プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！読んでみた。
［記事公開日］2018/02/13
［最終更新日］2024/08/31
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プログラミングの本とか読んでも、よくわからない。
あまり理解できない。とかあります。
この本、子ども向けですが、大人読んでもためになります。（たぶん）
図解とイラストで解説。
また、本のサイズは、大きいので、字など見やすいです。
（縦 28.5cm x 横21.8 cm）
プログラミング系の本とかだと字が小さいので、大人の方が読むと、字がみずらいとかあります。
本はカラー印刷です。ひらがなもふってあります。
プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！ (楽しい調べ学習シリーズ) 単行本 – 2017/11/17
大岩 元 (監修)
目次
プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！読んでみた。
第1章 プログラミングってなに？
第2章 コンピュータとプログラミング
第3章 情報とプログラミング
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よせだあつこ (著)
プログラミングで重要なことは？
プログラミング言語大全 (日本語) 単行本（ソフトカバー） – 2020/4/18
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プログラムすごろく アベベのぼうけん おどろきの上巻 単行本 – 2019/9/26
プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる! (楽しい調べ学習シリーズ) 単行本 – 2017/11/18
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かんたんパソコン入門 [改訂7版] 単行本（ソフトカバー） – 2019/1/19
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パソコンの中がどうなっているか、よくわかります
人気の「かんたんパソコン入門」の最新版です。
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最初の一冊としてもおすすめできます。
ネットワークはなぜつながるのか 第2版 知っておきたいTCP/IP、LAN、光ファイバの基礎知識 単行本（ソフトカバー） – 2007/4/12
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内容紹介
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C言語本格入門 ~基礎知識からコンピュータの本質まで 単行本（ソフトカバー） – 2018/3/9
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プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！読んでみた。
プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！ (楽しい調べ学習シリーズ) 単行本 – 2017/11/17
大岩 元 (監修)
「プログラム」って、なんだろう？
ロボットを命令通りに動かすには？
コンピュータと電卓は、なにがちがうの？
コンピュータの計算力は、どんなところで使われているの？
ビットって何？
音や画像は、どうやって伝えるの？
など解説。
人類は昔から、人間のように考え、動くモノを作りだそうとしていました。
そして「コンピュータ」が作られて、人間がそれまで、やってきた仕事をコンピュータに代わりにしてもらったり、ゲームができたり、遠くの人と話しができたり、するようなことができるようになったりしました。
私達は、コンピュータなしてでは生活できない社会を作ってしまいました。
30年前は、銀行で、お金を預けたり引き出したりするときは、窓口にいる人間にやってもらっていました。
今は、そうした仕事はATMと呼ばれるコンピュータが中に入って機械がするようになりました。
コンピュータに仕事をさせるプログラミングを、みんなが学ぶ必要がでてきました。
もくじは、このような感じです。
第1章から第3章まで。
目次
第1章 プログラミングってなに？
第2章 コンピュータとプログラミング
第3章 情報とプログラミング
プログラムとは、なんだろう？
いろいろなものに使われているコンピュータ
スマートフォン
ゲーム機
洗濯機
自動車
電子レンジ
炊飯器
コンピュータは、自分ひとりで動くことができません。
命令されたことしかできないのです。
プログラミングは手順書を作ること
プログラムは人間が作って、コンピュータに覚えこませる必要があります。
このプログラムを作ることをプログラミングといいます。
コンピュータにわかる言葉はプログラミング言語です。
コンピュータは人間の言葉はわかりません。
コンピュータにプログラミング言語で命令すると、答えてくれます。
見つけよう、身の回りの、いろいろな手順
私達の普段の行動や身の回りにも、よく見ると手順が隠れています。
お使いにいく手順
①買ってくる物をメモする。
②お店までの道順を確認する。
③お店まで歩く。
④買う品物がある売り場にいく。
⑤商品をカゴに入れる。
⑥代金をレジで支払う。
⑦家に持ち帰る。
手順書の作り方
長く複雑な手順も、分解すると、同じようなことをしています。
手順（プログラム）を作るときには、3つの手順が重要です。
①順次実行
上から順番に実行すること。
②くり返し
「歩きつづける」「材料を似つづける」など、ある命令を何度もくり返し実行すること。
③条件分岐
「もし材料が煮えたら、調味料を入れる」
「もし15分たったら、火を止める」のように、条件が合っているか、そうではないかで、やることを変えること。
くらべてみよう人間とコンピュータ1
速く正確に計算ができるコンピュータ
コンピュータという言葉は、もともと研究所や会社で様々な計算をする「計算手」と呼ばれる職業についている人のことでした。
今ではおもに、電気で動く電子計算機のことをコンピュータと言います。
コンピュータは、とても速く正解に計算するものを表す言葉なのです。
日本にあるスーパーコンピュータ「京」
1秒間に1京回の計算ができます。
「京」は「万」や「億」と同じような数の単位ですが、
1のあとに0が16個も続く大きな数です。
とてもつなく速いコンピュータ京
地球上の全人口70億人全員が、1秒間に1回のペースで計算を続け、
役17日間かけて、ようやく1京回の計算ができます。
スーパーコンピュータ「京」は、この計算を、たった1秒でやってのけることができるのです。
私達が普段使うパソコンでも、1秒間に1000億回程度の計算ができます。
コンピュータは多く記憶できる。
コンピュータは計算するとき、途中の結果を忘れないように「メモリ」または「ストレージ」と呼ばれる装置に保存します。
私達が計算に使う「メモ」や「ノート」のようなものです。
では、このメモリやストレージに、どれくらい文字を書き込めるのでしょうか。
これらの装置に書き込める文字の量には、
「ギガバイトGB」や「テラバイトTB」という単位が使われます。
1ギガバイトは半角英数字（1文字バイト）で10億文字ぐらい。
1テラバイトは1兆文字ぐらいです。
コンピュータは、ものすごい量の文字や数字を記憶することができるのです。
メモリとストレージ
解説
くらべてみよう人間とコンピュータ2
決められたことしかできないコンピュータ
コンピュータは命令されてないことはできません。
突然の故障や予想もしてないことが起こると、コンピュータは対応できません。
ひらめきや独創性がないコンピュータ
コンピュータは、独自のアイデアを思いつくことができないのです。
しかし最近では、大量のお手本と、それを組み合わせる規則を決めてプログラムにして、
コンピュータで音楽や絵を作ることができるようになりました。
これはAI、人工知能と呼ばれる技術ですが、そのプログラムを作るのは人間なのです。
このように、人間とコンピュータは、それぞれ得意なことが違います。
命令通りに動かそう1
ここでプログラミングの解説
実際にコンピュータを使うわけではありません。
このロボットに命令をさせてみます。
順次実行
命令を順番に実行します。
1つの仕事を小さな命令に分解し、分解した命令を順番に並べたものがプログラムの基本形になります。
繰り返し
順次実行などすると、命令が多くなります。
くり返しを使えばプログラムが短くなります。
コンピュータは「くり返す」ことが得意なのです。
プログラムが読みやすいなります。
命令通りに動かそう2
条件分岐
「くり返し」を使うことで、このロボットは自動で動けるようになりました。
けれども、決められた動きをするだけで、複雑なことはできません。
まわりをよく観察して
変化があったら行動を変えることができればいいです。
これを「条件分岐」といいます。
条件分岐を使うことで、ロボットに賢い判断をさせることができます。
もっと複雑なプログラム
ここまでに出てきた
「順次実行」、「くり返し」、「条件分岐」を組み合わせると、もっと複雑なことを命令できるようになります。
重要なのは、複雑な命令も
「順次実行」、「くり返し」、「条件分岐」の3つを使うと、すっきり整理することができます。
いろいろなプログラム1
プログラミング言語
コンピュータに働いてもらうには、プログラムを作って命令しなければなりません。
しかし、コンピュータは人間の言葉を理解することが、できません。
コンピュータが理解できる言葉を「プログラミング言語」といいます。
プログラミング言語は世界中に何百種類から、何千種類もあると言われています。
なぜ、こんなに多くの種類があるのでしょうか？
それは
「話しやすく、書きやすいけど、全部の命令が終わるまでに時間がかかる」
とか
「話しにくく、書きにくいけど、命令が終わるまで速い」
「ある特定のコンピュータにしか通じない」
など、
プログラミング言語ごとに特徴があるからです。
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プログラミング言語を使ってできること
私達の身の回りで普段使われている多くの物がプログラミング言語で作られています。
これらは
ソフトウェア（ソフト）
アプリケーション（アプリ）
などと言います。
プログラミング言語で作れている身近なもの
Webアプリ
GoogleChrome
Internet Explorerなど
Webブラウザで動かすことができるアプリです。
インターネットで動画を見たり、音楽を聴いたり
YouTubeやAmazonなどもWebアプリです。
デスクトップアプリ
コンピュータのメモリに書き込んで利用するアプリケーションソフト
WordやExcelなどアプリがあります。
スマートフォンアプリ
スマートフォン上で動くアプリです。
組みこみ用、制御用ソフト
炊飯器や、洗濯機、電子レンジなどの中で動いているソフトウェアです。
いろいろなプログラム2
子ども向けのプログラミング言語
Scratch
コンピュータの画面上でブロックを組み合わせてプログラムを作ります。
https://scratch.mit.edu
プログラミン
ブロックを組み合わせてプログラムを作ります。
http://www.mext.go.jp/programin/
コードモンキー
CofeeScriptというプログラミング言語でコードを書いて動かすことができます。
いろいろなプログラム3
よく使われるプログラミング言語
上級者向け万能選手
Java
大学の研究所で使われているような大型コンピュータから家庭で使われているパソコン、スマートフォン、電子レンジ、テレビ、家電製品まで、ありとあらゆる場所で使われています。
Webアプリケーション、ゲームソフト、なんでも作れます。
プログラミング言語のお母さん
C
「C」は、1972年、アメリカのAT＆Tという電話会社の研究所で作られたプログラミング言語です。もともとB言語というものがあり、それを改良して作られたのが、このC。
ずいぶん昔からあるコンピュータをすばやく動かすプログラムが作れることなどの理由で世界中で使われています。
コンピュータで、できる仕事は、ほとんど、Cでやらせることができます。
そのため、はじめてのプログラミング言語として学ぶ人が多い言語でした。
しかし、現在では、簡単にプログラミングができる言語が多くなり、初心者が最初に、学ぶ言語ではなくなりつつあります。
またCは、古い言語なので、他のプログラミング言語にも影響をあたえ、Cによく似た多くのプログラミング言語が生まれました。
Webにかかせない
JavaScript
Webブラウザで動くWebアプリを作るときに、よく使われています。
インターネットの情報を見るWebブラウザが多くありますが、全てのブラウザで動くプログラミング言語はJavaScriptだけです。
簡単で人気の
Python
プログラムの書き方が簡単で少ない文字数で書ける特徴があります。
最近ではAI（人工知能）の研究でも使われています。
コンピュータに何、仕事をしてもらう時は、「プログラム」を作る必要があります。
しかし、プログラムを作る前に、やらなければいけないことがあります。
まず、仕事の内容をしっかり観察して、理解することです。
次に、仕事を細かな命令に分解する必要があります。
そして、「順次実行」、「くり返し」、「条件分岐」を使って、なるべく短く、無駄のない手順書を作り。
その手順書をもとにプログラムを作るのです。
つまり、「 観察する力」「論理立てて考える力」「表現する力」が重要なのです。
コンピュータやロボットが動く仕組み
コンピュータを動かす3つの部分
コンピュータはどのようにして動いているのでしょうか。
大きく3つの部分に分けることができます。
CPU
メモリ
入出力装置
CPUは「中央演算処理装置」ともいい、考えることを担当する装置です。
考えると言っても、やっていることは、ひたすら「計算」することです。
メモリに書き込まれたプログラムから命令を読み取り、命令にしたがって計算をしていきます。
メモリはプログラムや文章をや画像のような情報（データ）を記憶しておくための装置です。
コンピュータがやったことを忘れないように、計算の結果を書き溜めておくメモ帳のようなもの。
CPUとメモリ
コンピュータは、人間の言葉や身振りを理解できません。
そこで人間とコンピュータの間に立って、言いたいことや、聞きたいことを、わかりやすく伝えてくれる装置が必要になります。
人間からやってもらいたいことや、記憶してもらいことを伝えるための装置を「入力装置」と言います。
コンピュータから人間に見せたいことや聞かせたいこと、計算した結果などを伝える装置を「出力装置」と言います。
コンピュータと電卓は何が違うの？
コンピュータが動く仕組み
コンピュータの中で、もっとも重要な装置は、「CPU」と「メモリ」です。
この2つがあれば、コンピュータとして動きます。
CPUとメモリを何本かの電線で結びます。
CPUは、この電線を使ってメモリに書かれている情報を読み取ります。
またCPUがメモリに情報を書きこむこともあります。
CPUとメモリを結ぶ電線を「バス」と言います。
コンピュータで1+2を計算する場合は
CPUはメモリに書かれたプログラム（命令）を順番に読み取って計算をします。
そして、忘れないように計算結果をメモリに書き込みます。
コンピュータのすごいところ
メモリに書き込まれたプログラムを入れ替えてしまえば、コンピュータは全く違う仕事ができます。
例えばメモリに
ゲームのプログラム
ロボットのプログラム
スマートフォンのプログラム
など入れるとそのように動きます。
CPUとメモリという同じ組み合わなのに、プログラムを入れかえるだけでコンピュータは、あらゆる物に変身します。
これが、世界中でコンピュータが使われる理由なのです。
メモリの仕組みとプログラム
電圧の高低で記憶される情報
豆電球を電池に繋げると、豆電球と電池の間に電気が流れて光ます。
電気を流す力の強さを「電圧」といい。
電圧はマイナス極を基準に計ります。
電池の電圧ならば、マイナス極を基準にして、プラス極までを計り、
「1.5Vボルト」などといいます。
電圧の高低は、豆電球の明るさや電圧計で調べることができます。
メモリは、この電圧の高低を使って、情報を記憶しています。
メモリの構造
パソコンのメモリを見ると、基盤の上に黒くて平らな部品がのっています。
黒い部分はメモリの本体を守るための「パッケージ」です。
パッケージを剥がすと、中に金属片があります。
これがメモリの本体です。
この金属片には数十もの部品や配線が組み込まれていて、模様のように見えます。
この区画の中で1番小さい物を「セル」といいます。
メモリとプログラム
メモリは何か記憶したいことがあると、
大量にあるセルの一部の電圧を高くしたり、低くしたりすることで記憶します。
例えば、並んでいる4つのセルの電圧が「低低低高」なら、数字の「1」を表す。
「高高高高」だったら「15」を表す。などのように、コンピュータなら、わかる暗号して記憶しておくのです。
ただし、コンピュータは感じなど読めないので、普通は電圧の高い状態を「1」、低い状態を「0」で表現し、
「低低低高」ならば「0001」と記憶させます。
コンピュータは、このように、
「0」と「1」の2つの文字しか使えないのです。
この表現を「2進表現」といい、この言葉でないと、考えたり、覚えたりすることができません。
コンピュータが直接理解できる特殊な言葉を「マシン語」といいます。
そのため、コンピュータに仕事をしてもらうためには、命令をマシン語に置き換えてメモリに書きこまないといけないのです。
コンピュータが命令を実行する仕組み
CPUの構造
コンピュータの中で考える部分を担当するのがCPUです。
CPUにも、いろいろな形があります。
CPUは動作中に100度近い温度になることがあるため、パッケージには固くて熱に強いセラミックがよく使われています。
CPUのしくみ
とても複雑なCPUですが、大きく分けると2つの部分でできています。
1つは「制御部」もう1つは「演算部」
制御部ではメモリから命令を読み取り、その内容をしたがって情報を演算部に送ったり、他の装置の動きを調整したりします。
また制御部には「レジスタ」と呼ばれる装置がいくつもあり、メモリから読み取った命令や計算計算、CPUの中の状態などを一時的に記憶しています。
レジスタにも種類があり、
とくに「プログラムカウンタ」というレジスタは、
「次にメモリの、どの部分を読み込まなければいけないのか」という情報を記憶しています。
制御部はプログラムカウンタの情報をもとに、メモリからプログラムを呼び出します。
演算部は、ひたすら計算をします。
レジスタやメモリに書き込まれたデータを足し合わせるような、普通の計算以外にも、つなぎ合わせたり、切り取ったりするような処理もします。
コンピュータが命令を実行するしくみ2
電卓が計算するようす
演算部
制御部には、どの計算を実行するのかを指定する「命令レジスタ」
と
数値を記憶する「数値レジスタ（レジスタ1とレジスタ2）」があります。
電卓で、「33+4」を計算する場合は、キーパッドの「3」を2回押すと、レジスタ1に数字の「33」が入り、それがディスプレイに表示されます。
次に「+」を押すと、命令レジスタに「+」が入り、ディスプレイにもそれが表示されます。
そのとき同時に、レジスタ1の「33」はレジスタ2にコピーされます。
さらに、キーパッドの「4」を押すと、レジスタ1に「4」が入って、ディスプレイにも表示されます。
最後に計算を実行する「=」を押すと、演算部がレジスタ1とレジスタ2の数を足して、答えの「37」をレジスタ1に書き込みます。
そして、この数字がディスプレイに表示されて、計算結果がわかるという仕組みです。
コンピュータが電卓より、すぐれているのは、どんなに長いプログラムでも、とても速く正解に実行してくれることです。
どちらがすごい？
コンピュータの計算速度
など解説。
コンピュータの計算力が使われる例
天気予報
物作りを支えるコンピュータ
プログラミングの歴史
情報って何？
情報とは
他の人と意見を交わしたり、自分の耳聞した話題を伝えるなど、人は、様々なメッセージをやり取りしながら生きています。
人や機械の間で、やり取りされるメッセージを「情報」といいます。
情報は目には見えませんが、人が次の行動を決めるときには重要なものです。
情報の価値
情報の価値は人によっては、異なるものです。
例えば、あるアイドル歌手の情報は、ファンにとっては重要ですが、アイドルに興味がない人には、さほど重要な情報ではないです。
ビットって何？
ビットは最小の情報単位
相手に情報を伝えようとしたとき、いちばん小さな情報とは「あるか、ないか」または、「変化があったか、なかったか」という情報ではないでしょうか。
例えば、部屋の電灯がついているか、消えているか。2つの状態のどちらかがわかります。
それでも、なんらかの情報が伝わります。消えていた部屋の電灯がつけば、家の人が帰ってきたのかもしれません。
このように、もっとも小さな情報の単位を「ビット」といいます。
そして、変化の種類が2種類しかない情報を「1ビット」といいます。
スイッチのオンかオフ。
「0か1」
もすべて1ビットの情報です。
ビットを複数にして組み合わせる
しかし、1ビットの情報では「はい」か「いいえ」のメッセージしか送れません。
相手に数字の「5」を伝えたいときは、
5は「白赤白赤」とあるので、
「白、赤、白、赤」の順に4回旗をあげます。
これで、相手に数字の「5」というメッセージが送られることがわかります。
ビットを複数に組み合わせれば
8ビットにすれば256種類のメッセージが送れます。
32ビットにすれば43億種類。
64ビットにすれば1844京種類。のメッセージが送れます。
2進数って何？
10進数と2進数
人間は数を数える時、10ずつ区切って数えます。
これは、人間の手の指が10本あることと関係があると言われています。
この10を基準にした数の数え方を「10進数」といいます。
しかし、コンピュータは「0」と「1」だけを使う、数え方をします。
これを「2進数」といいます。
2進数は0と1だけで、いろいろな数を表しています。
2進数の足し算
2進数の「11」が10進数だと「3」になります。
これは、2進数どうしの足し算の方法がわかれば理解できます。
2進数は、それぞれの桁の最大の値が1なので、足して2になるときは「桁上り」が起こるのです。
これは10進数で9に１を足すと、桁が上って10になるのと同じです。
2ビット、3ビットの情報
2ビットの情報
2ビットの情報は「0」と「1」の2つの情報を2つ使うので
2×2＝4種類の情報を伝えることができます。
この2ビット、4種類の組み合わせで、ロボットに命令することもできます。
3ビットの情報
3ビットの場合は「0」と「1」の2つの情報を3つ使うので、
2×2×2＝8種類の情報を伝えることができます。
もっとビット数を増やせば、いくらでも大きな数を表すことができます。
音を伝えるしくみ
アナログの仕組み
人間が声を出すと、その音は、まわりの空気を細かく振動させながら伝わっていきます。
そして、その空気が相手の鼓膜を振動させることで、音が相手に届きます。
空気の振動を電気信号にして送る方法が開発され、これが電話です。
空気の振動や電話の電気信号は、少しずつ連続して変化しています。
このような連続して変化するものを「アナログ」または「アナログ信号」といいます。
しかし、このアナログ信号の電話には1つ欠点がありました。
遠くに信号を伝えようとすればするほど、電気信号の形が歪んでしまい、もとの音と違って聞こえてしまうのです。
デジタルの仕組み
そこで発明されたのが「デジタル方式」です。
もとの電気信号の形を細かく分けて、デコボコした形で相手に伝えるのです。
画像を伝える仕組み
ビットマップって何
数字の「1」を画像情報で遠くの相手に送るには、デジタル化する必要があり、「1」の画像を、縦と横に細かく区切ります。
区切ったマス目を、1つずつ調べて、少しでも「1」の形があれば、黒く塗りつぶし、そうでない場合は、白いままにしておきます。これをビットマップといいます。
白い部分を「0」、黒い部分を「1」に置き換えます。
コンピュータやインターネットで情報を送るスピードが十分に速くなる2000年ごろまでは、画像や動画を扱うサービスは普及しませんでした。
現在の情報のしくみ
日本のテレビ放送は、画像や音声などの情報をデジタル信号で送っています。
地上波デジタル放送では横が1440、縦が1080の細かなマス目に区切られた画像になっています。テレビの場合は動画なので、1秒間に、30枚のカラー画像を表示するために、約1500メガビット（15億ビット）もの情報が必要です。
これを圧縮技術によって、約17メガビット（1700万ビット）の情報を送っています。
バーコードとQRコードの情報
線の太さや黒く塗りつぶされた位置を読み取って、「0」と「1」の情報に置き換えています。
この情報をもとに、コンピュータとやり取りして、商品名や値段を調べることができます。
プログラミングとコンピュータ しくみと基本がよくわかる！ (楽しい調べ学習シリーズ) 単行本 – 2017/11/17
大岩 元 (監修)
