うさぎでもわかる計算機システム　Part06　プロセッサの基礎

2019年7月10日 2021年8月10日 14分1秒

ももうさ

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こんにちは、ももやまです。
今回は計算機、特にプロセッサについての簡単なまとめを行いたいと思います。

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１．計算機の5大要素

皆さんは計算機（コンピュータ）と言ったらなにを思い浮かぶでしょうか。

例えば、スマホ・炊飯器・電卓・そろばん・プレステ4・switch（ゲーム機）など様々なものが思い浮かびます。

しかし、情報の世界で「計算機」と呼ばれるものは、下で書く5つの要素を全て持ったもののことを言います。

入力部（データ・プログラムを入力する。人間で言う目・耳・鼻）
出力部（プログラムの演算結果を出力する。人間で言う口・手・足）
演算部（プログラムに基づいて演算を行う。人間でいう脳）
記憶部（入力部で入力されたデータ・プログラムを記憶する。人間でいう脳）
制御部（上の4つの部の機能を効率よく動作させるような制御を行う。人間でいう神経部分）

を持っているものが「計算機」と呼ばれます。
（〜部ではなく、〜装置という言い方をすることもあります）

5つの部の関係を図示するとこのような感じとなります。

人間に例えてみた図も用意しました。

例えば、switch（ゲーム機）は、

入力部 → コントローラーとかで入力
出力部 → 画面に表示
演算部 → あらゆる部分で演算が行われている
記憶部 → セーブデータなどが記録されている
制御部 → （ほぼ全てのゲームが）快適にプレイするためにきちんと制御されるのでOK

なので計算機といえます。

しかし、電卓はどうでしょうか。
例えば、電卓を使って分散*1を計算してあげましょう。

確かに人間が問題（式）を何回か入力すれば、電卓は答えを出してくれます。

しかし、同じ問題でも違うデータになればどうでしょうか。
また人間は手打ちで計算式を入力してあげなければなりませんね。

計算式を記憶する部分がないのです。

なので計算機とは言えませんね……（同じくそろばんも計算機ではありません）。

計算機であれば、計算過程をプログラムし、記憶させることでデータさえ入れればあっという間に計算をしてくれます。

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２．機械語・アセンブリ言語・高級言語

sumas.cは、1〜10の和を表示するプログラムとします。

(1) 機械語

プロセッサは残念ながら人間が書いたプログラミング言語（C言語・Javaなど）を理解することができません。理解できるのは0,1の2進数のみです。

プロセッサが直接実行することができる2進数で書かれた言語のことを機械語と呼びます。直接実行するため、実行内容はプロセッサに依存します。

試しにsumas.cというファイルの機械語はどうなっているかを見てみましょう。機械語をみたいときは、

cc -c sumas.c

と端末で打ち込みます。すると、sumas.o という機械語のファイルが出来上がります。この中身をエディタなどで見るとバグるのでまたコマンドを打ちます。

hexdump sumas.o

と打つと、

0000000 cf fa ed fe 07 00 00 01 03 00 00 00 01 00 00 00
0000010 04 00 00 00 08 02 00 00 00 20 00 00 00 00 00 00
0000020 19 00 00 00 88 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
0000030 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮  ⋮
00002f0 4b 00 00 00 01 00 00 2d 41 00 00 00 02 00 00 15
0000300 00 00 00 00 01 00 00 06 01 00 00 00 0f 01 00 00
0000310 00 00 00 00 00 00 00 00 07 00 00 00 01 00 00 00
0000320 00 00 00 00 00 00 00 00 00 5f 6d 61 69 6e 00 5f
0000330 70 72 69 6e 74 66 00 00
0000338

と実行結果が出てきます。これが機械語です（16進数で表されているので0と1以外の数字も表示されている）。

もう嫌だ！！！

となりますよね。なので、機械語を理解するのは諦めてください。

(2) アセンブリ言語

アセンブリ言語は、機械語よりは人間が理解することができます。

また、機械語と1対1対応しています。なので、機械語と同じくプロセッサに依存します。アセンブリ言語を機械語に直すことをアセンブルといい、アセンブルを行うツールのことをアセンブラと呼びます。

主に限界の処理速度を求めるときや、プロセッサの細かい部分を制御するときなどにアセンブリ言語を使います。

試しにアセンブリ言語はどんな感じに書かれているのか、サンプルプログラム sumas.c を使って確認してみましょう。

cc -S sumas.c

と打ち込むと、sumas.s というファイルが生成されます。この中身を見てみると、

　　　　⋮ ⋮ ⋮ ⋮ 
_main:                                  ## @main
.cfi_startproc
## %bb.0:
pushq   %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset %rbp, -16
movq    %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register %rbp
subq    $16, %rsp
movl    $0, -4(%rbp)
movl    $0, -8(%rbp)
movl    $1, -12(%rbp)
LBB0_1:                                 ## =>This Inner Loop Header: Depth=1
cmpl    $10, -12(%rbp)
jg  LBB0_4
## %bb.2:                               ##   in Loop: Header=BB0_1 Depth=1
movl    -12(%rbp), %eax
addl    -8(%rbp), %eax
movl    %eax, -8(%rbp)
## %bb.3:                               ##   in Loop: Header=BB0_1 Depth=1
movl    -12(%rbp), %eax
addl    $1, %eax
movl    %eax, -12(%rbp)
jmp LBB0_1
　　　　　⋮ ⋮ ⋮ ⋮

となります。

まだ理解しようと思えば理解できますよね。

(3) 高級言語

高級言語は、（アセンブリ言語や機械語に比べて）人間が理解できるような形で書かれた言語です。C言語、Java、Python、Rubyなど皆さんが聞いたことがあるようなほとんどの言語は高級言語です。

高級言語をアセンブリ言語や機械語などより低級な言語に変換（翻訳）することをコンパイルといいます。

コンパイルをするためのソフトをコンパイラといいます（ごちゃごちゃになるので注意！）。

sample.c はC言語で書かれているので高級言語です。中身を見てみましょう。

/// sumas.c
#include<stdio.h>
int main() {
    int sum = 0;
    for(int i = 1; i <= 10; i += 1) {
        sum += i;
    }
    printf("Total:%3d\n",sum);
    return 0;
}