CPUの仕組み｜レジスタ・メモリ・マイクロコード解説

CPUの仕組み：レジスタとマイクロコードによるデータ処理

CPUは中央演算処理装置（Central Processing Unit）の略で、
内部に様々な レジスタ を持ち、メモリ上のプログラムとデータを効率よく処理します。

1. CPUのレジスタ構造

代表的なレジスタと役割：

レジスタはメインメモリと直接やり取りし、データ読み書きを行います。

読み込み (Load)
1. PC (Out) → MAR (In)：次命令のアドレスを指定
2. Memory (Read) → MDR (In)：データを取得
3. MDR (Out) → 汎用レジスタ (In)：値を格納
書き込み (Store)
1. アドレス (Out) → MAR (In)
2. 汎用レジスタ (Out) → MDR (In)
3. MDR (Out) → Memory (Write)

ALUは算術・論理演算を行う装置で、複数のレジスタを入力として計算します。

加算 (ADD)
1. レジスタA (Out) → ALU入力1
2. レジスタB (Out) → ALU入力2
3. ALU (ADD実行) → 結果 → アキュムレーター (In)
4. 同時に結果フラグを Status/Flag レジスタに更新
減算 (SUB, 2の補数)
1. レジスタB (Out) → NOT回路 → ALU入力2
2. キャリー入力を1に設定 → 2の補数化
3. レジスタAとALU入力2を加算 → 結果 → ACC
シフト演算
- 左シフト (\times 2)：全ビット左に移動、溢れたビットは Carry Flag に
- 右シフト (\div 2)
  - 論理シフト：左端に0を補填
  - 算術シフト：符号ビットを維持

条件分岐 (JZなど)
1. Zero Flagを確認
2. 成立時：命令のアドレス → PC
3. 不成立時：PCは自動+1
無条件ジャンプ (JMP)
1. 命令レジスタの定数部 → PC
キャリー・オーバーフロー
- キャリーフラグ (CF)：加算で桁あふれ、減算で借り
- オーバーフローフラグ (OF)：符号付き計算で範囲超過
- シフト演算の切り捨てはCarry Flagに反映

CPUの動作は、クロックごとにレジスタ・ALU・メモリ間の「ゲート開閉」を順次実行しています。例：

ADD命令マイクロコード例
  RegA_Out → ALU_In1
  RegB_Out → ALU_In2
  ALU_FUNC_ADD
  ALU_Out → ACC_In
  StatusReg_Update