コンピュータの仕組み

• CPU (Central Processing Unit) は、マシン語と呼ばれる言語で書かれた命令の列（プログラム）を順次メ モリから読み込みながら、その通りの動作を行う。内部に、レジスタという、 値を記憶する場所がいくつか、それと、現在実行している命令のアドレスを記 憶するプログラムカウンタが存在する。

• メモリ (Memory)は、データを記憶する場所であり、１バイトごと に番地（アドレス）がふられている。２バイト、４バイトといった大きさのデー タを格納する時には、指定された番地から連続して２つ、４つの箱が使われる。 メモリに記憶される内容は、プログラムとデータの2種類に分けられる。

• 入出力装置 (Input/Output device) は、ハードディスクや CD, DVD, ディスプ レイ、キーボード、マウス、ネットワーク、スピーカーなどの外部の部品と の間でデータをやりとりするための機器である。

• バス (Bus)は、CPU, メモリ、入出力装置の間でデジタルなデータ をやりとりするための情報の通路であり、マザーボードの上に実現されており、 チップセットにより制御されている。バスという言葉は、複数の機器で共有さ れるデータの通信路という、もっと広い意味で使われることもある。

このシミュレータの構成 (括弧内は、実行画面上での名称)

• CPU は、32ビットのレジスタ(Register)を１本と4ビットのプログラムカ ウンタ(PC)を持っている。
• メモリは、プログラム用メモリ(Program)とデータ用メモリ(Data)に分か れており、アドレス空間の大きさも単位になるデータの大きさも異なる。これ は、通常のコンピュータとは違うところである。個々の命令の長さを１バイト にするため、このような設計になっている。
• プログラム用のメモリは、情報を格納する単位は１バイトであり、アドレ ス空間は16の大きさをしている。すなわち、１バイトのデータを格納できる 箱が１６個あり、0 から 15 までの番号が振られている。アドレスは、４ビッ トで指定できる。（よって、プログラムカウンタは４ビットである。）アドレ スを表記する時には、１６進法で、0 から f で表す。
• データ用のメモリは、情報を格納する単位は４バイト(すなわち32ビット)で ありアドレス空間は8の大きさをしている。すなわち、４バイトのデータを格納 できる箱が８個あり、0 から 7 までの番号が振られている。アドレスは、3ビッ トで指定できる。CPU のレジスタ、および、データ用メモリに格納された32ビッ トの0,1の列は、２の補数表現の整数としてのみ扱われる。すなわち、-2の３１ 乗から、2の３１乗-1 までの数として扱われる。
• 入出力装置として、ディスプレイ(Display)だけがつながっている。入力 はできない。入力の代りに、実行開始時のデータ用メモリの値を指定する。
• マシン語の命令は、それぞれ１バイト（すなわち8ビット）である。（実 際の CPU で使われるマシン語では、このように命令長がそろっているとは限ら ない。）個々のマシン語の命令は、上位４ビットと下位４ビットに分けられ、 上位４ビットは命令の種類、下位４ビットは引数を指定している。

マシン語について

• 命令の種類は、上位４ビットで指定する。16 種類あり、下記の表では、 0 から f までの16進法で表記している。
• 個々の命令の種類には、表のように名前がついている。
• 命令の引数は、下位４ビットで指定する。引数は、データ用メモリ、ある いはプログラム用メモリのアドレスを意味している。命令の種類により、引数がど ちらのアドレスであるか、あるいは、全く引数をとらないかが決まっている。
• HALT, PRINT は引数をとらない。下位４ビットは常に０である。(下の表で n。)
• JUMP, JUMPZERO, JUMPGR, JUMPGE は、プログラム用メモリのアドレスをとる。 (下の表で p。)
• それ以外は、データ用メモリのアドレスをとる。 (下の表で d。)
• データ用メモリのアドレスの場合、アドレスの指定には3ビットしか必要な いので、下位4ビットの一番上のビットがあいている。このビットは、以下に述 べる間接アドレッシングに用いられる。
• このビットが 0 なら、下位3ビットが指定する 0 から 7 の数をアドレス として用いる（直接アドレッシング）。
• このビットが 1 なら、データメモリの、下位3ビットが指定する 0 から 7 の数のアドレス に格納されている値をアドレスとして用いる（間接アドレッシング）。
• アセンブラで記述する時には、命令の名前の後にスペースをあけて、その 後に引数を16進法で記述する。ただし、間接アドレッシングの時には、引数の 前に* をつける。
• 例えば、ADD 4 と書けば、34, JUMPGE c は ac、HALT は f0、STORE *7 は 2f というマシン 語の命令（コード）となる。

使用方法：

まず、edit モードで、Program の左の欄にプログラムのアセンブラ・コード、 Data にデータ用メモリの初期値を書き込む。あるいは、右上の Samples, Advanced Samples のメニューからサンプル・プログラムを選ぶこともできる。 後者は、間接アドレッシングを用いたサンプル・プログラムが入っている。 英文字は、大文字、小文字のどちらでも構わない。また、最 下部の Machine Code の所に、マシン語のバイト列として入力することもでき る。

プログラムとデータができたら、ラジオボタンで execute モードを選ぶ。 すると、アセンブラ・コードがマシン語に変換されて右の欄と最下行に表示され、onestep, go, reset の3つのボタンが使用可能となる。onestep で1命令実行、go で halt 命令により終了するまで実行する。reset で最初の状態に戻る。ただし、go でいつ までたっても halt に到達しない場合のことを考え、go も 500ステップ進 んで halt に到達しなければ、止まる様にしてある。続けて実行したければ、 再び go を押せばよい。

edit モードに戻れば、プログラムやデータを変更することができる。

サンプルプログラムの説明：

• sum0: data[0], data[1], data[2], data[3] の和を表示する
• sum1: data[3], data[4], data[5] の和を求め、それが data[0] より大きければ 1 (data[2]) を、そうでなければ 0 (data[1]) を表示する。
• sum2: 0 から 100 (data[1]) までの和を求め、表示する。
• fukuri: 10000 (data[3]) 円を 利率 1.03 (data[4]/data[5]) で 100 (data[2]) 年貯金した 時の毎年の元金+利息 を表示する。
• prime: 素数の一覧表を作成する。このプログラムは終了しない。

• sum0: data[1]から data[7] までの和を表示する。
• sum1: data[3]から data[7] までの和を表示する。より正確には、 data[data[0]]から data[data[1]] までの和を表示する。
• prime: 素数を、data[3], data[4],... に格納していく。このプログラムは終了しない（エラーで終わる）。

• data[0] * data[1] + data[2] を計算、表示する。
• data[0] と data[1] の2乗の和を求め、表示する。
• 0, 1, 2, ... と無限に表示する。
• 0, 1, 2, ..., 20 と20(data[1] の値)まで表示する。
• 0 から 100 (data[1]) までの2乗の和を求め、表示する。
• 10000 (data[3]) 円を 利率 1.03 (data[4]/data[5]) で 何年貯金したら2倍になるか求める。

Hideki Tsuiki,
tsuiki@i.h.kyoto-u.ac.jp