中学校技術/プログラムによる計測・制御

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プログラム[編集]

コンピュータの処理の手順をプログラムという。 プログラムを記述するための言語をプログラム言語という。


順次、分岐、反復
フローチャート、順次の例
フローチャート、分岐の例
フローチャート、条件繰り返し(反復)の例

コンピュータは条件判定によって、判定結果に応じて実行する処理を分岐でき、これを分岐という。

簡易なフローチャート これはsに1から10までの数字を足しこむ処理を表した図である。
Nの階乗 N! を計算するフローチャート


また、同じ処理を指定した回数だけ反復することもでき、これを反復という。


分岐や反復をしない場合は、特に指示がない限りは、前から順番通りに実行する。これを順次という。

分岐と反復を組み合わせて、条件が満たされている間だけ処理を反復するような手順も、プログラムで指示できる。

プログラム言語には様々な種類があるが、どのようなプログラム言語も、分岐や反復や順次処理などを利用している。

フローチャート

プログラムでの、順次や分岐や反復の組み合わせ方を、人間が理解しやすいように図示したものとしてフローチャートが有る。 横長のひし形(図では◇の横長のもの)で、条件分岐を表し、ひし形の中に、条件の内容を記述している。

順次処理は、横長の長方形で書かれる。処理内容は、四角の中に書かれる。

順番は、原則として、プログラムの最初が、フローチャートの一番上にあり、一番下が、最後の処理である。


プログラム言語

プログラム言語には多くの種類があるが、1980年代ごろからある古典的な言語では、BASIC(ベーシック)とC言語(シーげんご)とFORTRAN(フォートラン)やCOBOL(コボル)がある。(※ 範囲外: しかし、C言語のほかは、現代では新規のソフト開発にはあまり使われておらず、他の言語がつかわれる場合が多い。)

BASICは初心者向けとして有名であった。
(※ 範囲外: また、プログラム言語としては、かなり古くから、ベーシックはあり、そのため、ベーシック以降に開発された多くの他のプログラム言語に影響を与えた。)


C言語は、コンピュータで処理しやすいように文法が厳密である。歴史的にはオペレーティングシステムのプログラムの記述のために開発されたため、OSの開発など、システムの深い部分の処理にも利用しやすい。
C言語はコンピュータ技術者にとっては有用だが、それ以外の職業の用途では無用な特徴も多く、そのため、ほかの業界に合わせて開発されたプログラム言語がある。


アクチュエータへの応用[編集]

外界からの情報を信号として出力する装置をセンサという。 以下、コンピュータに取り付けられるセンサについて記述する。

センサとは別に、コンピュータなどからの信号に基づき外界の物体を動かす装置をアクチュエータという。

センサとアクチュエータをコンピュータに取り付ければ、センサで外界の状況を確認できるので、外界の状況が変わっても、センサで外界を確認しなおして、プログラムの判断基準(プログラムの条件分岐の機能を、アクチュエータの判断基準に応用できる。)に従い、アクチュエータで外界の物体をプログラム通りに動かせる。 このように、コンピュータ制御のアクチュエータを、センサと連動させることで、外界の環境変化に対応するアクチュエータを作ることができる。

一般に、パソコンの単体には、センサやアクチュエータは付属していないので、もしセンサやアクチュエータが必要な場合は、パソコン用のセンサやアクチュエータを購入などで入手してから、それらをパソコンに取り付けることになる。


(※ 範囲外: )論理代数[編集]

※ 2019年現在の中学技術の検定教科書では、下記のような条件判定については習わない。
ただし、資料集などで紹介される可能性があるので、wikibooksに残しておく。

コンピュータの分岐機能での条件判定では、次のような判定が出来ます。

  • 条件        数学の記号
AとBは等しい    A=B
AはBより大きい   A>B
AはBより小さい   A<B
AはB以上     A≧B
AはB以下     A≦B
AとBは等しくない A≠B


センサーなどを用いてアクチュエータ制御の条件判定を行う場合は、センサーの信号を数値に置き換えて行いる。


また、複数の条件判定を組み合わせた条件判定もある。次に示す、論理積や論理和などが、そうである。

  • 論理積
AND回路の説明図。この図は X and Y の図である。
電球がつくのは、スイッチXとスイッチYの両方が閉まっている時だけである。(スイッチが閉まっている状態を1とする。スイッチが開いている状態を0とする。)

たとえば、条件Xと条件Yの両方が満たされている時にのみ、ある行動を実行する条件判定をAND(アンド)という。このANDとは英語の接続詞の 「and」 のことである。式では、

X and Y

などと書く。

仮に条件が満たされていない場合を数字の0として、条件が満たされている場合を1とすると、andの性質が、掛け算に似ているので、そのことからAND演算を論理積(ろんりせき)ともいう。 ある条件Xが満たされていることを(しん)と言う。ある条件が満たされていない場合を(ぎ)と言う。 条件が真の時、これを数値の1で表すことができる。条件が偽のとき、数値の0で表すことができる。なお、このように、条件の数値を数値の1と0に置き換えて計算する代数学をブール代数(ブールだいすう)という。

条件 P 条件 Q P and Q
変数 P 変数 Q P × Q
1 1 1×1= 1
1 0 1×0= 0
0 1 0×1= 0
0 0 0×0= 0
  • 論理和

条件Xと条件Yの少なくとも、どちらか片方が満たされている時に、ある行動を実行する条件判定をOR(オア)という。このORとは英語の接続詞の 「or」 のことである。式では、

X or Y

などと書く。OR演算のことを論理和(ろんりわ)ともいう。

命題 P 命題 Q P or Q


  • 否定

他にも、条件Xが満たされていない場合に、(その他の条件Yなどについては不問)、ある行動を実行する条件判定をNOT(ノット)と言う。式では、

not X

などと書く。NOT演算のことを否定(ひてい)と言う。

命題 P notP
  • 排他的論理和

他にも、条件Xと条件Yの少なくとも、どちらか片方のみが満たされている時に、ある行動を実行する条件判定をXOR(エクスクルーシブ/オア)という。式では、

X xor Y

などと書く。XOR演算のことを、排他的論理和(はいたてき ろんりわ)とも言う。

条件判定のANDやORなどを回路図の一部として図示したものとして、論理回路がある。条件が満たされた時を、回路に電流が流せる時と同一している。 たとえば、AND回路では、A and B なら、Aに対応するスイッチとBに対応するスイッチが閉じることで、回路に電流が流せるようになる。 NOT回路では、not Aなら、普段はスイッチが閉じていて、条件Aが満たされた時に対応するスイッチAが開き、電流が流せなくなる。

コンピュータのハードウェア内部では、半導体トランジスタのスイッチング機能を用いて、論理回路を実現している。このようなハードウェアの仕組みを利用して、コンピュータは論理演算を行っている。なお昔の半導体のトランジスタが実用化される前には、三極真空管を用いて、スイッチング機能を実現していた。

(トランジスタのスイッチング機能については工業高校や工業大学の教育内容になる。)

中学の段階では、半導体トランジスタの仕組みについて、まだ知らなくても良い。


補足[編集]

プログラム言語の具体的な文法については、ウィキブックス内には、記事プログラミングなどに解説があります。 実習などで用いる言語は、時代によって変わるかもしれません。また、実習の内容によっても変わります。 たとえばウェブページを作る場合のプログラムはHTML(エイチ・ティー。エム・エル)という言語で記述を行う場合が多いです。

また、学校で用意された実習キットなどを用いてプログラミングを行う場合は、そのキット用に開発された独自の教育用のプログラム言語を用いる場合もあります。

中学の段階なら、BASICか、その派生言語を使うことが、あるかもしれません。