2026年10月14日シリーズ「コンピュータの CPU のしくみ」 第3回読む前に▾

回路が「命令をこなす」とは？

同じ拍では、できない

ここまでの 2 回を、短く振り返っておこう。

手順を配線ではなく、0 と 1 のパターンにしてメモリに並べた。1 つぶんの手順が命令だ。 番地のカウンタが番地を 1 つずつ数え、その番地の語を命令の置き場に運ぶ（第1回）。 命令は 8 桁で、上 4 桁が「何をするか」、下 4 桁が「どの番地か」。 上 4 桁をデコーダに通すと、16 本の線のうち 1 本だけが 1 になり、その先の入口が 1 つだけ開く（第2回）。

前回の終わりに、困ったことが 1 つ残った。

命令の置き場に「足す」が入ると、その瞬間から「加算器 → A の箱」の入口は開いている。 だから、次のクロックで A の箱に受け取らせればいい、と思いたくなる。

けれど、次のクロックは、命令の置き場が次の命令を受け取るクロックでもある。 そのときメモリから出ているのは、15 番地の数 5 ではなく、次の命令のパターン 0011 1101 だ。 同じクロックで受け取れば、A の箱は数ではなく、命令を足してしまう。

読むのとこなすのを、どう順番にすればいいか。

2 つの段階

答えは、名前のとおりだ。 読むのと、こなすのを、別々のクロックでやる。

クロックを 2 回で 1 組にする。

• 1 回目は読む拍。命令の置き場が、メモリから命令を受け取る。番地のカウンタが 1 進む
• 2 回目はこなす拍。開いている入口の先の箱が、受け取る

これを交互に繰り返す。

そのためには、いまが読む拍なのか、こなす拍なのかを、回路が覚えていなければならない。 覚えるのは 1 桁で足りる。0 なら読む拍、1 なら こなす拍。 この箱を、このシリーズでは拍の状態と呼ぶ。

拍の状態は、クロックのたびに 0 と 1 が入れ替わればいい。 フリップフロップの値の入口に、自分の出口の逆を入れておけば、そうなる。 『記憶のしくみ』を読んだ人は、第6回のカウンタのいちばん下の桁を思い出してほしい。1 の位は、クロックのたびに 0 と 1 を繰り返していた。拍の状態は、あの 1 桁だけを取り出したものだ。

いまどの段階にいるかを覚えておき、決まった順に段階を進めていく回路を、状態機械という。 拍の状態は、段階が 2 つしかない、いちばん小さな状態機械である。 『記憶のしくみ』を読んだ人は、最終回の自動販売機を思い出してほしい。あれは段階が 5 つあった。CPU の真ん中にも、同じ形の輪が回っている。

次に、クロックの線を 2 本に分ける。

• 読む拍のクロック … クロック AND 「読む拍」
• こなす拍のクロック … クロック AND 「こなす拍」

AND を 2 個置くだけだ。拍の状態が 0 のあいだは前の AND だけが、1 のあいだは後ろの AND だけが、クロックを通す。

あとは、箱ごとに、どちらのクロックをもらうかを決める。

入口は、前回と同じだ。命令が届いた瞬間から開いている。 けれど、こなす拍のクロックが来るまで、その先の箱は何も受け取らない。 開いていることと、受け取ることを、分けたのだ。

ついでに、止まる命令もつないでしまおう。 前回、止まる（1111）では「クロックを止める」の入口が開く、と書いた。 クロックの線の根もとに AND を 1 個置き、もう一方の入力に「まだ止まっていない」をつなぐ。このシリーズではクロックの門と呼ぶ。 止まるをこなす拍で、「止まった」を覚える 1 桁が 1 になると、門が閉じる。 それからは、クロックを何度入れても、門より先には届かない。

番地の入口を、選ぶ

もう 1 つ、決めておくことがある。 メモリの番地の入口に、何をつなぐかだ。

読む拍で使う番地は、番地のカウンタだ。 こなす拍で使う番地は、命令の下 4 桁だ。「足す 15 番地」なら 15 番地の数を、加算器に渡したい。

メモリの番地の入口は 1 つしかない。 そこで、入口の手前に「通すか、0 にするか」を 2 組置く。

• 読む拍なら、番地のカウンタの 4 本を通す
• こなす拍なら、命令の下 4 桁を通す

2 組を OR で合流させて、番地の入口につなぐ。 どちらを通すかを決めるのは、拍の状態だ。

『記憶のしくみ』を読んだ人は、第8回の「入口を、選ぶ」を思い出してほしい。前回は A の箱の入口で、今回はメモリの番地の入口で、同じ選ぶ箱が働いている。

書き込むときも、拍が大事になる。 書き込みの合図は、こなす拍のクロックと AND してから、番地の線が 1 の語にだけ届ける。 番地の入口が切り替わるのは、クロックが 0 に落ちたあとだ。そのとき合図はもう出ていないので、番地が揺れても、ほかの語は書き換わらない。 『記憶のしくみ』を読んだ人は、第8回の「落ち着いてから、書く」を思い出してほしい。書き込みの合図をクロックと AND する、と書いたのが、ここで本当に使われている。

押して、確かめる

部品がそろった。 第1回の回路と前回の回路を 1 つにつなぎ、3 ＋ 5 のプログラムを動かしてみよう。

いちばん上の左が拍の状態、右がクロックの門とクロック。 その下の左の列が、第1回の 番地のカウンタ → 番地を選ぶ箱 → メモリ。 右の列が、前回の命令の置き場とデコーダ。 下半分が、こなす側の箱たちだ。前回の入口が 2 つ、A の箱、加算器、5 桁目のランプ C。 メモリの中身は、いちばん下の表にある。

はじめは読む拍。メモリの番地の入口には、番地のカウンタの 0000 がつながっている。

「クロックを入れる」を押してほしい。 クロックが 1 の瞬間、拍の状態の箱から先で緑に光るのは、番地のカウンタと命令の置き場へ行く線だけだ。 0 に落ちると、0 番地の命令 0001 1110（持ってくる 14 番地）が命令の置き場に届き、番地のカウンタは 1 に進む。 拍の状態は「こなす拍」に変わり、番地を選ぶ箱は、命令の下 4 桁の 14 を通している。 表の琥珀色の行も 14 番地だ。

もう一度押す。 今度光るのは、左端を下りていく、こなす拍のクロックの線だ。 「メモリ → A の箱」が開いていたので、14 番地の数 3 が A の箱に入る。 拍の状態は「読む拍」に戻り、番地の入口は番地のカウンタの 1 に戻る。

あとは、同じことの繰り返しだ。

3 回目で「足す 15 番地」を読み、4 回目で A の箱が 3 ＋ 5 ＝ 8 になる。 5 回目で「書き込む 13 番地」を読み、6 回目で、13 番地に 8 が書き込まれる。表の 13 番地を見てほしい。 7 回目で「止まる」を読み、8 回目で、クロックの門が「閉」になる。

13 番地に、3 ＋ 5 の答え 8 が入った。

止まったあとも、クロックを入れてみてほしい。 クロックの丸は 1 になる。けれど、光るのは門までだ。 何度押しても、どの箱も、もう何も受け取らない。 第1回では、止まる命令を読んでも止まらなかった。今度は、本当に止まった。

この図の箱の中では、ゲートが 1876 個働いている。第1回より 172 個増えた。

1 命令、2 拍

いま見たことを、表にしておこう。

番地の列を、上から読んでほしい。 0、14、1、15、2、13、3。 読む拍では番地のカウンタの数が、こなす拍では命令の下 4 桁が並んでいる。 番地を選ぶ箱が、拍ごとに入口をつなぎ替えているのが分かる。

（8 拍目の番地 0 は、止まるの下 4 桁 0000 だ。止まるは番地を使わないので、0 番地から何が出てきても、誰も受け取らない）

4 つの命令に、8 拍。 1 つの命令は、読む拍とこなす拍の 2 拍でできている。

読む・見分ける・こなす

この回路は、何をしているのだろうか。

拍の状態が 0 と 1 を繰り返しているだけだ。 0 のときは、番地のカウンタが指す命令を読む。 1 のときは、届いた命令の入口が開いている箱に、受け取らせる。

それだけで、メモリに並べた 4 つの命令が、上から順に 1 つずつ実行された。 3 ＋ 5 をするという手順は、どこにも配線されていない。 配線が決めているのは、「読む、こなす、読む、こなす」という繰り返しだけだ。

読む拍とこなす拍を交互に繰り返すだけで、メモリの中の手順が 1 つずつ実行されていく。

本物の CPU の説明では、この 3 つを英語で呼ぶことが多い。 読むのがフェッチ、見分けるのがデコード、こなすのが実行だ。 この繰り返しを、まとめて命令サイクルともいう。

そして、第1回から約束していた名前を、ここで出そう。 メモリから命令を読み、見分け、こなす。この繰り返しを回している回路を、CPU という。 central processing unit の頭文字で、日本語では中央処理装置だ。 シミュレータの図から、メモリを除いた部分が、このシリーズの CPU だ。

第1回の 4004 も、同じことをしていた。 インテルの資料によると、4004 は 1 語の命令を、750 kHz のクロックの 8 周期でこなす。 最初の 3 周期で番地を送り、次の 2 周期で命令を受け取り、最後の 3 周期で命令を解釈して、こなす。 1 命令にかかる時間は 10.8 マイクロ秒。このシリーズの 2 拍を、もっと細かく 8 つに刻んでいたわけだ。

拍は、いくらでも短くできるわけではない。 クロックを入れてから、番地が切り替わり、メモリから語が出て、加算器を通って、A の箱の入口に届くまで、ゲートを何段も通る。 この回路では、クロックを 0 に落としてから落ち着くまでに、いちばん長いところで 22 ステップかかる。 次のクロックは、それより後でなければならない。 『部品のしくみ』を読んだ人は、第6回の「遅れは、足し算になる」を思い出してほしい。1 拍の長さを決めているのは、あの遅れの足し算だ。

本物の CPU は、読むのとこなすのを少しずつ重ねるなど、もっと急ぐ工夫をしている。けれど、読んで、見分けて、こなす、という骨組みは変わらない。

数を、替える

シミュレータの表の、14 番地と 15 番地の下 4 桁は、押して替えられる。 たとえば 14 番地を 0111（7）、15 番地を 0010（2）にして、もう一度クロックを入れてみてほしい。 8 拍で止まり、13 番地には 9 が入る。

替えたのは、メモリの中の 2 つの数だけだ。 回路は、1 本も変えていない。 第1回で、「メモリの中身を替えれば、回路は 1 本も変えずに、手順が替わる」と書いた。それが、本当に動いた。

では、14 番地と 15 番地を両方 1001（9）にしたら、どうなるだろう。 9 ＋ 9 ＝ 18 は、4 桁には入らない。 13 番地には 18 から 16 を引いた 2（0010）が入り、5 桁目のランプ C が点く。 『計算のしくみ』を読んだ人は、第5回の桁あふれを思い出してほしい。ランプ C は、あふれた 1 桁を、捨てずに覚えている。

14・15 番地の数は 16 × 16 で 256 通りある。 そのすべてで、8 拍で止まり、13 番地に和の下 4 桁が、ランプ C に 5 桁目が入ることを確かめてある。

止まらなかったら

最後に、少し意地悪なことを考えてみよう。

3 番地の止まる命令が、なかったらどうなるだろう。

1111 0000 の代わりに、何も書いていない 0000 0000 が入っていたとする。 上 4 桁が 0000 の命令は、何もしない、だった。 7 拍目でそれを読み、8 拍目は、どの入口も開いていないので、何も起きない。 クロックの門は開いたままだ。

番地のカウンタは、4、5、6……と進む。 4 番地から 12 番地は、何も書いていない。何もしないを読んで、素通りする。 13 番地の 8、14 番地の 3、15 番地の 5 も、上 4 桁は 0000 だ。 数として置いたパターンも、命令として読めば、何もしないになる。

そして、15 番地の次は、0 番地に戻る。 また 3 を持ってきて、5 を足し、13 番地に 8 を書き込む。 それが終わると、また素通りして、また 0 番地へ。 CPU は、同じ 3 ＋ 5 を、いつまでも繰り返す。

番地のカウンタは、1 つずつ進むことしかできない。 だから、手順は、いつもメモリの上から下へ、1 列に流れていく。 15 番地まで行けば 0 番地に戻るけれど、それは、たまたま 4 桁で数えているからだ。

途中から別の番地へ戻ったり、先へ飛ばしたりは、できない。 けれど、番地のカウンタが覚えているのも、ただの 4 桁の数だった。

手順の途中で、別の番地へ飛ぶことはできないか。

次回は、番地のカウンタに、1 を足した数ではなく、別の数を受け取らせてみる。

参考文献

• 松下俊介 著. 基礎からわかる論理回路. 第2版, 森北出版, 2021.7. 978-4-627-82842-1. https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R100000002-I031573740
• ディビッド・マネー・ハリス, サラ・L・ハリス 著; 天野英晴, 鈴木貢, 中條拓伯, 永松礼夫 訳. ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ. 第2版, 翔泳社, 2017.9. 978-4-7981-4752-9. https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R100000002-I028478041
• 渡波郁 著. CPUの創りかた : IC10個のお手軽CPU設計超入門 : 初歩のデジタル回路動作の基本原理と製作, 毎日コミュニケーションズ, 2003.9. 4-8399-0986-5. https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R100000002-I000004238574
• Intel. "MCS-4 Micro Computer Set". 1971.11. https://ieeemilestones.ethw.org/w/images/2/2d/Ref2-Intel_MCS-4_DataSheet.pdf, (参照 2026-10-14).
• "CPU". デジタル大辞泉. コトバンク. https://kotobank.jp/word/cpu-3155158, (参照 2026-10-14).