2 コンピューターの仕組み

2.1 コンピューターの基本構成

コンピューターは複雑な装置であるが，図1のような機能の 集まりに分解できる²．それぞれの機能(装置)は，制御信号線とデータ信号線で 接続されている．そこを，0と1のパルスの信号が信じられないくらい高速でかつ調和を取っ て流れ，全体としてコンピューターが動作する．大量の信号がひとつも間違いなく伝送され るのは驚きである．この信号線は人間で言えば神経のようなものである．

コンピューターの基本構成は図1に示したとおりであるが， 制御装置と演算装置，記憶装置，入力装置， 出力装置を五大装置と呼ぶ．それぞれは，次のような働きがある．

制御装置

主記憶装置(メインメモリー)に格納されているプログラム(命 令)を受け取り，それを解読し，電気信号に変え，各装置に指 令を出す．

演算装置

主記憶装置(メインメモリー)に格納されているデータを受け 取り，制御装置の指令に従い，それを加工(処理)する．

記憶装置

記憶装置は，主記憶装置と補助記憶装置がある．

主記憶装置

命令とデータからなるプログラムを格納する．

補助記憶装置

主記憶装置には容量に制限があるので，それを越えるも のをここに格納する．また，主記憶装置は電源を切ると， データが失われるので，半永久的に残したい場合，補助記 憶装置に格納する．ハードディスクやCD-ROMがこれに当た る．

入力装置

コンピューターの外部からデータを取り込む装置である．キー ボードやマウス等がこれに当たる．

出力装置

主記憶装置に格納されているデータをコンピューター外部に 出力する装置である．ディスプレイやプリンター等がこれに当 たる．

主記憶装置(メインメモリー)は略して，メモリーと呼ばれることが多い．この講義でもメ モリーといえば，主記憶装置(メインメモリー)を指す．パソコンの広告を見ると「メモリー 512Mbyte搭載」とか書いてある．これがまさにメモリーの大きさを示している．

これらのなかで，制御装置と演算装置をまとめて中央制御装置(CPU:Central Processing Unit)と言う．とくに，これらを一つのチップにまとめたものを MPU(Micro Processing Unit) と言う．Intel社のPentiumやAMD社のAthlon，IBM社のPowerPCなどがMPUである．世 間一般ではMPUとCPUはほとんど同義語として使われるので，本講義では全てCPUに統一す る．その方が諸君もなじみ深いであろう．

図1では，入力装置と出力装置は分けたが，ひとつで2つの機 能を果たすものもある．例えば，LANカードがそれにあたる．

図 1: コンピューターの基本構成

2.2 メモリーとCPU

ここで，コンピューターを構成する最小の部品を考える．コンピューターはCPUとメイン メモリーで動作する．メインメモリーにプログラムを格納して，CPUとデータの受け渡し を行い，データを処理することができる．図2のようなも のである．ここに書いているデータバスとかアドレスバスについては，後で説明する．

プログラマーは，メモリーの内容をある程度自由に変更ができる．そのようなこと から，メモリーを意識してプログラムを作成することが重要である．アセンブラー言語を使うと なるとCPUについても意識が必要であろうが，C言語ではそこまで要求しない．諸君は，メ モリーを意識しろ!!!

図 2: もっとも原始的なコンピューター．バスの矢印は情報の流れを示す．

2.3 メインメモリーのモデル

メインメモリーのハードウェアーの構造については，ここではどうでも良い．それよりか， メインメモリーのモデルを理解することが重要である．

メインメモリーの役割は，命令とデータからなるプログラムを記憶することである．記憶 する内容は，0と1のビットパターンのみである．なぜならば，プログラムは全て，0と1の 数字で表せ，二進数で表現可能であるからである．コンピューター内部では，データも命 令も全て0と1の二進数で表現している．命令も二進数である;どうだ，驚いたか．ここで は，この二進数のビットパターンを格納するメモリーについて学習する．

プログラムという情報は記憶するだけでは全く役に立たない．記憶した内容を取り出せて 初めて，活用ができる．また，格納できる情報がひとつでは全く役に立たない．多くの情 報が格納でき，必要なときにいつでも取り出すことができる装置がメモリーである．

メモリーは大量の情報を格納し，その中の任意の情報を取り出すことができる．そのため に，メモリーには記憶する場所毎に住所が決められている．この住所のことをアドレス (address)と言い，整数の番地がふってある．諸君が使っているパソコンのアドレス は32ビットで表現されている³．そして，一つの番地には，8個の0と1が記憶できる．この様子を図 3に示す．

図を見て分かるとおり，2進数の表現は桁数が多くて人間にとって大変である⁴．そこで，通常は，2進数の4桁をまとめて，16進数で 表す．そうすると，アドレスは16進数8桁，記憶内容は16進数2桁で表すことができ，分か りやすくなる．その様子を図4に示す．

ついでに述べておくが，1個の0あるいは1の情報量を1ビットと言う．8ビットで1バイトと 言う．従って，メインメモリーの一つの番地(アドレス)には，1バイト(8ビット)の情報が 記憶できる．

メモリーについて覚えておくことは，以下の通りである．

-4pt

• アドレスは32ビットで表現している．これは16進数では8桁である．
• ひとつのアドレスに8ビット(1バイト)記憶できる．
• 8ビットを1バイトと言う．

図 3: メモリーのモデル(2進数)

図 4: メモリーのモデル(16進数)

ところで，CPUは，どのようにしてメモリーに情報を書き込んだりメモリーから情報を読み込んだり するのだろうか? 簡単にその仕組みを説明するので，図2 のアドレスバスとデータバスを見よ⁵．CPUは読み書きを行いたいアドレスをアドレスバス の電圧を使って，メモリーに知らせる．32本のアドレスバスの電圧をhigh--1の状態-- とlow--0--の状態にすることにより，32ビットのアドレスを指定する．すると，8本の データバスをとおして，データが流れるのである．読み込み/書き込みの区別は，CPUが制 御線の電圧で決め，それに応じてメモリーが動作する．

2.4 メモリー中の変数の値

2.4.1 変数のバイト数

C言語では，変数の型により，データのサイズが異なる．諸君が使っているパソコンの型 毎のデータのバイト数は表1の通りである．文字型であれば， ひとつのアドレス内に格納することができる．ひとつのアドレスには1バイトのデータが 格納でき，文字型のデータは1バイトの情報を持つからである．整数型では4つ，倍精度実 数型では8個のアドレスが必要である．ひとつのアドレスにひとつのデータが記憶さえれてい る訳ではない．

付録のリスト4にデータ型のバイト数を調べるプログラムを載せておく．

表 1: 変数の型とバイト数

型名	データ型	バイト数	ビット数
文字型	char	1	8
整数型	int	4	32
倍精度実数	double	8	64

2.4.2 メモリー中のビットパターン

それでは，実際にメモリーにデータが格納する様子を見よう．次のようにプログラムに書 いたとする．

  double x=-7.696151733398438e-4;
  int i=55;
  char a='a';

それぞれのデータは， -4pt

• xの値のビットパターンは，前回の講義の付録を見れば分かる．ただし，ちょっと難しい．分からなくてもよい．
• $(55)_{10}=(37)_{16}$からiのビットパターンは分かる．
• 文字の'a'はアスキーコードの$(61)_{16}$である．

となっている．実際にこれを確かめるプログラムを，付録のリスト5 に示している．このプログラムを私のパソコンで実行させると，図 5のようなメモリー配置になっていることが分かっ た．表1の通り，整数型と実数型は複数のアドレスにわたって データが格納されていることが分かる．

鋭い学生は，データの並びが逆であることが分かるであろう．例えば，整数のiであ るが， $(55)_{10}=(00000037)_{16}$なので， $00\rightarrow 00\rightarrow 00\rightarrow 37$と並ぶと考えるだろうが，実際は図 5のように逆に並ぶ．これはCPUがそのように作ら れているからである．このように逆に配置させる方法をリトルエンディアンと 言う．Intel社のCPUはリトルエンディアンである．一方，そのままのメモリーに配置する 方法はビッグエンディアンと呼ばれる．ここで述べたように，メモリーにデー タを並べる方法は2通りあって，それをバイトオーダーと言う．どちらがより良いかは分 からない．

ここで，理解しておくべきことは，以下の通りである．

• 必要なバイト数のメモリー領域を使いデータは格納される．

図 5: メモリー中に格納されたデータの例

2.5 プログラムが格納される様子

これまでは，メモリーのデータの格納方法を学習した．まえに，プログラム (命令とデータ)は全てメモリーに格納されると述べた．ここでは，もう少し進んで，プロ グラムがメモリーの中にどのように格納されているか調べてみよう．この辺のことと，マ シン語が分かると，ハッカー(クラッカーと言った方が適切かも)になれるかも$\cdots$

それでは，リスト1に示す簡単なプログラムで，データとメモリー の格納アドレスを調べてみよう．このプログラムの各行の動作は，以下の通りである．まだ，詳 細は分からなくても良いが，大体の流れをつかんで欲しい． -4pt

12行

main関数が格納された先頭アドレスを表示．関数名は，関数のプログ ラムが格納されている先頭アドレスを示している．それは，変換指定子 %pでディスプレイに表示することができる．

13行

関数funcが書かれている先頭アドレスを表示．

14行

変数iの先頭アドレスを表示．変数名に& を付けると，その先頭 アドレスを取り出すことができる．&はアドレス演算子である．

26行

変数iの先頭アドレスを表示．

27行

変数jの先頭アドレスを表示．

   1 #include <stdio.h>
   2 int func(int i, int j);
   3 
   4 /*======================================================*/
   5 /*   メイン関数                                          */
   6 /*======================================================*/
   7 int main(void)
   8 {
   9   int i;
  10 
  11   printf("--- address -----------\n");
  12   printf("\tmain\t%p\n", main);
  13   printf("\tfunc\t%p\n", func);
  14   printf("\tmain-i\t%p\n",&i);
  15 
  16   i=func(5,3);
  17 
  18   return 0;
  19 }
  20 /*======================================================*/
  21 /*  func 関数                                           */
  22 /*======================================================*/
  23 int func(int i, int j)
  24 {
  25 
  26   printf("\tfunc-i\t%p\n",&i);
  27   printf("\tfunc-j\t%p\n",&j);
  28 
  29   return i*j;
  30 }

	--- address -----------
	        main    0x8048368
	        func    0x80483eb
	        main-i  0xbffff6b4
	        func-i  0xbffff690
	        func-j  0xbffff694

実行結果から，命令とデータは図6のようになっ ていることが分かるであろう．命令である関数は，大体近くのメモリの先頭付近に配置さ れている．しかし，データの内容を格納する変数は，ずっと離れてメモリーの後ろの方に 割り当てられている．

関数の中で宣言される変数は，ローカル変数と言い，その宣言した関数でのみアクセスが 可能である．従って，同じ名前であるが，違う関数で宣言されたローカル変数は全く別物であ る．図6で分かるように，関数mainと関数 funcで同じ名前のローカル変数 i を宣言してるがメモリー上の配置は全く異 なる．このことからも，名前は同じであるが，全く違うものであることが理解できる．

ここで，理解しておくべきことは，以下の通りである．

-4pt

• プログラムは命令とデータから構成され，いずれもメモリーの中に格納される．
• プログラムの関数(これが命令)が格納されるアドレスは，関数名で参照できる．
• データが格納されるアドレスは，変数名の前に & を付けることで参照で きる．& はアドレス演算子である．
• アドレスの表示には変換指定子 %pを使う．
• ローカル変数は名前が同じでも，メモリーの配置場所は異なる．正確言うと，そ の関数が呼び出されたときのみ，ローカル変数はメモリーに割り当てられる．

図 6: プログラムのメモリーへの格納．記憶の内容は不明なので，??としてい る．

ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志