機械語とは、CPU が命令を実行する仕組み

CPU はどうやって命令を実行するのか

CPU は、メモリから命令を 1 つ取り出し、何の命令かを解読し、実行し、次の番地へ進む、という同じ手順を繰り返します。

機械語は数の並び

機械語は、命令を数で書いたものです。1 つの命令は「何をするか」と「何に対してするか」の組でできています。前の部分をオペコード (命令の種類を表す数)、後ろの部分をオペランド (命令の相手、たとえば番地を表す数) と呼びます。

この回では、説明のために小さな機械の模型を使います。命令は 1 つ 2 バイトで、1 バイト目がオペコード、2 バイト目がオペランドです。オペコードの表は次の通りです。この表は模型のために決めた物で、本物の CPU の番号ではありません。

レジスタは、CPU の中にある小さな置き場で、計算はここに入れた値どうしで行います。模型のメモリは 16 バイトで、番地 10 に a、11 に b、12 に c を置きます。c = a + b を命令に直し、さらに数の並びに直します。

10 0a LOAD A 10
11 0b LOAD B 11
20 00 ADD A,B 0
30 0c STORE A 12
01 00 HALT 0
10 0a 11 0b 20 00 30 0c 01 00
10 バイト

1 行が 1 命令で、左の 2 つの 16 進数がその命令の機械語です。足し算そのものは LOAD A、LOAD B、ADD A,B、STORE A の 4 命令で、最後に止まるための HALT を足しています。下から 2 行目の 10 0a 11 0b … が、模型にとってのプログラムの正体で、名前も = も残っていません。

取り出す、解読する、実行する、次へ進む

CPU は、プログラムカウンタ (次に読む命令の番地を覚えている置き場、PC と略す) を使って、命令を 1 つずつ進めます。手順は次の 4 つで、これを命令の数だけ繰り返します。

下の図を 1 段ずつ進めると、PC が 100 番地から順に命令を指し、A と B の中身が変わります。図の LOAD は番地を読まずに数をそのまま入れるので、模型とは番地の付け方が違いますが、4 つの段の繰り返しは同じです。

命令もデータも、同じメモリに数として並んでいます。メモリは作業のあいだだけ使う置き場で、プログラムを動かすときに、保存先から命令とデータが読み込まれます。

アセンブリ言語は機械語に名前を付けた物

アセンブリ言語は、機械語の命令 1 つ 1 つに、人が読める短い名前を付けて書く言葉です。上の模型の LOAD A や ADD A,B がそれに当たります。アセンブリ言語を機械語の数に直すことをアセンブル、直す道具をアセンブラと呼びます。

プログラムの言葉は、CPU の命令に近いほど低水準、人の考え方に近いほど高水準と呼ばれます。

C 言語のような高水準言語の 1 行を、何個の命令に分けるかを決めるのは、コンパイラ (プログラム全体を前もって機械語に訳す道具) です。

本物の CPU では何個の命令になるか

本物の CPU でも、1 行の足し算は数個の命令に分かれ、何個になるかは CPU の種類で変わります。次の C 言語のファイルを、手元の Mac (uname -m が arm64 と答える機械) でコンパイルしました。

int a = 5, b = 3, c = 0;

void f(void) {
    c = a + b;
}

道具は Apple clang 17.0.0 (clang-1700.6.4.2) と同じ版の objdump です。cc -O1 -S add.c はアセンブリ言語を出します。関数の中身の行だけを抜き、字下げを空白にしました。

adrp x8, _a@PAGE
ldr  w8, [x8, _a@PAGEOFF]
adrp x9, _b@PAGE
ldr  w9, [x9, _b@PAGEOFF]
add  w8, w9, w8
adrp x9, _c@PAGE
str  w8, [x9, _c@PAGEOFF]
ret

この回では、関数から戻る ret は数えず、c = a + b のための命令だけを数えます。arm64 では 7 命令です。adrp (変数のある場所の大まかな番地を作る命令) が 3 回、ldr (読み込み) が 2 回、add (足し算) が 1 回、str (書き出し) が 1 回です。模型の LOAD、LOAD、ADD、STORE に、番地を作る 3 命令が加わった形です。

同じファイルを cc -O1 -c add.c で機械語の入った add.o にし、objdump -d add.o で中を見ました。32 字に収めるため、空白を詰め、行の後ろの注釈を外しています。

 0: 90000008 adrp x8, 0x0
 4: b9400108 ldr w8, [x8]
 8: 90000009 adrp x9, 0x0
 c: b9400129 ldr w9, [x9]
10: 0b080128 add w8, w9, w8
14: 90000009 adrp x9, 0x0
18: b9000128 str w8, [x9]
1c: d65f03c0 ret

左から、番地 (16 進)、機械語、それをアセンブリ言語に戻した物で、1 対 1 で並んでいます。番地が 4 ずつ進むので、どの命令も 4 バイトです。0x0 のように番地が 0 のままなのは、add.o が組み立て途中の部品で、変数の本当の番地は最後にまとめるときに埋まるからです。

真ん中の 90000008 は、4 バイトを 1 つの数として見た値です。メモリに並ぶ順は、objdump -s でバイトのまま見ると分かります。

0000 08000090 080140b9
     09000090 290140b9
0010 2801080b 09000090
     280100b9 c0035fd6

90000008 は、メモリでは 08、00、00、90 の順に並んでいます。下の桁のバイトから先に置く並べ方で、エンディアンの回で扱う話です。

同じ add.c を、Intel の CPU などで使われる x86_64 向けに cc -O1 -fomit-frame-pointer -target x86_64-apple-macos で作ると、命令が変わります。

movl _b(%rip), %eax
addl _a(%rip), %eax
movl %eax, _c(%rip)
retq

 0: 8b 05 00 00 00 00 movl
 6: 03 05 00 00 00 00 addl
 c: 89 05 00 00 00 00 movl
12: c3                retq

x86_64 では、retq を除いて 3 命令です。addl がメモリの a を読みながら足すので、読み込みが 1 つ少なく済みます。命令の長さも 6 バイトと 1 バイトでそろっていません。同じ 1 行でも、機械語の数の並びは CPU の種類ごとに全く違います。