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ゼロから学ぶコンピュータ構造 - トランジスタからCPUまで

コードを書き写すことはできても、なぜ動くのか説明できずにもどかしさを感じていませんか?この講義は、プログラミングやハードウェアの予備知識がなくても、一つのトランジスタから始まり、論理ゲート、メモリ、ALU、CPUを目に見える形でつなぎ合わせます。抽象的な理論を豊富な視覚資料と3つの総合プロジェクトで組み立てるように理解し、変数や関数が機械語になって実行される全過程を自ら説明できる開発の基礎体力を完成させましょう。

15名 が受講中です。

難易度 入門

受講期間 無制限

Computer Architecture
Computer Architecture
Computer Architecture
Computer Architecture

受講後に得られること

  • 文法を覚えてコードを書き写すレベルを超え、自分が作成したプログラムがCPUやメモリで実際にどのように実行されるのかを説明できるようになります。

  • 変数・関数・条件文・繰り返し文が機械語とデータフローにつながる原理を理解し、見慣れないコードやエラーも根拠を持って推論できる開発の基礎体力を養います。

  • メモリ・レジスタ・アドレスといった核心用語を互いに関連付けて理解することで、データ構造やオペレーティングシステムの学習がよりスムーズになります。

  • コードの実行時間やメモリ使用量が変化する理由をコンピュータの動作原理から把握することで、より効率的なコードを検討するための基準を持つことができます。

  • トランジスタから実際のプログラム実行までを一つの地図でつなぎ、オペレーティングシステム・ネットワーク・コンパイラなど、次のCS科目を学ぶ際に迷うことがありません。


⭐️トランジスタからCPUまで、基礎から学ぶコンピュータ構成法⭐️



トランジスタから
CPUまで組み立てる


コンピュータ構成を飛ばしたままコーディングだけを続けると、結局また同じ壁に突き当たります。

OSではメモリとプロセスが、データ構造では時間・空間コストが、デバッグではエラーの原因が再び漠然としたものになります。コードの下でCPUとメモリが実際に何をしているのかを知らなければ、新しい概念を学ぶたびに原理の代わりに暗記で耐えることになります。

この講義はその空白を一番下の基礎から埋めていきます。プログラミングやハードウェアの予備知識がなくても、一つのトランジスタから始めて、論理ゲート、メモリ、ALU、CPUを順に繋いでいきます。豊富な視覚資料と3つの総合設計プロジェクトを通じて、変数や関数が機械語となり実行される全過程を理解しましょう。

コーディングの実習はありません。その代わりに、インストールや準備なしで複雑な回路とデータの流れを視覚的に追いながら、コードがなぜそのように動作するのかを最後まで説明します。

今この基礎を完成させておけば、今後オペレーティングシステム・データ構造・ネットワーク・コンパイラを学ぶ際、見慣れない概念もはるかに簡単かつ迅速に理解できるようになります。

この講義で得られること

ゼロからコンピュータ構成を組み立てます。

抽象的な用語を暗記する代わりに、トランジスタが論理ゲートと演算回路を経てCPUになる過程を目で見てつなぎ合わせます。3つの総合設計プロジェクトを通じて、コンピュータが計算する原理を自ら説明できるようになります。

ビット、レジスタ、メモリ、命令のように散らばっていたCSの概念を、一つの地図としてつなげることができます。オペレーティングシステム、データ構造、ネットワーク、コンパイラを学ぶ際に、新しい用語に惑わされない強固な基礎を築くことができます。

変数、関数、条件文が機械語とデータフローにつながる原理を理解します。コードを暗記して書くレベルを超え、エラーの原因や性能の差を根拠を持って推論し、より良いコードを追求できるようになります。

コンピューターの核心原理を組み立てるように理解する開発者へと成長します。
皆さんの成長を応援し、共に歩んでいきます。

トランジスタからCPUまで、底辺からコンピュータを理解しましょう


コードを書き写すことはできても、プログラムがなぜそのように動作するのかを説明するのは困難です。コンピュータ構成法の本を開けば、見慣れない用語は増えていきますが、概念同士がどのようにつながっているのかはなかなか見えてきません。

この漠然とした不安を、どのように解決できるでしょうか?

ビット、ゲート、メモリ、命令を個別に覚えるとすぐに忘れてしまい、新しいCS科目を学ぶたびにまた最初から勉強し直さなければなりません。

ですので、この講義では一段階も飛ばしません。まず目で確認し、前で学んだ部品を次の概念に繋げながら、トランジスタからCPUまで順番に積み上げていきます。

受講を終えると、変数や関数が機械語になり、CPUで実行される全過程を一つの流れとして説明できるようになります。

難しく感じられる概念であるほど、まずは視覚的に示し、十分に繋ぎ合わせた後で用語を説明します。トランジスタからプログラムの実行まで、一段階も飛ばすことのない流れで、皆さんがコードの本質を自ら説明できるよう導いていきます。



講義の概要

コンピュータ構成:ボトムアップから

セクション 1

講義紹介および学習目標

トランジスタ一つからCPUとプログラムの実行までつながる全過程を、まずは一目で見渡します。予備知識と学習順序を確認し、3回の総合設計プロジェクトで何を完成させるか目標を立てます。

Section 2

ビットと二進数:機械の言語

コンピューターのすべてのデータと命令が0と1で表現される理由を理解します。二進数・十六進数・エンコーディング・2の補数を結びつけ、機械が数値と情報を扱う仕組みを習得します。

セクション 3

トランジスタと最初の論理回路

電圧で電流を制御するトランジスタの原理を目で確認します。二つのトランジスタがNOTゲートになる過程を追いながら、物理的なスイッチがいかにして計算の出発点になるのかを理解します。

Section 4

論理ゲート:チップの基本言語

AND・OR・NOTからNAND・NOR・XORまで、すべてのチップが使用する論理の基本文法を習得します。真理値表とゲート遅延を通じて、回路が判断し計算する仕組みを読み解くことができます。

Section 5

ブール代数:論理の数学

ブール代数とド・モルガンの法則を用いて、複雑な論理をより単純な回路に変換する方法を学びます。真理値表とカルノー図を関連付け、より少ないゲートでより速く効率的な回路を設計するための基準を確立します。

Section 6

組合せ回路:即座の演算

マルチプレクサ・デコーダ・比較器・シフタがデータを選択し、解釈し、移動させる過程を見ていきます。CPUの中で「どの値をどこへ送るか」を決定するデータ処理の基本ブロックを理解します。

セクション 7

バイナリ算術:回路による加算の実装

半加算器と全加算器から始まり、複数ビットの加算と減算を完成させます。キャリーの移動によって生じる遅延とそれを短縮する方法までを比較し、計算速度が回路構造によって変わる理由を理解します。

Section 8

プロジェクト: 4ビットALUの設計

これまで学んだ論理ゲート、加算器、シフタ、マルチプレクサを一つに繋ぎ、4ビットALUの設計プロセスを完成させます。各部品がCPUの演算装置として統合される瞬間を視覚的に確認します。

Section 9

順序論理とクロック:記憶する回路

出力の一部をフィードバックすることで、回路が過去を記憶できるという事実を学びます。ラッチ・フリップフロップ・クロックを接続し、状態が保存され、決められたタイミングで変化する原理を理解します。

セクション 10

レジスタとメモリ:ビット保存

1ビットを記憶する回路を複数束ねて、レジスタとメモリへと拡張します。アドレスで保存場所を選択し、データを読み書きする過程を追いながら、変数の値が実際にどこに保管されるのかを理解します。

セクション 11

バス:部品間の通信

CPUの様々な部品が線を無限に増やすことなくデータを共有する方法を学びます。アドレス・データ・制御信号がバスを通じて行き来する様子を見ながら、コンピュータ内部のデータフローを把握します。

Section 12

有限状態機械:計画された動作

状態と入力に応じて次の行動を決定する有限状態機械(FSM)を学びます。状態遷移図と状態遷移表を回路に落とし込む過程を通じて、複雑な動作を小さな規則で設計する方法を習得します。

セクション 13

プロジェクト:信号機コントローラ設計

FSMの状態・遷移・出力規則を実際の信号機制御の問題に適用します。要求事項を状態遷移図に整理し、必要な回路を設計する全過程を追いながら、順序論理の活用方法を確認します。

Section 14

フォン・ノイマン構造:プログラム内蔵

命令とデータを同じメモリに保存するフォン・ノイマン構造を理解します。プログラムがハードウェアの配線を変えることなくコンピュータの動作を変える核心的なアイデアと、その限界を併せて確認します。

セクション 15

命令と機械語:CPUの言語

CPUが理解する命令セット(ISA)と機械語のビット構成を読み解きます。演算・データ移動・分岐命令を繋げ、人間が作成したプログラムがCPUで実行される命令の連続へと変わる過程を理解します。

Section 16

データパス:CPUの動作をつなぐ

プログラムカウンタ、レジスタ、ALU、メモリを一つのデータパスとして接続します。一つの命令が実行される際、値がどこから出発してどこを経由するのかを視覚的に追跡します。

セクション 17

制御:CPU命令の解釈

命令のビットを解釈し、データパスの各部品に制御信号を送る原理を学びます。フェッチ・デコード・実行サイクルを完成させ、CPUが自ら次の行動を決定する方法を理解します。

セクション 18

ファイナルプロジェクト:CPUでのプログラム実行

これまで作ってきたALU、メモリ、データパス、制御ユニットを一つのCPUに統合します。簡単な機械語プログラムの各命令がフェッチ・デコード・実行される過程を最後まで追跡し、全体の構造を完成させます。

セクション 19

締めくくり:コンピュータ構成図および次の学習

トランジスタからプログラム実行までの流れを一枚の地図で再びつなぎ合わせます。学んだ概念がオペレーティングシステム・データ構造・ネットワーク・コンパイラとどのように繋がるかを確認し、次の学習の方向性を立てます。




講義の受講をおすすめする方

このような方におすすめです

文法やサンプルコードは追えるものの、自分が書いたコードがなぜ動くのかを説明するのが難しいプログラミング入門者

データ構造・オペレーティングシステム・ネットワークを学ぶ前に、揺るぎないCSの基礎を築きたい非専攻者・開発者志望の方




受講前のご注意事項


実習環境

  • コーディング実習はありません。別途プログラムのインストールや実習用機器も必要ありません。

  • PC・タブレット・モバイルなど、お好みの環境で映像と視覚資料のみで学習できます。


前提知識および注意事項

  • プログラミングの経験がなくても大丈夫です。

  • コードが動く仕組みに興味がある方に最適です。

  • 基礎的な四則演算と、0と1に対する好奇心さえあれば十分です。


学習資料

  • 各授業ごとに、授業ノートをPDFドキュメントで提供します。

こんな方に
おすすめです

学習対象は
誰でしょう?

  • プログラミングを始めたものの、文法の暗記にとどまってしまい、コードがなぜ動くのか理解できずにもどかしさを感じている入門者

  • OS・データ構造・パフォーマンス最適化を本格的に学ぶ前に、揺るぎないコンピュータサイエンスの基礎を築きたい予備開発者

  • コードを書き写すことはできるが、エラーが発生すると原因を推測できず、デバッグに行き詰まってしまう初心者開発者

  • データ構造・オペレーティングシステム・ネットワークを学ぶ前に、コンピュータがデータを保存し命令を処理する共通の基盤から固めたい学習者

  • 非専攻者として開発の勉強を始め、CS用語が互いにつながらず、断片のように感じている就職準備生

前提知識、
必要でしょうか?

  • 基本的な四則演算のほかに必要な予備知識はありません。

  • プログラミングの経験も必要ありません。

こんにちは
codingmaxです。

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受講レビュー

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回答

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講座

こんにちは。YouTubeで楽しいコーディング体験 - コーディングマックス(CodingMax)チャンネルを運営しているコーディングマックスです。
人生を歩みながら、新しい知識を学び、分かち合うことが大好きです。😊

 

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103件 ∙ (11時間 37分)

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