バスに乗る — コンピュータの部品をつなぐ

2. オープンアーキテクチャの力 — S-100からIBM PCへ

新しいバスを設計したとき、その仕様を公開するか秘密にするかは設計者の選択である。公開すればサードパーティメーカーが対応する拡張ボードを作れるようになり、周辺機器が増えればコンピュータ自体の魅力が増す——この好循環が「オープンアーキテクチャ」の原則を支えてきた。1975年のS-100バスから、完全な回路図を載せた公式マニュアルを出版した1981年の初代IBM PC、そしてISA・MCA・EISA・PCIへと続くバス規格の系譜を辿る。あわせて、他の装置がマイクロプロセッサを迂回してバスを直接使う「DMA」という仕組みも押さえておく。

初期のホームコンピュータで人気が高かったバスに、1975年のS-100バスがある。最初の ホームコンピュータであるMITS Altairに導入されたもので、100個のコネクタを持つソケットに基板を 挿すことから、この名で呼ばれた。マザーボード（メインボード）に並んだソケットは「拡張スロット」と 呼ばれ、そこに挿す基板は「拡張ボード」と呼ばれる。

さて、新しいバスを設計したとしよう。設計者には選択肢がある——その仕様を公開するか、 秘密にしておくか。公開すれば、他の製造業者（サードパーティメーカー）がそのバスで動く 拡張ボードを設計して売れるようになる。周辺機器が充実すればコンピュータはもっと便利になり、 人気も出る。売れれば拡張ボードの市場もさらに広がる。この好循環を狙う設計思想が オープンアーキテクチャであり、やがてバスが業界全体の「標準」と見なされることも ある。

最も有名なオープンアーキテクチャのパソコンが、1981年秋に発売された初代IBM PC である。IBMがこのPCのために出版した『Technical Reference』というマニュアルには、コンピュータ 全体の完全な回路図が載っていた。これは、他社が独自の拡張ボードを作り、さらには同じソフトウエアが 動く互換機を製造するための、欠かすことのできない手がかりになった。初代IBM PCの子孫たちは、 いまもデスクトップ市場の大部分を占めている。

対照的な例として書籍が挙げるのがApple Macintoshである。元々クローズドアーキテクチャで設計された Macintoshのデスクトップ市場シェアが小さいのは、最初の設計判断の結果かもしれない ——書籍はそう述べるが、断定はしていない。どちらの設計思想であっても他社はソフトウエアを書ける、 という但し書きも添えられている。歴史の因果を1つに決めつけない、控えめな書き方である。

その後のバスの系譜も押さえておく。初代IBM PCのバスは今ではISAバス（業界標準 アーキテクチャ）と呼ばれる。1984年のPersonal Computer ATでは信号が拡張され、1987年にIBMが 導入したMCAバスは特許使用料を徴収したこともあって標準にはならず、1988年に9社の コンソーシアムがEISAバスで対抗した。さらに後には、インテルが設計した PCIバスが一般的になる。

ISAバスの信号には、もう1つ注目すべきものがある。DMA（ダイレクトメモリアクセス） の要求信号である。通常はマイクロプロセッサがメモリの読み書きを仲介するが、DMAを使うと他の装置が マイクロプロセッサを迂回してバスを直接使い、メモリとの間で自分でデータをやり取りできる。この講の 後半で登場する記憶装置は、この仕組みによって素早く動く。

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3. メモリチップを組み立てる — アドレス・三状態・SRAM/DRAM

RAMアレイはアドレス入力・データ入力・データ出力・書き込み信号を持ち、アドレス入力がn本あれば2のn乗個の記憶場所を指定できる。1ビットしか保存しないチップを8個束ねて「バンク」にし、バンクを何個か並べてメモリボードにする。どのボード・どのバンクが応答すべきかは上位アドレスビットで決まり、その判定にはDIPスイッチと、排他的OR(XOR)ゲートとNORゲートを組み合わせた比較回路、そして第6講で作った2線-4線デコーダが使われる。そして複数バンクの出力を同じバスの線につないでよい理由——「三状態出力」という第3の状態が、このセクションの山場である。

RAMアレイは、アドレス入力・データ入力・データ出力・そしてデータを書き込むための信号を持っている。 ここで大事なのは、アドレス入力の本数が、そのRAMアレイに保存できる値の個数を決める という関係である。アドレス入力がn本なら、作れる組み合わせは2のn乗通り——第4講で確かめた「可能性の 数を数える」考え方が、そのままメモリの容量の話になる。

保存できる値の個数 = 2 の（アドレス入力の本数）乗

1個のチップが1ビットしか保存しないなら、8ビットの値を保存するにはチップを8個並べ、アドレス信号・ 読み書き信号・チップ選択信号をすべて共通につなげばよい。こうして8個をひとまとめにしたものが バンクで、バンクを何個か基板に載せたものがメモリボードになる。

ここで問題が出てくる。マイクロプロセッサのアドレス空間には複数のメモリボードが並ぶのだから、 「そのアドレスは自分の担当か」を各ボードが自分で判定しなければならない。判定に 使うのは上位のアドレスビットである。ボード側にはDIPスイッチという小さなスイッチの 並びが載っていて、そこに「自分が担当するアドレス範囲」を設定しておく。あとは、バスから来た上位 アドレスビットとスイッチの設定値を突き合わせる比較器があればよい。

その比較器に使われるのが、第6講で作った排他的OR（XOR）ゲートである。XORは、 2つの入力が同じなら0を出す。だから比較したいビットの数だけXORゲートを並べ、その出力がすべて0で あることをNORゲート1個で判定すれば、「上位アドレスが完全に一致した」ことを1本の 信号にまとめられる。そしてこの一致信号を、これも第6講で作った2線-4線デコーダと 組み合わせれば、4個のバンクそれぞれに対するCS（チップ選択）信号が作れる。 あのとき作った部品が、ここで組み立ての金具として効いてくる。

ところで、4個のバンクのデータ出力を、どうやって1組の信号にまとめるのだろう。ふつう、集積回路の 出力同士を接続してはいけない。一方が1を出し、もう一方が0を出したとき、何が起きるか分からないから である。ところがメモリチップのデータ出力は三状態と呼ばれ、0でも1でもない第3の 状態を取れる。その状態はなんと「何もない」——まるでピンに何も接続されていないかのようにふるまう。 CS信号が1（選択解除）のとき、チップの出力はこの状態になる。だからこそ、 選択された1個のチップだけが線を支配し、残りは黙っているという約束が成り立ち、 複数バンクの出力をそのままバスの共通線につなげる。三状態出力は、バスが成立するための土台である。

最後にRAMの2つの種類を区別しておく。SRAM（静的RAM）は1ビットあたり4個ほどの トランジスタを使い、電力がある限り内容を保つ。DRAM（動的RAM）は1ビットあたり トランジスタ1個で済むので集積度をずっと高くできるが、内容を保つために定期的に リフレッシュという読み直しのサイクルを回す必要がある——眠ってしまわないように 定期的につつくようなものである。手はかかるが容量が伸び続けたDRAMが、やがて標準の座を占めることに なった。

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4. 画面とキーボード — 出力と入力の仕組み

ブラウン管の画面には、1本のビームが左上から右下へ走査線を描いていく。映像信号が黒から白へ、また黒へと変化できる速さの上限が「帯域幅」であり、これが1本の走査線に詰め込めるピクセル数を決める。表示できる色数とピクセルあたりのビット数の関係は、この本のほかのコードと同じく2の累乗で決まる。テキストだけを表示するアダプタは文字コードを保存するだけで済み、文字の形はROMの文字発生器が肩代わりするが、グラフィクスボードはピクセル1個ごとにRAMを使う。入力側のキーボードは、押されたキーをASCIIコードではなく「スキャンコード」として送る——その理由も、ここで確かめる。

画面に映る2次元の映像は複雑そうに見えるが、実際には1本の連続したビームが画面上を高速で 移動しているだけである。ビームは左上から出発して画面を横切り、右端に達すると急いで左端へ 戻って次の線を描く。この横1本を走査線と呼び、行の先頭へ戻る動きを水平帰線、 一番下から左上へ戻る動きを垂直帰線と呼ぶ。

映像信号は、部分的にデジタルで部分的にアナログである。画面は縦方向には決まった本数の走査線に 分割されているが、1本の走査線の中身は電圧の連続的な変化であり、明るさに対応している。ただし電圧は いくらでも速く変われるわけではない。信号が黒から白へ、また黒へと戻れる速さの上限が 「帯域幅」であり、これが1本の走査線に詰め込めるピクセル数——つまり水平方向の解像度——の 限界を決めている。

コンピュータから見ると、画面はピクセルの方眼だと考えると扱いやすい。ここで、 1ピクセルに何ビット割り当てるかが表示できる色数を決める。関係式は見慣れた形をしている——この本の 他の多くのコードと同じく、ここでも2の累乗が顔を出す。

色数 = 2 の（ピクセルあたりのビット数）乗

1ビットなら2色（白と黒）。1ピクセルに1バイト使えば256階調の灰色。赤・緑・青それぞれに1バイトずつ 割り当てれば、豊かな色が出せる。もっとも、その分だけ必要なRAMは増える。だから、表示をテキストだけに 限ってしまえばRAMをずっと節約できる。テキスト表示のアダプタは、各文字位置に「どの文字か」を 示す短いコードを保存するだけでよい。文字の形（ピクセルパターン）は、ボード上の 文字発生器と呼ばれるROMが肩代わりする。ROMは1つのコードを別のコードに変換する 回路と見なせて、ここでは文字コードと行番号を受け取り、その行のピクセルの並びを出力する。一方、 テキストに限定しないグラフィクスボードはピクセル1個ごとにRAMを使うので、同じ画面 サイズでも必要なメモリ量が桁違いに大きくなる。

入力側のキーボードに目を移そう。キーは単純なスイッチであり、押されると閉じる。 キーボードのハードウエアは、押されたキーごとに一意のコードを送り出す必要がある。ここで「そのコードは ASCIIコードだろう」と思いたくなるが、そうはなっていない。同じAキーでも、Shiftキーを一緒に押すか どうかでASCIIコードは変わる。そもそもASCII文字に対応しないキーも多い。だからハードウエアが送るのは スキャンコード——押されたキーそのものを識別するコード——であり、そこからASCIIへの 変換は短いプログラムの仕事になる。

キーの走査回路の材料も、これまでに作った部品ばかりである。カウンタが全キーのコードを非常に速く 巡回し、その出力がデコーダとセレクタの選択入力になる。押されているキーのコードにカウンタが到達した 瞬間だけ、セレクタの出力が1になる——それがそのキーのスキャンコードである。キーが押されたことは 割り込み信号としてマイクロプロセッサに伝えられ、短いプログラムがどのキーだったかを 判断する。なお、キーの個数とスキャンコードのビット数の関係もやはり2の累乗で、64個のキーなら 6ビット、65個から128個なら7ビットが必要になる。

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5. 長期記憶装置とメモリの違い — 机とファイルキャビネット

RAMは、リレー・真空管・トランジスタのどれで作られていても、電源を切れば中身を失う「揮発性」の部品である。だからコンピュータには、電源を切っても消えない長期的な記憶装置が要る。紙テープやパンチカードの時代から磁気テープ、そして回転するディスクへ——ディスクはヘッドが外側から内側へ移動できるので、どの位置にも素早く到達できる。最後に、メモリとストレージを分ける本質的な違いを2つ確かめる。1つは揮発性の違い、もう1つはマイクロプロセッサが常にメモリをアドレスしていてストレージを直接アドレスしないこと。この2つ目の違いを、机とファイルキャビネットという身近な言い方で捉え直して、この講を締めくくる。

ランダムアクセスメモリは、リレーで作ろうと真空管で作ろうとトランジスタで作ろうと、電源を切られれば 内容を失う。揮発性である。だから完全なコンピュータには、電源を切ってもコードと データを残せる長期的な記憶装置が要る。由緒ある方法は紙や厚紙に孔を開けることだった——パンチカードや 紙テープである。だが一度開けた孔は元に戻せず、媒体を再使用できない。しかも、1ビットが占める場所が あまりにも大きい。

そこで広く使われるようになったのが磁気記憶装置である。原理が述べられたのは1878年、 最初の実動装置は1898年、デンマークの発明家ヴァルデマール・ポウルセンによる「テレグラフォン」だった。 鋼鉄線を電磁石で磁化して記録するこの装置の電磁石は、私たちが電信ですでに出会ったものと同じ部品で ある。記録と読み取りに使う電磁石は、媒体の種類によらずヘッドと呼ばれる。1928年には 紙テープに鉄粉を塗布した磁気記録の特許が取得され、そこから磁気テープが生まれた。

しかしテープは理想の媒体ではない。テープ上の任意の位置に素早く移動できず、早送りや巻き戻しに時間が かかるからである。幾何学的にもっと高速なアクセスができる媒体がディスクだった。 ディスク自体が中心の周りを回転し、アームに付いたヘッドが外側から内側へ移動する——この2つの動きの 組み合わせで、ディスク上のどの部分にも非常に素早く到達できる。コンピュータ用の 最初のディスクドライブは1956年にIBMで発明された。

ディスクの表面はトラックと呼ばれる同心円に分けられ、各トラックはパイのスライスの ようにセクタに分けられている。1セクタが保存できるバイト数は一定で、通常は512バイト である。だからディスク片面の容量は、素直な掛け算で求まる。

容量 = 1セクタのバイト数 × 1トラックのセクタ数 × トラック数

ディスクとマイクロプロセッサの間にはインタフェースが必要で、その多くはDMAを使って バスを直接使い、マイクロプロセッサを迂回してメモリとディスクの間でデータを転送する。S2で出てきた 仕組みが、ここで実際に効いている。

さて、用語を整理しておこう。近年は混乱を避けるための呼び分けが定着している—— 「メモリ」は半導体RAMだけを指し、「ストレージ」はそれ以外（フロッピーディスク、ハード ディスク、テープなど）を指す。両者の最も分かりやすい違いは揮発性である。メモリは電源を 切れば消え、ストレージは意図的に消去・上書きされるまで残る。

だが、もう1つ大きな違いがある。マイクロプロセッサがアドレス信号を出すとき、その相手は いつでもメモリであって、ストレージではない。ストレージの中身を使いたければ、まず短い プログラムを実行してディスクドライブに指示を出し、データをメモリへ転送させる——という余分な ステップが要る。この一手間の有無が、揮発性と並ぶもう1つの本質的な違いである。

この違いは、身近な言い方に置き換えると腑に落ちる。メモリは机の上のようなもので、 そこにあるものは手を伸ばせばそのまま使える。ストレージはファイルキャビネットのようなもの で、中のものを使いたければ立ち上がって取りに行き、机まで持ち帰らなければならない。机が散らかって きたら、使っていないものをキャビネットに戻す。次の図で、この対応関係を一枚にまとめておく。

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