価になってしまった。
ハードディスクの非常に大きな問題点として、 故障しやすいことがあげられる。 長くコンピュータを使っていて、ハードディスクの故障 (クラッシュ) を経験しない人はいないだろう。 「故障しやすい」どころではなく、 「どのハードディスクも遅かれ早かれ必ずこわれる」と考えなければならない。 3年でこわれるのはごく普通。5年も経てばいつこわれても不思議ではない。 1年以内にこわれるのもざら。 買った時に「保証は初期不良(1カ月以内)に対するものだけ、あとは全く保証なし」 となっている事もよくある。 しかし、ハードディスクは大容量であるだけに、 クラッシュした時の被害は甚大 (普通、中のデータが全く読めなくなる)。 クラッシュした時のために、大事なデータは他の補助記憶装置 (テープ装置やフロッピー、あるいは別のハードディスク)に定期的にコピー (バックアップという) をとっておこう。 (将来、ハードディスクなどという物が要らなくなったらどんなにいいだろう。)
光の働きと磁気の働きの両方を利用して記録する。 日本では MO (Magneto-Optical) ディスクがよく使われている。(しかし、海外ではほとんど使われていない。) MO の場合、常温で保磁力が無限大に近い磁性体を使っているので、 データが消えにくい。データを書き込む時は、レーザで熱して、 保磁力の小さくなる温度にする。 (保磁力が大きいとは、外部から強い磁場をかけないと、 磁化の様子を変えられないこと。) 速度は一昔前のハードディスクくらい。 書き込みは磁気的に行なって、読み取りは光学的に行なう。
MO は装置からとりはずして交換でき、記憶媒体の値段も安いので、 データの保存や持ち運びに使われるが、下で述べる CD-R 等の普及により、 現在ではマイナーな存在になっている。
CD-ROM も補助記憶装置の一種と考えられる。 ただし、読み出ししかできない。 オーディオCD (CD-DA, Compact Disk Digital Audio) と同じ原理で記録、 読み出しをしている。 (ただし、細かいことを言うと、オーディオCDの場合よりも、ディスクの傷等に よるデータの読み取りエラーが生じにくくなるように、データの記録形式に工夫を施 してある。) 記録は生産の時にする(原盤を作ってしまえば、 あとはプレスで作れるから、低コストで大量生産できる)。 Read Only Memory の一種と考えられるから CD-ROM といっている。
ただし、CD-R (CD-Recordable) といって、 書き込みのできるものもある。 ただし、一回書き込みを行うと、その内容を書き換えることはできない。 2000年くらいから非常によく普及した。
CD-RW (Compact Disk ReWritable) というものもあって、 これは消去・再書き込みが可能。
CD-ROM の表面の透明層の下に記録層があって、 そこにレーザ光を当て、反射してくる光の強弱から 1, 0 を読み取る。 レーザ光の焦点は記録層に結ばれ、 透明層には結ばれないので、表面に少しの傷がついてもデータは読み取れる。 書き込みのできない普通の CD-ROM の場合、 記録層に穴(へこみ)のある部分とない部分をつくって、レーザでその違いを読み取る。 CD-R, CD-RW の場合は、穴をつくっているわけではなく、 記録層の状態をレーザ光によって変化させ、それによって生じる光の反射の変化 を利用して記録をしている。 CD-R の場合、記録時にレーザ光によって記録層の色素を焼き切っている(焼いた 部分と焼いていない部分の違いによって0,1を記録する)ので、内容の書き換えが できない。
DVD (Digital Versatile Disk) の原理を利用した DVD-ROM とか DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM などというものもある。 DVD-RAM の場合、何度も書き換えが可能で、 あたかも低速のハードディスクであるかのように使用できる。
フラッシュメモリは半導体メモリの一種だが、 内容の消去・再書き込みが可能で、 なおかつ、電源を切っても内容が消えない。 しかし、あまり高速ではないので、主記憶には用いられない。 消去・再書き込みが可能と言っても、無限回書き換え可能ではなく、 数万から20万回程度の書き換えが寿命とされている。 通常の使い方では寿命が問題となることはないと思って良いが、 主記憶のような使い方をするのは無理である。
カード型のパッケージになったものがメモリカードと呼ばれて デジタルカメラや携帯音楽プレーヤーなどの記憶媒体として 普及した。メモリカードはむやみと規格が多い。
フロッピーディスク代りによく用いられる USB メモリも中身はフラッシュメモリである。 メモリなのだが、コンピュータ本体側から見ると、 あたかもフロッピーディスクやハードディスクなどと同様の装置のように見えるしかけになっているので、 USB メモリに対しては、 ファイルシステムに関する cp, rm, mv, cd などのコマンドがそのまま動作する。
CD-R や CD-RW は、書き込み可能なメディアだとは言っても、 cp や mv を使って書き込むようなまねはできない。 しかし、USB メモリや DVD-RAM ではそれが可能。
概して、大容量の装置ほど低速だが、ビットあたりのコストは安い。 速度の速い順に並べると、
レジスタ ＞ SRAM ＞ DRAM ≫ ハードディスク ＞ MO ＞ テープ
のようになる。
RAM は一般に揮発性。ディスクやテープは不揮発性。 不揮発性RAM というものもあるが、 高速大容量なものは作りにくいので、 電源が切れても消えないでほしいような少量の情報(例えば機器の初期設定) の保存に使われている。
DRAM, SRAM, 半導体 ROM, フラッシュメモリなど、 ほとんどの記憶装置はランダムアクセスであるが、 テープ装置はシーケンシャルアクセスである。 HDD は、回転待ち時間やシーク時間などがあるものの、 テープ装置に比べればはるかにランダムアクセス性が高いので、 一応ランダムアクセスとされているようである。
媒体交換可能 (普通 removable という) か否かという分類もある。 記録媒体を装置本体から取り出して交換できるかどうか、 ということ。 MO、フロッピーディスク、テープ、メモリカードなどは removable。 ハードディスクは普通 removable でないが、 removable hard disk という製品もある。
最近、MRAM （Magnetoresistive Random Access Memory, 磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ）という、 不揮発性で現在の DRAM と同じくらい高速なメモリの研究・開発が進んでいる。 2000年の 5月11日に、米国モトローラ社から MRAM メモリチップ開発に成功した、 というアナウンスがあった。 日本の企業や大学も研究しており、 2006年2月時点で容量が16Mビットの MRAM が開発されている。
MRAM は無限回書き換え可能で、リフレッシュ動作も要らないため、 低消費電力になると見られる。 このようなメモリが安く供給されれば、大きなインパクトがあるだろう。 現在のコンピュータは、 DRAM の揮発性により非常に大きな制約を受けているからである。 そう遠くない将来に、 いつでも電源を切れるコンピュータが一般的になるかも知れない。
ディスプレイには、 CRT ディスプレイと液晶ディスプレイがある (他にもあるがあまり一般的でない)。 モニタと呼ばれることもある。
CRT ディスプレイは、テレビと同じ原理で表示を行なう。 CRT (Cathode Ray Tube, 陰極線管) というのは、早い話がブラウン管のことで、 Cathode Ray は電子線のことである。 Cathode (陰極、マイナス極)から出る電子を加速し、 蛍光体の塗られた管面に当てることにより、管面を発光させる。 重くて大きく、消費電力も大きい。しかし、色調が良く、明るく見やすい。 また比較的低価格である(大きなものは結構高いが…)。 コンピュータ用のディスプレイは、 テレビよりも鮮明な表示ができないといけないので、 テレビよりも生産コストはかかる。 電子の加速も大きい。 そのため、管面に電子が当たった時に、紫外線や電波のようなものが発生しやすい。 そのため、ディスプレイの表面に特殊な加工をして、 そのような紫外線などをカットするようにしている。 また、天井の電灯の光が画面に映り込むと見づらく、 目に悪いので、映り込みを防止するような加工もある (製品による差が大きい)。
液晶ディスプレイは、ある種の液晶 (液体と結晶の中間の性質を持つ物質) の光学的性質が電気的にコントロールできることを利用している。 色調、表示速度などはまだ多少 CRT ディスプレイに劣る。 しかし、最近非常に改善され、価格も下がったため、ディスプレイの主流になった。
プリンタは、 ページプリンタとそれ以外に分類される。
ページプリンタは、 1ページ分の印刷パターンをプリンタ内のメモリ上に形づくってから、 「1ページ印刷せよ」という命令が来た時点でその1ページを印刷する。
簡単のために白黒のプリンタで説明すると、1ページの印刷パターンは、 縦 X ドット(ドットは点のこと)×横 Y ドットの白黒の点の集まりと考えられる。 例えば黒を1, 白を0と考えると、1つの点の白黒の区別は1ビットでできる。 よって、X×Y ビットのメモリがあれば、1ページの印刷パターンを表現できる。
このように、ビットの並びとして図を表現したものをビットイメージと言っている。 この用語は、図が1ページ分でなくても (つまり小さな図でも) 用いるし、 ページプリンタに関係なくても用いられる。 例えば、ディスプレイ画面の話をしている時にも用いる。
ページプリンタの場合、「1ページ印刷」の命令が来るまでは、 ページ内の上のほうでも下のほうでも、 勝手な順序で字や絵を描くことができる。 (描くといっても、メモリ内のあちこちのビットを 1 にして行くだけ。) 従って、印刷命令を送る側は細かい描画手順を考えなくて済み、楽である。 プリンタ側に線分や円を描くなどの複雑な処理をする命令が備わっている事が多い。 ポストスクリプトプリンタ (PostScript Printer, PS プリンタ) の場合、PostScript というプログラミング言語の処理系を内蔵していて、 コンピュータから PostScript 言語のプログラムを受け取ると、 そのプログラムを実行する形で描画を行なう。(複雑な処理を簡単に指示できる。)
ページプリンタ以外のプリンタとしては、 1文字ずつ、あるいはドット単位で印刷して行くシリアルプリンタ、 一度に1行分印刷できるラインプリンタがある。 一般にシリアルプリンタは(特殊なものを除いて)安価であるので、 パソコン用のプリンタとしてよく用いられている。 ラインプリンタは、オフィス等で非常に高速な印刷が要求される場合に使われており、 高価だが、1分間に1000行も印刷できるようなものまで存在する。
こうしたプリンタの場合は、 ページの上のほうに印刷するデータを先にプリンタに送り、 下のほうに印刷するデータを後に送る、というように、 コンピュータ側でデータを順序づけた形で準備しておいてからプリンタに送ってやらないといけない。 また、一つ一つの印刷命令は単純なことしか実行しないものであるのが普通だから、 複雑な印刷の際には多くの命令やデータをプリンタに送りつけねばならず、 データ転送に時間がかかってしまう。
印刷に用いる原理としては、レーザビーム式、 インクジェット式、インパクト式、感熱式、 熱転写式などがある。 ページプリンタに使われるのはレーザビーム式が多い。 レーザビーム式に似ているが、 レーザの光を使う代りに LED (発光ダイオード) の光を使うLED方式もある。 家庭向けには、インクジェット式が多く用いられている。
レーザビーム式の原理は、コピー機の原理と似ている。 コピー機の場合、
という処理を行っている。 レーザビームプリンタの場合、原稿から反射する光の代わりに、 レーザの光をドラムに当てるようになっている。 (IBMのWeb サイトに詳しい説明あり。)
近ごろは、コピー機のデジタル化が進み、 コピー機の中身が実際にはレーザビームプリンタになっていることも多い。 つまり、原稿を光学的に読みとって、 デジタルのデータにしてしまい、それをプリンタで印刷している。 一旦デジタルのデータの形でメモリに入れてしまうと、 同じものをもう一度出力する時に、 そのデータをもう一度使うだけで良いので、読み取りが一回で済み、 処理が高速化できる。
インクジェット式では、紙にインクの細かな液滴をふきつけて印刷する。
インパクト式は、タイプライタと同じような原 理で印刷する。カーボン紙のようなものを紙に重ねて、その上から、字の 形の突起を持ったものでたたいて、インクを紙にうつす。
感熱式プリンタは感熱式のファクスと同様の方式。 熱を加えると紙自体が発色する仕かけである。
熱転写式では、 インパクト式と似たようなインクリボンにインクがついていて、 それを熱で紙に転写する。
キーボードのキーを打つと、 文字コード (文字を2進数で表したもの) を表す電気信号がコンピュータ本体に送られる。 キーによっては、複数のコードからなる列が送られる (ファンクションキーを打った時など)。 文字コードについてはあとで少しくわしく説明する。 実は、もっと厳密に言うと、文字コードそのものが送られるわけではなくて、 どのようなキーが押されたかを示す信号が送られる、というべき。 詳細はキーボードの方式によって異なる。
マウスには、 機械式マウスや光学式マウスなどがある。 マウスが x 方向、y 方向にどれだけ移動したか、移動量をコンピュータに送る。 また、マウスボタンがどのように押されたかの情報も送る。
機械式マウスの場合は、底面にあるボールが転がった量を、 x 方向移動量と y 方向移動量に分けて検出している。
光学式マウスには、いくつかの種類がある。 古い方式では、機械式マウスでマウスパッドを置いているところに、 代わりにタテヨコの縞模様のようなものがある板を置いて、 その上でマウスを動かすと、縞模様のいくつ分の縞だけ移動したか、 光学的に読み取るようになっていた。 (マウスから光を出して、縞から反射してくる光を検出している。) そのため、光学式マウスにはボールがない。 最近の方式では、このような板は要らない。 マウスの置かれた面に光を当てて、反射光を読みとることによって、 面の「模様」をパターンとして読みとっている。 例えば、1秒間に1000回くらい読み取って、 直前に読んだ時のパターンと比較することによって、 マウスがどちらへ動いたかを調べている。 発光ダイオードの光を使うもの、レーザ光を使うものがある。
機械式マウスのボールの中には、鋼球が入っているので、燃えるゴミに出してはいけません。
スキャナは、 図や絵、写真など主に平面的な画像をコンピュータに入力するための装置である。 スキャナで画像を読み取ることを「スキャンする」という。
コピー機の上の部分 (原稿を光で走査する部分) だけが独立したような形をしたフラッドベッドスキャナや、 写真フィルム (もちろん撮影済みのもの) を入れるとスキャンしてくれるフィルムスキャナなどがある。 デジタル化されたコピー機は、 スキャナとプリンタを合わせたようなものだと考えられる。