ソフトウェアの仕組み
命令もデータも同じ場所に並んでいて、CPU はそれを 1 つずつ読んで動く。小さな CPU を自分で回してみる
50分教師用メモ
準備 教室コードは新しいものにする。「教師」を押す。体験 01 は端末内で完結する。
時間配分 前回まとめ・目標 4分 ／ 節1 小さな CPU を回す 18分 ／ 節2 言葉の階段 12分 ／ 節3 頭脳・机・引き出し 10分 ／ まとめ・自己評価・ふりかえり 6分
教科書: 新編情報Ⅰ 22 ソフトウェアの仕組み（p.66）、章末資料 CPU とメモリ・CPU の処理能力。
この回の評価（指導要領 (3) ア(ア) イ(ア)。CPU が機械語のプログラムをデータとして読みながら実行すること、メモリの役割、プログラム内蔵方式。単元設計は 単元設計のページ）
- 知識・技能 命令とデータが同じ記憶装置に置かれ、CPU が順に読んで実行すること（プログラム内蔵方式）、機械語とプログラミング言語の関係、CPU・メモリ・ストレージの役割を説明している（体験01・02・03）
- 思考・判断・表現 小さな CPU の命令を並べ替えて目的の結果を出している（体験01）。身近な機器のプログラミング言語や性能の見方を考えている（体験02・03）
- 態度 プログラムが動く仕組みに興味を持ち、身のまわりの機器と結びつけようとしている（ふりかえり）
ふりかえりの枚の自己評価の分布を見て、「まだ」が多い目標を次回冒頭で拾い直す。
ハードは箱、ソフトが意味を与える
ソフトウェアは「命令の並び」だと言った。では、その命令はどこにあって、CPU はどう読んでいるのか。今日は 8 マスのメモリと 1 つの CPU だけの、小さなコンピュータを自分で動かす
命令とデータは、同じ場所にある
教師用メモ
前回「まだ」が多かった目標があれば 2 分拾う。
授業の終わりにできるようになること
1 命令ずつ進めて、答えを出す
人の言葉から 0 と 1 まで
性能の見方
小さな CPU を回す
8 マスのメモリ。読む、足す、しまう、出す
1 命令ずつ進めて、答えを出す
左がメモリ（8 マス）。上 4 マスが命令、下 4 マスがデータ。「1 歩進む」を押すと、CPU が青枠の命令を読んで実行する。全部進めたら、命令を並べ替えて「7 と 5 を足して表示する」を作る。この画面は自分の端末だけ
教師用メモ
進め方（14分）
- 投影で「1 歩進む」を 4 回。0 番地「4 番地を読む」→ A に 7。1 番地「5 番地を足す」→ A は 12。2 番地「A を出力」→ 12。3 番地「止まる」。
- 「CPU は何をしていた？」→ 番地を 1 つ進めて、そこの命令を読んで、実行しただけ。これを繰り返すだけで計算が進む。
- 「お題」を押すとデータが変わる。生徒は命令の番地（4 か 5 か 6 か 7）をタップして選び直し、7 + 5 = 12 を出す。
- データのマスをタップすると値を変えられる。「命令のマスに数を入れたら？」→ CPU は命令として読もうとする。命令とデータは同じ 0 と 1で、どう読むかを CPU が決めている（プログラム内蔵方式）。
実際の CPU は数十億個のトランジスタで、1 秒に数十億回この「読む→実行」を繰り返す（クロック）。目標 01。
プログラム内蔵方式 ｜ 命令もデータも記憶装置に置き、CPU が順に読む
| プログラム | コンピュータに指示する命令の集まり。命令が集まって部品になり、部品が集まってソフトウェアになる |
| プログラム内蔵方式 | 記憶装置に命令とデータの両方を格納し、CPU が順に読み込んで実行する。命令もデータも同じ 0 と 1。初期のコンピュータは配線を変えて命令を変えていた |
| クロック | 各回路の動作のタイミングを合わせる信号。1 秒の回数がクロック周波数。高いほど 1 秒に多くの命令を処理できる（発熱もする） |
※ 命令の並びを変えれば、同じ機械で別の仕事ができる。これがハードウェアに意味を与えるソフトウェアの正体
教師用メモ
目標 01。「ノイマン型」の名前は口頭で。量子コンピュータは非ノイマン型、と一言。
言葉の階段
人の言葉から、CPU が読める 0 と 1 まで
どの段の言葉か
人の言葉＝曖昧でもよい。プログラミング言語＝人が読み書きでき、曖昧さがない。機械語＝CPU が直接実行できる 0 と 1。タップして分け、「答え合わせ」
教師用メモ
進め方（7分） 3 分で答え合わせ。「なぜ人は機械語を直接書かない？」→ 読めない、間違える。だから人にも分かるプログラミング言語で書き、機械語に翻訳する（コンパイラ・インタプリタ）。
知っているプログラミング言語を挙げさせる（Python、Scratch、JavaScript、C、Java）。評価規準「プログラミング言語の種類を考える」。目標 02。
プログラミング言語 ｜ 人とコンピュータが会話するための言葉
| 機械語 | 0 と 1 の組み合わせの言語。コンピュータはこれ以外を直接解釈・実行できない。人が書くのは困難 |
| プログラミング言語 | 人にも分かりやすい言葉で命令を書くための言語。Python・Scratch・JavaScript・C など。書いたものがソースコード。機械語に翻訳して実行する |
| レシピとの違い | プログラムは料理のレシピに似ている（具材の代わりにデータ）。ただし「塩を少々」のような曖昧さは書けない。次回以降、実際に書く |
教師用メモ
目標 02。第5回から Python を書く、と予告。
頭脳・机・引き出し
パソコンを買うとき、どの数字を見るか
頭脳か、机か、引き出しか
CPU＝考える速さ。メモリ＝作業中のものを広げる場所（電源を切ると消える）。ストレージ＝しまっておく場所（消えないが取り出しに時間がかかる）。タップして分け、「答え合わせ」
教師用メモ
進め方（6分） 3 分で答え合わせ。「スマホの 128 GB は何の数字？」→ ストレージ。「動作が重いときに増やしたいのは？」→ メモリ。コア数は「料理する人の数」、クロックは「手の速さ」。
どの記憶装置も用途に応じて大きさを決める。速いほど高く、大きいほど遅い。目標 03。
CPU・メモリ・ストレージ ｜ 速さ・広さ・容量
| CPU | 頭脳。命令を読んで実行する。クロック周波数（1 秒の回数）とコア数（同時に処理する数）が性能の目安。上げると発熱と消費電力が増えるため、近年はコア数で伸ばす |
| メモリ（主記憶） | 机の天板の広さ。作業中のプログラムとデータを置く。広いと同時に多くを扱える。電源を切ると消える（揮発性） |
| ストレージ（補助記憶） | 引き出し。写真・動画・アプリをしまう。取り出しに時間がかかる。電源を切っても消えない（不揮発性）。SSD は HDD より速い |
プログラムはストレージからメモリに読み込まれ、CPU がメモリから 1 命令ずつ読む。体験 01 の 8 マスは、このメモリ
教師用メモ
目標 03。CPU 内部のレジスタ（体験 01 の A）は、メモリよりさらに速くて小さい作業場、と一言。
この回の CPU と、道具の CPU を見比べる
道具で命令を 1 つずつ進め、この回の CPU と動き方が同じところを確かめる
- 「この枚で開く」を押す
- 命令を 1 つずつ進める
- この枚の CPU と、動き方が同じところを言う
- 「この枚で開く」を押す
- 周波数を変える
- 1 秒あたりの処理回数がどう変わるかを見る
※ この枚は提出しない。自分の手で確かめて、分かったことをノートに書く
教師用メモ
進め方 提出させない枚。手を動かして確かめるところまで。机間指導で、止まっている生徒だけを見る。
6分。命令を 1 つずつ進める点は同じ。性能指標は発展。
道具は外で公開されている Web アプリ。この授業のページの中で開くので、別のページへは移らない。閉じれば、そのままこの枚に戻る。ブラウザの中で動き、入力はこの授業のサーバーには送られない。
3つの目標に、自分の操作で答える
今日の目標、自分はどこまで
3 つの目標それぞれに、できた／だいたい／まだ、を 1 つ選ぶ。右の帯にクラス全体の分布が出る
教師用メモ
1 分。「まだ」が多い目標は、次回の冒頭で拾い直す。
自分のスマホの「頭脳・机・引き出し」はいくつか
設定画面で調べられる範囲でよい（ストレージの容量は「設定 → ストレージ」）。自分のスマホが無い人・手元に無い人は、いま使っている学校の端末で調べてよい。分からなければ「何を見ればよいか」を書く
教師用メモ
3 分。次回は「CPU の中で足し算がどう行われているか」。論理回路。