コンピュータIIL（情報科学入門）第4回

4.1 CPU

4.1.1 計算機の構成

今日は、コンピュータがどのような装置から構成されているかについて説明します。

コンピュータを構成する装置には、中央処理装置、記憶装置、入出力装置などがあります。

中央処理装置 （ central processing unit ）は CPU とも呼ばれ、各種の制御や演算を行う装置です。 CPUはコンピュータの「頭脳」であると考えてください。

記憶装置 （ memory unit ）は、データを記憶する装置です。 記憶装置は、主記憶と補助記憶に分類されます。 主記憶 （ main memory ）は、容量が小さい代わりに高速に記憶できる装置です。 代表的な主記憶は、メモリです。 一方、 補助記憶 （ auxiliary memory ）は、速度が遅い代わりに大容量の記憶ができる装置です。 代表的な補助記憶は、ハード・ディスク、フロッピー・ディスクなどです。

入出力装置 （ input/output unit ）は、主に人間との間で入力や出力を行う装置です。 代表的な入出力装置は、キーボード、マウス、ディスプレー、プリンタなどです。

代表的な主記憶である メモリ （ memory ）には、1バイト単位でデータが格納できます。 それぞれのバイトには、 アドレス （ address ）と呼ばれる番号が割り当てられています。 CPUは、アドレスを指定して、メモリの中のデータを読み書きします。

CPUの内部には、制御を行う制御装置と演算を行う演算装置があります。 この他に、 レジスタ （ register ）と呼ばれる、極小容量・超高速の記憶装置があります。 レジスタには、役割が決まっている専用レジスタと、自由に使える汎用レジスタがあります。 専用レジスタには、演算データが格納される アキュムレータ （ accumulator ）や、命令アドレスを指定する プログラム・カウンタ （ program counter ）などがあります。

4.1.2 命令とプログラム

さて、コンピュータが動くとはどういうことでしょうか。

コンピュータが動くことは、CPUが次々に命令を実行することです。 ここで、 命令 （ instruction ）とは、CPUの動作を意図するデータです。 例えば、レジスタの値をメモリに書き込め、メモリを読み取りレジスタに格納せよ、アキュムレータの値とレジスタの値を足してアキュムレータに格納せよ、などの命令があります。

命令の系列を プログラム （ program ）と呼びます。 プログラム内蔵方式 （ stored program ）とは、プログラムをデータと同じように記憶装置に格納し、プログラムを実行するときは、プログラムを記憶装置から取り出し、その命令の系列を解釈して実行する方式を言います。 現在のコンピュータは、プログラム内蔵方式で動いています。

4.1.3 Java仮想マシン

この授業では、Java仮想マシンをCPUと見なして演習を行います。 Java仮想マシン （ Java virtual machine ）は、Javaプログラムを実行するために設計された、仮想的なCPUです。 適切なシステムを与えると、現実のCPUは、この仮想的なCPUのシミュレーション（まね）を行うことができます。 実際、javaコマンドは、Java仮想マシンをシミュレーションして、プログラムを実行します。

Java仮想マシンは、基本的には現実のCPUと同じように設計されています。 ただし、いくつかの重要な違いがあります。 今日の話に関係するところでは、Java仮想マシンにはレジスタがないことがあげられます。 Java仮想マシンは、レジスタの代わりにスタックを使います。 スタックとは、特別な役割を持つメモリ領域のことですが、今日は特別な変数であると思ってください。 ここで、変数とは、データを一つ記憶するために確保されたメモリ領域のことです。

4.1.4 プログラムの例

それでは、実際にプログラムを作成して実行します。 今日扱う命令は次の通りです。

上記の命令には、1バイトのものと2バイトのものがあります。 これらの中には、同じ働きをするものがあります。 例えば、命令 10 00 と 03 は、どちらも整数0をスタックに格納するものです。 0をスタックに格納することはよく行われますので、特に1バイトの命令が用意されているというわけです。

今日の演習は次のプログラムから始めます。

/*  1*/ class Ex4 {
/*  2*/     public static void main (String[] args) {
/*  3*/         int x = 6;
/*  4*/         int y = 7;
/*  5*/         x = y;
/*  6*/         System.out.println(x);
/*  7*/     }
/*  8*/ }

b04a001@AsiaA1:~/comp2l% javac Ex4.java
b04a001@AsiaA1:~/comp2l% java Ex4
7
b04a001@AsiaA1:~/comp2l%

バイナリ・ファイルEx4.classを開きますと、下から4行目にプログラム 1006 3c10 073d 1c3c が見えます。 このプログラムは、上記の3行目から5行目に対応します。

...
00000150: 0010 1006 3c10 073d 1c3c b200 021b b600  ....<..=.<......
...

このプログラムを読んでみます。

まず、命令 10 06 で整数6がスタックに格納されます。 次に、命令 3c でスタックの値が第1変数（ x に対応）に格納されます。 この時点で、整数6が第1変数に格納されたことになります。 これは、「整数を第1変数に格納する」という命令がないので、整数をいったんスタックに格納し、続いてスタックの値を第1変数に格納しているのです。

続いて、命令 10 07 で整数7がスタックに格納され、命令 3d でスタックの値が第2変数（ y に対応）に格納されます。 この時点で、整数7が第2変数に格納されます。

そして、命令 1c で第2変数の値がスタックに格納され、命令 3c でスタックの値が第1変数に格納されます。 この時点で、第2変数の値7が第1変数に格納されます。 これも、「第2変数の値を第1変数に格納する」という命令がないので、スタックを仲介にしているのです。

最後に、第1変数の値7が出力されます。

例題1. プログラム 1008 3d1c 3c00 0000 を実行すると何が出力されるかを答えてください。 出力だけではなく、プログラムの動作についても説明してください。 バイナリ・ファイルEx4.classのプログラムの部分を置き換え、javaコマンドを実行すると、答えが確認できます。

解答例1. 命令 10 08 で整数8がスタックに格納され、命令 3d でスタックの値が第2変数に格納されるので、第2変数の値は8になる。 命令 1c で第2変数の値がスタックに格納され、命令 3c でスタックの値が第1変数に格納されるので、第1変数の値は8になる。 命令 00 が3回で何も変わらない。 したがって、第1変数の値8が出力される。

確認のため、バイナリ・ファイルEx4.classを次のように書き換え、javaコマンドを実行します。

...
00000150: 0010 1008 3d1c 3c00 0000 b200 021b b600  ....=.<.........
...

b04a001@AsiaA1:~/comp2l% java Ex4
8
b04a001@AsiaA1:~/comp2l%

4.2 演習4

次のプログラムを実行すると何が出力されるかを答えてください。 出力だけではなく、プログラムの動作についても説明してください。 バイナリ・ファイルEx4.classのプログラムの部分を置き換え、javaコマンドを実行すると、答えが確認できます。

1. 1009 3c00 0000 0000
2. 1000 3602 1502 3601
3. 033d 043c 1b3d 1c3c

4.3 レポート課題

今日の演習4の答案をkonishi@twcu.ac.jpあてにメールで送ってください。 メールには、学生番号、氏名、科目名、授業日（10月15日）を明記してください。

4.4 参考文献

• J. Gosling, B. Joy, G. Steele, G. Bracha: The Java Language Specification, Second Edition, 2000.
• T. Lindholm, F. Yellin: The Java Virtual Machine Specification, Second Edition, Addison-Wesley, 1999. 村上雅章（訳）『Java仮想マシン仕様 第2版』ピアソン・エデュケーション、2001.
• 長尾真（他編集）『岩波情報科学辞典』岩波書店、1990.