CPUがしていること

3 GHzのプロセッサーは1秒に30億回刻み、1回の刻みは3分の1ナノ秒ごとです。

コンピューターの授業を思いうかべましょう。（これは作り話の場面です。）黒板に番号のついた箱が16個描かれ、どの箱にも8ビットが書かれています。3人の生徒がCPUの役をします。1人はPCと書かれたカード、1人はIRと書かれたカード、1人はACCと書かれたカードを持ちます。PCのカードには0とあります。IRの生徒は箱0まで歩いていき、そこにある0001 1110を写します。PCの生徒はカードを1に書きかえます。クラスは壁の表で最初の4ビットを調べます。0001はLOADという意味です。最後の4ビット1110は14です。そこでACCの生徒は箱14まで行き、そこにある7を写します。それから、箱1からまた同じことが始まります。

箱1にはADD 15とあるので、ACCは7 + 5 = 12になります。箱2にはSTORE 13とあり、ACCの生徒は箱13に12を書きます。箱3にはHALTとあり、全員が席に着きます。動きは全部で12回でした。3人のうちだれも、このプログラムが「7と5を足す」ものだと知る必要はありませんでした。1人1人が小さな規則を1つずつ守っただけです。箱がメモリ、カードがレジスタ、壁の表がデコーダーです。本物のCPUも同じしくみで、それを1秒に何十億回もくり返しています。そして中のだれも、やはりプログラムを理解してはいません。

同じ短いループを、1秒に何十億回も

ゲートは足したり、比べたり、選んだりできますが、何を、どの順で、どの数でするのかを指示するものが必要です。それが中央処理装置、CPUの仕事です。CPUは1つの短いループをくり返します。プログラムカウンター（PC）は次の命令のアドレスを持っています。フェッチ：CPUはPCが指すセルを命令レジスタ（IR）に読みこみ、PCを1つ進めます。デコード：制御回路がオペコードのビットを見て、正しい経路を用意します。たとえばADDなら加算器をつなぎます。実行：仕事が行われます。数が読みこまれたり、足されたり、書きこまれたり、あるいはPCが変えられてプログラムが別の場所へジャンプしたりします。そしてループがまた始まります。JZという命令はアキュムレーターが0のときだけジャンプします。この1種類のジャンプだけで、プログラムは判断とくり返しができるようになります。

シーンは、クラスが演じたのと同じプログラムを実行します。「ステップ」を押すと、PC、IR、ACCがカードとまったく同じように変わります。LOAD 14、次にADD 15、STORE 13、HALTで、3段階ずつの命令が4つ、全部で12段階です。かけ算のプログラムも同じ少数の命令を使いますが、セル15のカウンターが0になるまでに、JZとJUMPがPCを2回0へ戻すので、72段階で24個の命令を実行します。足し算の6倍の命令数です。

プログラムは数と同じメモリにある

黒板では、命令と数の7と5が同じ列の箱に入っていました。これは偶然ではありません。1945年6月、ジョン・フォン・ノイマンは「EDVACに関する報告書の第一草稿」を書き、命令をデータと同じメモリに置くコンピューターを説明しました。それ以来、ほとんどすべてのコンピューターがこの方式で動いています。命令は、ビットがいくつかの欄に分かれた数にすぎません。このおもちゃのコンピューターでは、どのセルにも8ビットが入ります。最初の4ビットが何をするか（オペコード）、最後の4ビットがどのセルを使うか（アドレス）を表します。0001はLOADなので、0001 1110は「LOAD 14」、つまりセル14の数をアキュムレーター（CPUの作業用レジスタ）に写すという意味です。

ループの速さ

各段階は、一定の速さでオンとオフを切り替える電圧、クロック信号に合わせて進みます。3 GHzのクロックは1秒に3,000,000,000回刻むので、1回の刻みは1 ÷ 3,000,000,000秒、約0.333ナノ秒です。その間に光は約10センチメートルしか進めません。1回の刻みで1段階なら、おもちゃの7 + 5のプログラムを1秒に2.5億回実行できる数の刻みです。実際のプロセッサーは、おもちゃのように単純に1回の刻みで命令を1つずつ終えるわけではありません。いくつもの命令の段階を組み立てラインのように重ねて進め、これをパイプライン処理と呼びます。また、いまのチップには、コアと呼ばれる完全なプロセッサーがいくつも並んでいます。おもちゃにはそのどれもありません。だからこそ、手で追いかけられるのです。