本当に初心者の人に捧げるコンピューター入門


ソフトウェア　プログラム編その３

まずは機械語

　前章までででやっとアルゴリズムができました。しかしここではまだアルゴリズムは日本語で書かれています。これでは当然コンピューターは理解できません。
　そこでコンピューターの理解できる言語、すなわちプログラム言語に翻訳してやる必要があります。

プログラム言語に必要なもの



　まずプログラム言語は少なくとも以下のような機能の表現ができないと困ります。

  • メモリーに値を書いたり読んだりする命令
  • 値を計算する命令
  • 値を比較する命令
  • ある条件が正しければＡ、そうでなければＢを行えという命令
  • 「〜または〜」とか「〜かつ〜」とか「〜でない」といった判断
  • ※に戻るとかいう命令
　前章の説明でもこのぐらいはできるという前提で書いていますね。実際にコンピューターも、上記にあるぐらいのことであれば実行する機能を備えています。
　こういう命令を実行するための装置がＣＰＵです。


機械語



　それではＣＰＵが実際に分かる言語から話を始めましょう。ＣＰＵが直接理解できる言葉は、そのものずばりの機械語と言われます。
　今まで何度もコンピューターは数字しか分からないと書いてきました。これは機械語にもそのまま当てはまります。すなわち機械語とは見た目はメモリーのある領域に連続して書かれている数字の列なのです。
　前にもちょっと記したとおり、コンピューターはこの数字列を最初から順番に読んでいって、その意味を解釈し、その指示に従った動作を行います。

　それでは機械語にはどんな言葉や文法があるのでしょうか？
　以下の例は、話を少しでも簡単にするために筆者がでっち上げた、現実には存在しない偽機械語です。
　出てくる命令は必要最低限に押さえ、本当はメモリーには０〜２５５までの数しか書けませんが、ここでは一つのメモリーに書き込める数の大きさは０〜６５５３５とします。こうでもしておかないと、後で実際のプログラムを作る際に、ただでさえややこしい物がますますややこしくなってしまいます。
（ややこしくてもいいから本物の機械語を知りたいという人はこちら）


(1)データ転送命令

　メモリーに値を書いたり読んだりする命令です。

機械語 アセンブリ言語 意味
　10　X　Y　　LD　 X　 Y 値ＹをＸ番地に書き込め
　11　X　Y　　LD　 X　[Y] Y番地の内容をＸ番地に書き込め
　12　X　Y　　LD　[X]　Y 値ＹをＸ番地の中身が示す番地に書き込め
　13　X　Y　　LD　[X] [Y] Y番地の内容をＸ番地の中身が示す番地に書き込め

X,Yというのは適当な数を表します。以下同様です。

  • 12,13で「Ｘ番地の中身が示す番地」とかいうややこしい物があります。何でこんな物がいるのでしょうか？その理由は「番地」でデータを管理している以上、この機能がないとプログラムしているときにあらかじめ分かっている番地にしかデータを書けないことになるからです。

(2)演算命令

　値を計算する命令です

機械語 アセンブリ言語 意味
　20　X　Y　 　ADD　X　 Y Ｘ番地の値＋Ｙの結果をＸ番地に書き込め。
　21　X　Y　 　ADD　X　[Y] Ｘ番地の値＋Ｙ番地の値の結果をＸ番地に書き込め。
　22　X　Y　 　SUB　X　 Y Ｘ番地の値−Ｙの結果をＸ番地に書き込め
　23　X　Y　 　SUB　X　[Y] Ｘ番地の値−Ｙ番地の値の結果をＸ番地に書き込め
　24　X　Y　 　CMP　X　 Y Ｘ番地の値とＹを比較する
　25　X　Y　 　CMP　X　[Y] Ｘ番地の値とＹ番地の値を比較する
　26　X　Y　 　CMP [X]　Y Ｘ番地の中身が示す番地の値とＹを比較する
　27　X　Y　 　CMP [X] [Y] Ｘ番地の中身が示す番地の値とＹ番地の値を比較する

　ここで前にもちょっとだけ書きましたが、コンピューターは一定範囲の整数しか扱えません。そのため計算した結果がその範囲に収まらないことが当然あります。その場合でも強引に計算をして、例えば２５５＋１＝０になってしまうと言いました（この偽機械語の例なら、６５５３５を越えたら桁あふれしてしまいます）

　しかし計算結果の０が桁あふれして０になったのか正しい計算の結果０になったのかを判別できないとやっぱり困ります。そこでＣＰＵの内部にはフラグというちょっとしたメモリーがあって、そこに今やった計算の結果に関しての情報が書き込まれます。
　この機械語では以下の３種類のフラグがあるとします。

ゼロフラグ 計算結果が０になったときは１、０以外では０が書き込まれる。比較命令の場合、等しいときは１、等しくないときは０になる。
符号フラグ 計算結果が０か正の値になったときに０、負の値では１が書き込まれる。比較命令の場合、前の項が大きいか等しいときは０、小さいときは１になる。
キャリーフラグ 計算結果が桁あふれしたとき１、しなかったときは０が書き込まれる。比較の命令の場合には、何もされない。


(3)ジャンプ命令

　プログラムは通常１０００番の命令を読んだら、次は１００１番といったように前から順番に実行されますが、その実行の順序を強制的に変更する命令です。前節のアルゴリズムの説明で「6.に戻る」といったような表現がありましたが、これを実現するためにはこのジャンプ命令が必要なのです。

　ジャンプ命令には単純にジャンプする以外に、フラグの状態を見てジャンプする命令もあります。これを利用して、ある条件の場合にはこれ、そうでないときはこれといった条件判断の処理を行うことができるようになります。

機械語 アセンブリ言語 意味
　30　X　 　JP　 X　 無条件にＸ番地の命令に飛べ
　31　X　 　JP　[X]　 無条件にＸ番地の中身が示す番地に飛べ
　32　X　 　JS　 X　 符号フラグが１であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が正の場合にはＸ番地に飛べ
　33　X　 　JZ　 X　 ゼロフラグが１であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が０の場合にはＸ番地に飛べ
　34　X　 　JC　 X　 キャリーフラグが１であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が桁あふれした場合にはＸ番地に飛べ
　35　X　 　JNS　X　 符号フラグが０であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が０以下の場合にはＸ番地に飛べ
　36　X　 　JNZ　X　 ゼロフラグが０であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が０でない場合にはＸ番地に飛べ
　37　X　 　JNC　X　 キャリーフラグが０であればＸ番地の命令に飛べ
＝直前の計算結果が桁あふれしていない場合にはＸ番地に飛べ


(4)論理演算命令

　条件判断の時にはこれとこれが正しいときはとか、こうじゃないとき、などといった複雑な条件を指定したい場合がよくあります。そういうときにこの論理命令を使います。
　多分昔に下のような表を見たことはありませんか？

　真の否定　　→　偽　 　１の否定　　→　０　
　偽の否定　　→　真　 　０の否定　　→　１　

　真かつ真　　→　真　 　１かつ１　　→　１　
　真かつ偽　　→　偽　 　１かつ０　　→　０　
　偽かつ真　　→　偽　 　０かつ１　　→　０　
　偽かつ偽　　→　偽　 　０かつ０　　→　０　

　真または真　→　真　 　１または１　→　１　
　真または偽　→　真　 　１または０　→　１　
　偽または真　→　真　 　０または１　→　１　
　偽または偽　→　偽　 　０または０　→　０　

　コンピューターの世界では真を１、偽を０と定義しておいて、正しいとか違っているという概念を右のように表します。

機械語 アセンブリ言語 意味
　40　X　 　 　NOT　X　　 Ｘ番地の内容を否定した結果をＸ番地に書き込む
　41　X　Y　 　AND　X　Y　 Ｘ番地の内容かつＹをＸ番地に書き込む
　42　X　Y　 　AND　X [Y}　 Ｘ番地の内容かつＹ番地の内容をＸ番地に書き込む
　43　X　Y　 　OR　 X　Y　 Ｘ番地の内容またはＹをＸ番地に書き込む
　44　X　Y　 　OR　 X [Y]　 Ｘ番地の内容またはＹ番地の内容をＸ番地に書き込む

計算した結果が０になった場合はＺフラグに１をセットする。


(5)終了命令

機械語 アセンブリ言語 意味
50 　HALT プログラムを終了する


とりあえずの例



　それでは例として１００番地から以下のような機械語が書かれていたとします。

番地100101102103104105106107108109110111112
命令10102510114510127021101123
番地113114115116...124125126...
命令121033124... 1010030...

これはこんな動作をします。

  1. ＣＰＵはまず１００番地の値を読みます。
  2. 値は１０（メモリー転送命令）なので１０１番地にデータを書き込む番地、１０２番地に書き込むデータが書かれていることが分かります。
  3. １０１番地と１０２番地を読みます。
  4. １０番地に１０２番地の中身（２５）を書き込みます。
  5. １０３番地の値を読みます。
  6. 同じように１１番地に４５という値を書き込みます。
  7. １０６番地の命令を読みます
  8. 同じように１２番地に７０という値を書き込みます。
  9. １０９番地の命令（これは足し算の命令）を読みます。
  10. １０番地（今は２５）と１１番地（今は４５）の値を足して１０番地に書き込みます（結果は７０）
  11. １１２番地の命令（これは引き算の命令）を読みます。
  12. １２番地の値（７０）から１０番地の値（７０）を引いて１２番地に書き込みます。
  13. １１５番地の命令（これはゼロフラグが１だったら指定の番地に飛べという命令）を読みます。
  14. 直前の計算の結果を見ると答えは０です。そのためゼロフラグは１になっています。従って普通ならば次は１１７番地の命令を読むのですが、この場合は１１７〜１２３番地を飛ばして１２４番地の命令を読み込みます
  15. １２４番地の値は１０なので・・・
とまあこんな調子でコンピューターは計算を行うのです。


アセンブリ言語



　それにしても機械語は言語と言っても、ほとんど見ただけでは理解不能です（世の中にはこれで会話のできる人もいますが）そこでもう少しユーザーフレンドリーにならないかということで考え出されたのがアセンブリ言語というものです。
　機械語では例えば足し算をしろとかいう命令は２０という数値ですが、そう書く代わりに"ADD"という記号を使うのです。

　これを使えば前項の機械語の例はこう書けます。左の行番号のようなものは、その命令の始まる番地です。

　100　　 LD　　10　 25
　103　　 LD　　11　 45
　106　　 LD　　12　 70
　109　　 ADD　 10　[11]
　112　　 SUB　 12　[10]
　115　　 JZ　 124
　117　　 ...
　124　　 LD　　10 　30
　少し見やすくなりました。しかしこうしてしまったら人間には読みやすくなりますが、コンピューターには分からなくなります。そこでアセンブリ言語で書かれたプログラムを機械語に翻訳しなければなりません。それはどうするのでしょう？

　それはかつては手でやっていました！機械語との対応表を片手に、アセンブリ言語を手で機械語に直していたのです。
　意味がないって？いえいえ、プログラムを考えるときには機械語で考えるよりもアセンブリ言語を使った方がわかりやすいはずです。アセンブリ言語のレベルでプログラムができてしまえば、それを機械語に直すのは単純な作業です。こうすることで機械語で物を考えるよりは間違いはずっと減るのです。

　でもそうは言っても、まだまだこれは間違いやすくうっとうしい作業です。
　そこでこれを自動的に翻訳してくれるプログラムが開発されました。文字列を対応表に従って置き換えるだけなので比較的簡単に作れそうだと想像はつくでしょう？
　これがアセンブラと呼ばれるプログラムです。

他の命令は？



　ところで、前の例はいくら偽機械語だからといっても、あまりにも命令の数が少なすぎるとは思いませんか？メモリーの読み書きはともかく、計算が足し算引き算しかできないなんて、あまりにも情けなさすぎるとは思いませんか？

　ところが実はこれだけで基本の大部分はカバーしてしまっているのです！嘘だと思うのならば、こちらの本当の機械語の説明を見てみてください。

　で、何が言いたいかというと、ワープロやゲームのような立派なソフトウェアであっても、その中身はほとんどこのような情けない命令の組み合わせであるということなのです。


それでは迷宮からの脱出を・・・



　では次の章では迷宮脱出のアルゴリズムを上のアセンブリ言語で書いてみましょう。
　多分どういうことになるかはもう想像できているでしょうが・・・



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