CPUアーキテクチャと命令セットの基礎

Posted at 2025-05-12

"設計とは、無数の選択を制約することで、秩序を生み出す行為だ。CPUもまた、設計された秩序である。"

すべてのプログラムは、最終的にはCPU上で動く。
そして、CPUは単なる鉄とシリコンの塊ではない。
それは、人間の設計哲学と物理世界への挑戦が結晶化した、動く思想である。

この章では、CPUアーキテクチャと命令セット（Instruction Set Architecture, ISA）という、
最もハードでありながら最も思想的な層について掘り下げる。

CPUアーキテクチャとは何か？

CPUアーキテクチャとは、
**「コンピュータの中核部がどのように命令を解釈し、実行するかを定めた設計仕様」**である。

要素は多岐にわたるが、中心的な構成は次の通り：

つまり、CPUアーキテクチャとは、「このハードウェアはこう動く」という設計書そのものである。

命令セット（Instruction Set）は、
**「CPUが直接理解し、実行可能な最小単位の命令体系」**である。

例えばx86命令セットでは：

などが用意されている。
それぞれは、ビット列にマッピングされ、最終的に電気信号となってCPU内で解釈される。

命令セット＝CPUにとっての母語である。

同じ「加算」を行うにしても、命令セットによって指示の仕方は異なる。

x86は「加算元と加算先を指定する」のに対し、
ARMは「2つのオペランドを加算し、結果を第3のレジスタに保存する」設計。

この違いは、**アーキテクチャが「世界をどう分解し、再構成しようとしているか」**の違いに直結している。

この分岐は、単なる性能比較ではない。
それは、「機械にどこまで仕事をさせ、どこからは設計者が責任を持つか」という設計倫理の違いである。

CPU内部のレジスタは、
プログラムの実行中に使われる最も高速な記憶装置である。

種類も豊富だ：

アセンブリ言語でレジスタを操作することは、
CPUの内部状態を直に触るということであり、
それは設計者にとって**「世界の心臓に直接触れる」**体験に他ならない。

CPUがメモリにアクセスする方法もアーキテクチャに依存する。

この設計は、
「物理空間の有限性をどう知覚させるか」
「アドレッシングのコストと安全性をどう分配するか」
という、極めて哲学的な選択である。

CPUアーキテクチャの設計は、無数の選択の積み重ねだ。

これらすべてが、**「どこまでをハードに固定し、どこからを設計者に委ねるか」**という問いへの回答である。

CPUは、単なる演算装置ではない。
選択と制約の結晶であり、設計者への問いかけなのだ。

私たちがアセンブリを書くとき、
それは単なる命令列ではない。
それは、ある設計思想に沿った世界の中で、動きを記述する行為である。

すべては、そのCPUが持つ設計された物理法則の中で決まる。

"アーキテクチャとは、ただの仕様ではない。それは、動作する宇宙の律法であり、設計者に課せられた静かな宿命である。"