第2回 - コンピュータのソフトウェア

0. ソフトウェアとは?

• ソフトウェア (変更可能) ⇔ ハードウェア (変更不可能)
• プログラム (= 命令の列)

1. すべての情報を 0 と 1 であらわす (つづき)

文字を 0 と 1 であらわす

数値 = 文字と考え、数値の列を文字列とする。

• ASCII コード= 0〜127 (1バイト)。
• Unicode = 0〜113021 (最高4バイト)。 Unicode 7.0 (U0000, U0900, U4E00)
• JIS X 0208 = 0x2121〜0x7E7E (2バイト)。 JIS X 0208
• GB 2312 (国標) = 0xA1A1〜0xFEFE (2バイト)。 GB 2312

テキストファイル

画像を 0 と 1 であらわす

ひとつの点 = 「ピクセル」

色を 0 と 1 であらわす

色とは何か?

• 桿体細胞 (明るさを認識する)
• 錐体細胞 (色を認識する - 赤、 緑、 青のあたりにピークがある)

R, G, B それぞれを 8ビット (256段階) の数値で表す = 256×256×256種類の色

ビットマップ形式

• ピクセルをひたすら並べたもの
• 24ビット(カラー)、8ビット(グレースケール)、1ビット(白黒)
• Windows の BMP形式 はこの方式。
  
• A4用紙一枚は約8.3×11.7インチである。

  1インチあたり 300ピクセル (300dpi) の解像度として、 3500×2500ピクセル 24ビット = 3500×2500×3バイト = 26,250,000バイトの画像

データ圧縮方式

• 可逆圧縮 … もとに戻る (可逆) 圧縮。

  PNG形式 (くり返しを省く)

• 非可逆圧縮 … 完全にはもとに戻らない (非可逆) 圧縮。

  JPEG形式 (人間が気づかない部分を省く)

  

文字の描画と文字認識

• 文字の描画: 文字コード → ビットマップ → 出力装置
• 文字の認識: 入力装置 → ビットマップ → 文字コード

音声を 0 と 1 であらわす

音とは何か?

• すべては波形 (スピーカーの振動板の動き) で表現される。
• 波形の形を数値の列によって表す。(Windows の WAV形式)

  10, 25, 35, 40, 45, 40, 35, ...

• 非可逆圧縮 … MP3形式 が有名。

  完全にはもとに戻らない (非可逆) 圧縮。(人間が気づかない部分を省く)

音声合成と音声認識

• 音声合成: 文字コード → 波形データ → 出力装置
• 音声認識: 入力装置 → 波形データ → 文字コード

プログラムを0と1であらわす

32ビット用プログラム

  00401066: 57                 push        edi
  00401067: 33 FF              xor         edi,edi
  00401069: 85 DB              test        ebx,ebx
  0040106B: 7E 26              jle         00401093
  0040106D: 8B F5              mov         esi,ebp
  0040106F: 8B 6C 24 18        mov         ebp,dword ptr [esp+18h]
  00401073: 2B E8              sub         ebp,eax
  00401075: 8B 0C 2E           mov         ecx,dword ptr [esi+ebp]
  ...

64ビット用プログラム

  0000000140001164: E8 B7 03 00 00     	  call        0000000140001520
  0000000140001169: 85 C0              	  test        eax,eax
  000000014000116B: 74 0F              	  je          000000014000117C
  000000014000116D: 45 33 C0           	  xor         r8d,r8d
  0000000140001170: 41 8D 50 02        	  lea         edx,[r8+2]
  0000000140001174: 33 C9              	  xor         ecx,ecx
  0000000140001176: FF 15 04 1F 00 00  	  call        qword ptr [40003080h]
  000000014000117C: 48 8B 0D 25 0F 00 00  mov         rcx,qword ptr [400020A8h]
  0000000140001183: 48 8B 05 A6 1E 00 00  mov         rax,qword ptr [40003030h]
  ...

データ形式

コンピュータ上では、すべての情報は 0 と 1 からなる。 その意味は、解釈する方法によって決まる。

• Windowsは、ファイルの「拡張子」によって、 その情報をどうやって表示するかを決めている。
• Bzユーティリティ (ファイルの中身を 16進数で表示)

2. オペレーティングシステムとは

ソフトウェア上の課題

• どうやって情報を 0 と 1 であらわすか
• どうやってその 0 と 1 をうまく操作するか
• はやく、やすく、うまく作る

ソフトウェアの階層

• やりたいこと (アプリケーション) が多様
• 使用する機械 (ハードウェア) が多様

これらの要素が変わるたびに、毎回すべて作り直すのは大変。 → いくつかの取り替え可能な「部品」から作る。

実際のWindowsの構造

アプリケーションソフトウェア (応用ソフトウェア)

いわゆる通常の「ソフトウェア会社」が作る。 個々の目的に特化されている。

デバイスドライバ

周辺機器を特定の OS の標準機能として動かすためのプログラム。 ハードウェアメーカー (Canon, Epson, Samsung など) が作る。

オペレーティングシステム (基本ソフトウェア)

ハードウェアメーカー (Apple)、 あるいは大規模ソフトウェアメーカー (Microsoft, Googleなど) が作る。

オペレーティングシステムの機能

現在の OS には、多くのアプリケーションで よく使われる標準機能があらかじめ搭載されている。

• 文字・画像・音声データの処理機能 (描画、日本語変換、音声合成)
• ファイル・フォルダの管理機能 (エクスプローラー)
• マルチタスク・マルチウィンドウ機能 (複数のアプリケーションを同時に使用する)
• セキュリティ機能 (アクセスを制限する)
• ネットワーク機能 (ファイル共有、インターネットへのアクセスなど)
• OSの機能は何万と存在する。また、増えつづけている。

  参考: Windows API Index

これらの多くの機能は実際には幻影である。

• ファイル・フォルダ … 実際にあるのは 0 と 1 の列だけ。 → 「デフラグ ツール」
• マルチタスク機能 … 実際には処理装置は 1個だけ。(タイムシェアリング) → 「タスクマネージャ」
• マルチウィンドウ機能 … 実際にある画面は 1つだけ。
• 文字・図形の処理機能 … 実際にあるのは画面上のピクセルだけ。

こうした「コンピュータをコンピュータとして認識させない」傾向は とくに Apple製品で顕著である。

3. ソフトウェアと比喩

コンピュータ上で使われる「ファイル」「電子メール」などの単語は、 現実世界での日本語とは違う意味をもっている。 これらはすべて現実世界と似たものに使われる「比喩」にすぎない。

「作る」「消す」「入れる」「落ちた」などの動詞も同様。

さらに「認証する」などの抽象的な用語が使われる場合もある。

注意:

• これらの比喩をあまり文字どおりに受けとらないこと。
• 他人に説明するときにこれらの「用語」を多用しないこと。