プログラムはなぜ動くのか

①プログラマにとってＣＰＵとはなにか

プログラムって何？

• コンピュータに実行させる処理の順番を示すもの。

• 運動会やコンサートのプログラムのように、「何かを行う順番を示すもの」という意味。

プログラムの中には、何が含まれている？

• プログラムは、命令とデータの集合体になっています。

• 例えば、Ｃ言語のｐｒｉ nｔｆ（”こんにちは”）；というプログラムは、ｐｒｉ nｔｆが命令であり、”こんにちは”がデータです。

マシン語って何？

• ＣＰＵが直接解釈できる言語。• Ｃ言語やＪＡＶＡなどで記述されたプログラムは，最終的にマシン語に変換されます。

実行時のプログラムはどこにある？

• メモリー（メインメモリー）にコピーされてから実行されます。

メモリーのアドレスとは、何ですか？

• メモリー上で命令やデータが格納されている場所を示す値。

• 番地とも呼びます。

０１００

０１０１

０１０２

０１０３

０１０４

アドレス

０１０５

０１０６

メモリーの内容命令：０１０５番地の値をアキュムレータに格納せよ

命令：０１０６番地の値を汎用レジスタに格納せよ

命令：アキュムレータの値に汎用レジスタの値を加算せよ。

命令：アキュムレータの値をディスプレイに表示せよ

命令：プログラムを終了せよ。（ＯＳに戻れ）

データ：１２３

データ：４５６

コンピュータの構成要素の中で、プログラムを解釈・実行する装置は何

ですか。• ＣＰＵ。（ＣＥＮＴＲＡＬ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　ＵＮＩＴ）

• 中央処理装置のこと。• プログラムの命令にしたがって、データの演算やコンピュータ全体の制御を行う装置をＣＰＵと呼びます。

• 多くのトランジスタから構成されたＩＣという電子部品からなる。

プログラム実行のイメージ

#include<stdio.h>int main() {　　　　　 int data[100];

０１１００１０００１１１００１０１１００１００１１００１０１１０００１１００１０１１００

ＣＰＵを構成する４つの機能要素

制御装置

演算装置

クロック

レジスタ１

レジスタ２

レジスタｎ

・・・

• 制御装置　　

全商　３級

コンピュータの５大装置

入力・記憶・演算・出力の各装置が効率よく動作するようにコントロールする装置。

• 演算装置　　記憶したデータをもとに命令に従って四則演算や比較判断を行う装置。

レジスタってなに？

• 処理対象となる命令やデータを格納する領域で一種のメモリーのようなもの。

• １つのＣＰＵの内部には種類によって異なるが２０～１００個ほどのレジスタがある。

• プログラムはレジスタを対象として記述される。

• 16ビットＰＣや 32ビットＰＣという時の「○○ビット」とは、レジスタの桁数のことを表す。

主なレジスタの種類とその役割レジスタの種類 役割

アキュムレータ 演算を行うデータ及び演算後のデータを格納する。

フラグ・レジスタ 演算処理後のＣＰＵの状態を格納する。

プログラム・カウンタ

次に実行する命令が格納されたメモリーのアドレスを格納する。

ベースレジスタ データ用のメモリー領域の先頭アドレスを格納する。

インデックスレジスタ

ベースレジスタからの相対アドレスをかくのうする。

汎用レジスタ 任意のデータを格納する。

命令レジスタ 命令そのものを格納する。ＣＰＵが内部的に利用する。

スタック・レジスタ

スタック領域の先頭アドレスを格納する。

プログラムの流れを決めるプログラムカウンタ

０１００

０１０１

０１０２

０１０３

０１０４

プログラムカウンタ

プログラムの流

れ０１００

０１０１

０１０２

０１０３

０１０４

アドレス

０１０５

０１０６

メモリーの内容命令：０１０５番地の値をアキュムレータに格納せよ

命令：０１０６番地の値を汎用レジスタに格納せよ

命令：アキュムレータの値に汎用レジスタの値を加算せよ。

命令：アキュムレータの値をディスプレイに表示せよ

命令：プログラムを終了せよ。（ＯＳに戻れ）

データ：１２３

データ：４５６

＊実際には、１つの命令やデータが複数のアドレスにまたがって格納されている。

基本制御構造処理の流れは、順次、選択、繰り返しの３つの構造で表現できる。

順次構造

処理１

処理２

処理３

選択構造

条件

処理１ 処理２真

偽

繰り返し構造

繰り返し条件

処理真

偽

選択、繰り返しのしくみは？

•プログラムの中に条件分岐や繰り返しがある場合は、それらのマシン語命令が、プログラムカウンタの値を任意のアドレスに（＋１でない値に）設定することになる。

ＣＰＵにできることは、いたって単純

種類 機能データ転送命令 レジスタとメモリー、メモ

リーとメモリー、レジスタと周辺装置の間でデータを読み書きする。

演算命令 アキュムレータで算術演算、論理演算、比較演算、シフト演算を行う。

ジャンプ命令 条件分岐、繰り返し、無条件のジャンプを行う。

コール／リターン命令

関数を呼び出す／呼び出し元に戻る

②データを２進数でイメージしよう

３２ビットは、何バイトですか？

• ８ビット＝１バイトなので、３２ビットは　３２ ÷８＝４バイトになります。

０１０１１１００という２進数は、１０進数でいくつになりますか• ２進数の各桁に重みに掛けた結果を足すことで１０進数に変換できる。

　　２０

２１

２２

２３

２４

２５

２６

２７０１０１１１００（０１０１１１００）２＝

4+8+16+64

=92

００００１１１１という２進数を、２桁左シフトすると、元の数を何倍したことになりますか。• ２進数を１桁左シフトすると、元の値が２倍されます。２桁左シフトすると、４倍されます。

（０００１１１１０）２＝３０１０

（００００１１１１）２＝１５１０

（００１１１１００）２＝６０１０

２倍

４倍

なぜコンピュータが情報を２進数で扱うのか？

３２ビットは、何バイトですか？

• ８ビット＝１バイトなので、３２ビットは　３２ ÷８＝４バイトになります。