ビット

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曖昧さ回避 この項目こうもくでは、デジタルコンピュータが扱あつかうデータの最小さいしょう単位たんいについて説明せつめいしています。その他たの用法ようほうについては「ビット (曖昧あいまいさ回避かいひ)」をご覧らんください。

ビット (bit) は、情報じょうほう理論りろん、コンピューティング、多おおくのデジタル通信つうしんにおける情報じょうほうの基本きほん単位たんい（英語えいご版ばん）である。ビットは、コンピューティングでの二に値ちストレージやデジタル通信つうしんにおける二に値ちシンボルのことも意味いみし、そのストレージ・シンボルには、（情報じょうほう量りょうの単位たんいとしての）1ビットの情報じょうほうを記憶きおく・符号ふごう化かできる。二に進数しんすうの1桁けたのことであり、その名前なまえはbinary digitの2語ごの一部いちぶを組くみ合あわせた語かたり（かばん語ご）である[1]。

情報じょうほう理論りろんでは、1ビットは通常つうじょう、等ひとしい確かく率りつで0または1である二に進数しんすうランダム変数へんすうの情報じょうほう量りょう（情報じょうほうエントロピー）[2]、またはそのような変数へんすうの値ねが判明はんめいしたときに得えられる情報じょうほうとして定義ていぎされる[3][4]。情報じょうほう量りょうの単位たんいとして、このビットはクロード・シャノンにちなんで名付なづけられたシャノンとも呼よばれる[5]。厳密げんみつには、ビットはデータ量りょう（ストレージ量りょう）の単位たんい、シャノンは情報じょうほう量りょうの単位たんいと区別くべつするが、歴史れきし的てき経緯けいいにより後者こうしゃも前者ぜんしゃと同おなじ単位たんい（ビット）で表現ひょうげんされ、誤あやまりの可能かのう性せいを無視むししてよければNビットのストレージによりNビットの情報じょうほう量りょうが保持ほじできる。

1ビットの情報じょうほうは、二に進数しんすうの1桁けたとして論理ろんり値ちを表あらわし、2つの値ねのうち1つのみを持もつ。2つの状態じょうたいを持もつ何なんらかの機構きこうによって物理ぶつり的てきに実装じっそうできる。この状態じょうたい値ちは、最もっとも一般いっぱん的てきには「0」/「1」として表あらわされるが、真しん/偽にせ (True/False)、yes/no、+/-、on/offなどの他ほかの表現ひょうげんも可能かのうである。この値ねと実際じっさいの物理ぶつり的てき状態じょうたいとの対応たいおうは慣習かんしゅうの問題もんだいであり、同おなじデバイスやプログラム内うちでも異ことなる割わり当あてを使用しようすることができる。

ビットの単位たんい記号きごうは、IEC 80000-13:2008 では "bit"、IEEE 1541-2002やIEEE Std 260.1-2004（英語えいご版ばん）では"b"（小文字こもじのビー）を推奨すいしょうしている。一般いっぱんに8桁けたの二に進数しんすうのグループ（8ビット）は「1バイト (byte)」と呼よばれるが、歴史れきし的てきにはバイトのサイズは厳密げんみつには定義ていぎされていない。

歴史れきし[編集へんしゅう]

データを離散りさんビットによって表あらわす方法ほうほうは、バジル・ブション（英語えいご版ばん）とジャン＝バプティスト・ファルコン（フランス語ふらんすご版ばん）によって1732年ねんに発明はつめいされジョゼフ・マリー・ジャカールが1804年ねんに開発かいはつしたパンチカードに使用しようされ、後のちにセミオン・コルサコフ（英語えいご版ばん）、チャールズ・バベッジ、ハーマン・ホレリス、およびIBMなどの初期しょきのコンピュータメーカーにより採用さいようされた。また、鑽孔さんこう紙かみテープも同様どうようの考かんがえによるものであった。これら全すべてのシステムで、媒体ばいたい（カードやテープ）は概念的がいねんてきに穴あなの位置いちの配列はいれつを保持ほじしていた。それぞれの位置いちにおける穴あなの有無うむが1ビットの情報じょうほうを伝達でんたつした。ビットによる文章ぶんしょうの符号ふごう化かは、モールス信号しんごう（1844年ねん）や、テレタイプ、ストックティッカー（1870年ねん）などの初期しょきのデジタル通信つうしん機きでも使用しようされていた。

ラルフ・ハートレーは、1928年ねんに情報じょうほうの対数たいすう的てき計量けいりょうの使用しようを提案ていあんした[6]。クロード・シャノンは、1948年ねんの独創どくそう的てきな論文ろんぶん『通信つうしんの数学すうがく的てき理論りろん』で「ビット」という言葉ことばを初はじめて使用しようした[7][8][9]。シャノンは、その言葉ことばは1947年ねん1月がつ9日にちにベル研究所けんきゅうじょでジョン・テューキーが書かいたメモにおいて"binary information digit"（二に進数しんすう情報じょうほう桁けた）を略りゃくして"bit"と書かいたことに由来ゆらいするとしている[7]。1936年ねんにヴァネヴァー・ブッシュは、当時とうじの機械きかい式しきコンピュータで使用しようされていたパンチカードに保存ほぞんできる情報じょうほう量りょうのことを"bits of information"（情報じょうほうのビット）と書かいた[10]。コンラート・ツーゼによって構築こうちくされた最初さいしょのプログラム可能かのうなコンピュータは、数値すうちに二に進数しんすう表記ひょうきを使用しようした。

物理ぶつり的てき表現ひょうげん[編集へんしゅう]

ビットは、可能かのうな2つの別個べっこの状態じょうたい（英語えいご版ばん）のいずれかを保持ほじするデジタルデバイスやその他たの物理ぶつりシステムによって格納かくのうできる。例たとえばフリップフロップの2つの安定あんてい状態じょうたい、スイッチの2つの位置いち、電気でんき回路かいろで取とり得える電圧でんあつまたは電流でんりゅうの2つの異ことなるレベル、2つの異ことなる光ひかり強度きょうどレベル、磁性じせいまたは電気でんき極性きょくせい（英語えいご版ばん）の2つの方向ほうこう、DNAの二に本ほん鎖くさりの方向ほうこうなどである。

ビットはいくつかの形式けいしきで実装じっそうできる。ほとんどの最新さいしんのコンピュータデバイスでは、ビットは通常つうじょう、電圧でんあつや電流でんりゅうのパルス、またはフリップフロップ回路かいろの電気でんき状態じょうたいによって表あらわされる。

正せい論理ろんりを使用しようするデバイスの場合ばあい、1の数字すうじ値ち（または「真しん」(True) の論理ろんり値ち）は、0の表現ひょうげんよりもより高たかい正せいの電圧でんあつで表あらわされる。実際じっさいの電圧でんあつは、部品ぶひんの耐久たいきゅう性せいやノイズ耐たい性せいなど、部品ぶひんの特性とくせいに応おうじて決定けっていされる。例たとえば、transistor-transistor logic (TTL) やその互換ごかん性せいのある回路かいろでは、デバイスの出力しゅつりょく (Output) は、0が0.4ボルト (V) 以下いか、1が2.6ボルト (V) 以上いじょうで表あらわされる。入力にゅうりょく (Input) は、0.8 V以下いかは0、2.2 V以上いじょうは1、として認識にんしきするように設定せっていされている。

伝送でんそうと処理しょり[編集へんしゅう]

ビットは、シリアル通信つうしんでは一いち度どに1つずつ、パラレル通信つうしんでは複数ふくすうのビットが同時どうじに送信そうしんされる。ビット演算えんざんでは、ビットを1つずつ処理しょりする場合ばあいがある。データ転送てんそう速度そくどは、通常つうじょう、kbit/sなどビット毎秒まいびょう (bit/s)にSI接頭せっとう語ごをつけた単位たんいで表あらわされ、2進しん接頭せっとう辞じは使用しようされない。

保存ほぞん[編集へんしゅう]

ジャカード織機しょっきやバベッジの解析かいせき機関きかんなどの最もっとも初期しょきの非ひ電子でんし情報処理じょうほうしょり装置そうちでは、機械きかい的てきなレバーやギアの位置いち、または紙かみのカードやテープの特定とくていの位置いちの穴あなの有無うむとしてビットが保存ほぞんされていた。ディスクリートロジック用ようの初期しょきの電気でんきデバイス（エレベータや交通こうつう信号しんごう機きの制御せいぎょ回路かいろ、電話でんわ交換こうかん機き、コンラート・ツーゼのコンピュータなど）は、ビットを電気でんきリレーのオン・オフの状態じょうたいとして表あらわしていた。1940年代ねんだいからリレーが真空しんくう管かんに置おき換かえられたとき、コンピュータの設計せっけい者しゃは、水銀すいぎん遅延ちえん線せんを伝つたわる圧力あつりょくパルス、ウィリアムス管かんの内面ないめんに蓄積ちくせきされる電荷でんか、フォトリソグラフィ技術ぎじゅつによってガラスの円盤えんばんに印刷いんさつされる不透明ふとうめいなスポットなど、様々さまざまな保存ほぞん方法ほうほうを実験じっけんした。

1950年代ねんだいおよび1960年代ねんだいに、これらの方法ほうほうは、磁気じきコアメモリ・磁気じきテープ・磁気じきドラムメモリ・磁気じきディスクなどの磁気じき記憶きおく装置そうちに大おおきく取とって代かわられた。磁気じき記憶きおく装置そうちでは、ビットは強つよ磁性じせいフィルムの特定とくていの領域りょういきの磁性じせいの方向ほうこう、またはある方向ほうこうから他たの方向ほうこうへの極性きょくせいの変化へんかとして表現ひょうげんされる。1980年代ねんだいに開発かいはつされた磁気じきバブルメモリでも同おなじ原理げんりが使用しようされ、鉄道てつどうの切符きっぷやクレジットカードなど磁気じきストライプカードに使用しようされている。

DRAMなどの現代げんだいの半導体はんどうたいメモリでは、ビットはコンデンサに保存ほぞんされた電荷でんかの2つのレベルで表あらわされる。特定とくていのタイプのプログラマブルロジックデバイスや RAM では、回路かいろの特定とくていのポイントでの導しるべ電でんパスの有無うむによってビットが表あらわされる。光ひかりディスクでは、ビットは反射はんしゃ面めん上じょうの微小びしょうなピットの有無うむとして表あらわされる。1次元じげんバーコードでは、ビットは交互こうごの黒くろと白しろの線せんの太ふとさとして表あらわされる。

単位たんいと記号きごう[編集へんしゅう]

ビットは、国際こくさい単位たんい系けい (SI) では定義ていぎされていないが、国際電気こくさいでんき標準ひょうじゅん会議かいぎ (IEC) が発行はっこうしたIEC 60027では、二に進数しんすうの単位たんいの記号きごうは "bit" であり、キロビットを表あらわす "kbit" など全すべての倍数ばいすうで使用しようされると規定きていしている[11]。ただし、小文字こもじの "b" も広ひろく使用しようされており、IEEE 1541-2002などで推奨すいしょうされている。慣習かんしゅう的てきに、大文字おおもじの "B" はバイトを表あらわすのに使用しようされ、両者りょうしゃの間あいだには8倍ばいの差さがある。

複数ふくすうのビットを表あらわす単位たんい[編集へんしゅう]

ビットの単位たんい一覧いちらん
SI接頭せっとう語ご
 2進しん接頭せっとう辞じ
（IEC 60027-2による）
単位たんい 記号きごう SI基準きじゅん 慣用かんよう値ち 単位たんい 記号きごう 値ね
キロビット kbit 103 210 キビビット Kibit 210
メガビット Mbit 106 220 メビビット Mibit 220
ギガビット Gbit 109 230 ギビビット Gibit 230
テラビット Tbit 1012 240 テビビット Tibit 240
ペタビット Pbit 1015 250 ペビビット Pibit 250
エクサビット Ebit 1018 260 エクスビビット Eibit 260
ゼタビット Zbit 1021 270 ゼビビット Zibit 270
ヨタビット Ybit 1024 280 ヨビビット Yibit 280

伝統でんとう的てきに複数ふくすうのビットを表あらわす情報じょうほう単位たんい（英語えいご版ばん）がいくつか使用しようされてきた。最もっとも一般いっぱん的てきなのは、1956年ねん6月がつにワーナー・ブッフホルツ（英語えいご版ばん）によって作つくられた単位たんい「バイト」である。これは、歴史れきし的てきにコンピュータで1つのキャラクタの符号ふごう化かに使用しようされるビットの集あつまりを表あらわすために使用しようされた[12][13][14][15][16]。このため、多おおくのコンピュータアーキテクチャで基本きほん的てきなアドレスの単位たんいとして使用しようされた。過去かこには様々さまざまなビット数すうのバイトが使用しようされてきたが、今日きょうでは8ビットを1バイトとする実装じっそうが広ひろく使用しようされている。ただし、バイトの大おおきさが基礎きそとなるハードウェア設計せっけいに依存いぞんするという曖昧あいまいさを回避かいひするために、8ビットであることを明示めいじ的てきに示しめす単位たんい「オクテット」が定義ていぎされている。

通常つうじょう、コンピュータは、「ワード」と呼よばれる固定こていサイズのビットのグループ単位たんいで操作そうさを行おこなう。バイトと同様どうように、1つのワードに含ふくまれるビット数すうもハードウェア設計せっけいによって異ことなる。通常つうじょうは8〜80ビットだが、一部いちぶの専用せんようコンピュータではさらに大おおきくなる。21世紀せいき初頭しょとうにおいて、パーソナルコンピュータやサーバコンピュータのワードサイズは32ビットまたは64ビットである。

国際こくさい単位たんい系けいでは、基本きほんとなる単位たんいの十じゅう進数しんすうの倍量ばいりょう・分量ぶんりょうを表あらわすSI接頭せっとう語ごが定義ていぎされている。これは一般いっぱん的てきにビットやバイトに対たいしても適用てきようされている。ただし、本来ほんらいの十じゅう進数しんすうの倍量ばいりょう（1000の冪べき乗じょう）ではなく、1024 (=210)の冪べき乗じょうを表あらわすのに使用しようされることもあり、曖昧あいまいさの回避かいひのために1024の冪べき乗じょうであることを明示めいじする別べつの接頭せっとう辞じが定義ていぎされている（2進しん接頭せっとう辞じを参照さんしょう）。

情報じょうほう容量ようりょうと情報じょうほう圧縮あっしゅく[編集へんしゅう]

ストレージの情報じょうほう容量ようりょうや通信つうしん路ろの情報じょうほう容量ようりょうがビットやビット毎秒まいびょうで表あらわされるとき、多おおくの場合ばあいでバイナリデータを格納かくのうするコンピュータハードウェアの容量ようりょうである二に進数しんすうを指さす[17]。ストレージの情報じょうほう容量ようりょうは、そこに格納かくのうされる情報じょうほう量りょうの上限じょうげんに過すぎない。ストレージに含ふくまれる各かくビットの2つの可能かのうな値あたい（1と0）の数かずが等ひとしくない場合ばあい、ストレージに含ふくまれる情報じょうほうの情報じょうほう量りょうは、「情報じょうほう容量ようりょう」として表あらわされる数値すうちよりも小ちいさくなる。実際じっさい、値ねが完全かんぜんに予測よそく可能かのうならば、その値ねの読よみ取とりからは新あらたな情報じょうほうは得えられない（不ふ確実かくじつ性せいの解決かいけつが発生はっせいせず、したがって情報じょうほうが利用りようできないため、エントロピーはゼロである）。nビットのストレージを使用しようするコンピュータファイルに含ふくまれる情報じょうほうがm < nビットのみの場合ばあい、その情報じょうほうは原則げんそくとして少すくなくとも平均へいきんで約やくmビットで符号ふごう化かできる。この原則げんそくは、データ圧縮あっしゅく技術ぎじゅつの基礎きそである。最適さいてきに圧縮あっしゅくされた場合ばあい、伝送でんそう容量ようりょうは情報じょうほう量りょうに近ちかづく[17]。

ビット単位たんいの操作そうさ[編集へんしゅう]

一部いちぶのビット演算えんざんのプロセッサ命令めいれい（bit setなど）は、データをビットの集合しゅうごうと解釈かいしゃくして操作そうさするのではなく、個別こべつのビットを操作そうさするレベルで動作どうさする。

1980年代ねんだい、ビットマップコンピュータディスプレイが一般いっぱん的てきになると、一部いちぶのコンピュータでは、画面がめん上じょうの特定とくていの矩形くけい領域りょういきに対応たいおうするビットを設定せってい・コピーするための特殊とくしゅなビットブロック転送てんそう命令めいれい（"bitblt"または"blit"）を提供ていきょうした。

バイトやワードといった単位たんいにおけるビット位置いちの定義ていぎは CPU によって異ことなる。右みぎ端はし（数値すうちとしての最小さいしょう位い、LSB）を第だい0ビットにしている流儀りゅうぎと、左端ひだりはし（数値すうちとしての最大さいだい位い、MSB）を第だい0ビットにしている流儀りゅうぎの両方りょうほうがある。現在げんざいは前者ぜんしゃが多おおい。この違ちがいをエンディアンといい、前者ぜんしゃをリトルエンディアン、後者こうしゃをビッグエンディアンという。

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ Coded Character Sets, History and Development (1 ed.). Addison-Wesley Publishing Company, Inc.. (1980). p. x. ISBN 978-0-201-14460-4. LCCN 77--90165. オリジナルの2016-11-18時点じてんにおけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20161118230039/https://books.google.com/books?id=6-tQAAAAMAAJ 2016年ねん5月がつ22日にち閲覧えつらん。  [1]
  2. ^ Understanding Information Transmission, (2006) 
  3. ^ Digital Communications, (2006) 
  4. ^ IEEE Std 260.1-2004
  5. ^ “Units: B”. 2016年ねん5月がつ4日にち時点じてんのオリジナルよりアーカイブ。2019年ねん10月がつ1日にち閲覧えつらん。
  6. ^ Information theory and coding. McGraw-Hill. (1963) 
  7. ^ a b “A Mathematical Theory of Communication”. Bell System Technical Journal 27 (3): 379–423. (July 1948). doi:10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x. hdl:11858/00-001M-0000-002C-4314-2. オリジナルの1998-07-15時点じてんにおけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/19980715013250/http://cm.bell-labs.com/cm/ms/what/shannonday/shannon1948.pdf. "The choice of a logarithmic base corresponds to the choice of a unit for measuring information. If the base 2 is used the resulting units may be called binary digits, or more briefly bits, a word suggested by J. W. Tukey." 
  8. ^ “A Mathematical Theory of Communication”. Bell System Technical Journal 27 (4): 623–666. (October 1948). doi:10.1002/j.1538-7305.1948.tb00917.x. hdl:11858/00-001M-0000-002C-4314-2. 
  9. ^ A Mathematical Theory of Communication. University of Illinois Press. (1949). ISBN 0-252-72548-4. オリジナルの1998-07-15時点じてんにおけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/19980715013250/http://cm.bell-labs.com/cm/ms/what/shannonday/shannon1948.pdf 
  10. ^ “Instrumental analysis”. Bulletin of the American Mathematical Society 42 (10): 649–669. (1936). doi:10.1090/S0002-9904-1936-06390-1. オリジナルの2014-10-06時点じてんにおけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20141006153002/http://projecteuclid.org/euclid.bams/1183499313. 
  11. ^ National Institute of Standards and Technology (2008), Guide for the Use of the International System of Units. Online version. Archived 3 June 2016 at the Wayback Machine.
  12. ^ “Why is a byte 8 bits? Or is it?”. Computer History Vignettes (2000年ねん8月がつ8日にち). 2017年ねん4月がつ3日にち時点じてんのオリジナルよりアーカイブ。2017年ねん4月がつ3日にち閲覧えつらん。 “[…] With IBM's STRETCH computer as background, handling 64-character words divisible into groups of 8 (I designed the character set for it, under the guidance of Dr. Werner Buchholz, the man who DID coin the term "byte" for an 8-bit grouping). […] The IBM 360 used 8-bit characters, although not ASCII directly. Thus Buchholz's "byte" caught on everywhere. I myself did not like the name for many reasons. […]”
  13. ^ “7. The Shift Matrix”. The Link System. IBM. (1956-06-11). pp. 5–6. Stretch Memo No. 39G. オリジナルの2017-04-04時点じてんにおけるアーカイブ。. http://archive.computerhistory.org/resources/text/IBM/Stretch/pdfs/06-07/102632284.pdf 2016年ねん4月がつ4日にち閲覧えつらん. "[…] Most important, from the point of view of editing, will be the ability to handle any characters or digits, from 1 to 6 bits long […] the Shift Matrix to be used to convert a 60-bit word, coming from Memory in parallel, into characters, or "bytes" as we have called them, to be sent to the Adder serially. The 60 bits are dumped into magnetic cores on six different levels. Thus, if a 1 comes out of position 9, it appears in all six cores underneath. […] The Adder may accept all or only some of the bits. […] Assume that it is desired to operate on 4 bit decimal digits, starting at the right. The 0-diagonal is pulsed first, sending out the six bits 0 to 5, of which the Adder accepts only the first four (0-3). Bits 4 and 5 are ignored. Next, the 4 diagonal is pulsed. This sends out bits 4 to 9, of which the last two are again ignored, and so on. […] It is just as easy to use all six bits in alphanumeric work, or to handle bytes of only one bit for logical analysis, or to offset the bytes by any number of bits. […]" 
  14. ^ “The Word "Byte" Comes of Age...”. Byte Magazine 2 (2): 144. (February 1977). https://archive.org/stream/byte-magazine-1977-02/1977_02_BYTE_02-02_Usable_Systems#page/n145/mode/2up. "[…] The first reference found in the files was contained in an internal memo written in June 1956 during the early days of developing Stretch. A byte was described as consisting of any number of parallel bits from one to six. Thus a byte was assumed to have a length appropriate for the occasion. Its first use was in the context of the input-output equipment of the 1950s, which handled six bits at a time. The possibility of going to 8 bit bytes was considered in August 1956 and incorporated in the design of Stretch shortly thereafter. The first published reference to the term occurred in 1959 in a paper "Processing Data in Bits and Pieces" by G A Blaauw（英語えいご版ばん）, F P Brooks Jr and W Buchholz（英語えいご版ばん） in the IRE Transactions on Electronic Computers, June 1959, page 121. The notions of that paper were elaborated in Chapter 4 of Planning a Computer System (Project Stretch), edited by W Buchholz, McGraw-Hill Book Company (1962). The rationale for coining the term was explained there on page 40 as follows:
    Byte denotes a group of bits used to encode a character, or the number of bits transmitted in parallel to and from input-output units. A term other than character is used here because a given character may be represented in different applications by more than one code, and different codes may use different numbers of bits (ie, different byte sizes). In input-output transmission the grouping of bits may be completely arbitrary and have no relation to actual characters. (The term is coined from bite, but respelled to avoid accidental mutation to bit.)
    System/360 took over many of the Stretch concepts, including the basic byte and word sizes, which are powers of 2. For economy, however, the byte size was fixed at the 8 bit maximum, and addressing at the bit level was replaced by byte addressing. […]"     
  15. ^ Buchholz-1962Buchholz, Werner, ed. (1962), “Chapter 4: Natural Data Units” (PDF), Planning a Computer System – Project Stretch, McGraw-Hill Book Company, Inc. / The Maple Press Company, York, PA., pp. 39–40, LCCN 61--10466, オリジナルの2017-04-03時点じてんにおけるアーカイブ。, https://web.archive.org/web/20170403014651/http://archive.computerhistory.org/resources/text/IBM/Stretch/pdfs/Buchholz_102636426.pdf 2017年ねん4月がつ3日にち閲覧えつらん。 
  16. ^ “A proposal for a generalized card code of 256 characters”. Communications of the ACM 2 (9): 19–23. (1959). doi:10.1145/368424.368435. 
  17. ^ a b Information in small bits Information in Small Bits is a book produced as part of a non-profit outreach project of the IEEE Information Theory Society. The book introduces Claude Shannon and basic concepts of Information Theory to children 8+ using relatable cartoon stories and problem-solving activities.

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]

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