【応用情報】コンピュータの五大装置と命令実行サイクルを解説

この記事ではコンピュータの五大装置と命令実行サイクルについてIT初心者にも分かりやすく解説します。

コンピュータの五大装置

命令実行サイクル

応用情報ではコンピュータの五大装置と命令実行サイクルに関する問題がたまに出ます。是非最後までご覧ください。

コンピュータの五大装置とは

コンピュータは、制御装置・演算装置・記憶装置・入力装置・出力装置の五つの装置から構成されています。制御装置と演算装置を合わせてCPUと言います。

入力装置と出力装置は分かりやすいですね。
入力装置はマウスやキーボードなど、人間がコンピュータにデータや命令を入力するための装置で、出力装置はディスプレイなど、コンピュータが処理した結果を出力するための装置です。

制御装置・演算装置・記憶装置は人間が触ったり見たりする必要が無いので、筐体と呼ばれる箱に入れて保護されています。

五大装置にはそれぞれ以下の役割があります。

制御装置	記憶装置にある命令を取得・解読し、他の装置に命令を伝達する装置。その名の通り、他の装置を制御している。
演算装置	記憶装置にあるデータから足し算・引き算などの四則演算や大小比較などの比較演算といった演算を行う装置。計算結果は記憶装置に返す。
記憶装置	データや処理内容であるプログラムを記憶する装置。記憶装置には主記憶装置と補助記憶装置がある。
入力装置	コンピュータの外部からデータや命令を指示する装置。
出力装置	コンピュータの処理結果を外部に表示・出力する装置。

記憶装置には主記憶装置と補助記憶装置がある

記憶装置には主記憶装置と補助記憶装置があります。主記憶装置はメインメモリとも言います。

主記憶装置はコンピュータが動くために必要なプログラムやデータを一時的に記憶する装置です。CPUとやり取りできるほど処理が速いですが、電源が消えると記録している情報も消えるという特徴があります。

補助記憶装置はプログラムやデータをずっと保持する装置です。処理は遅いですが、電源が消えても記録している情報はそのまま保持出来ます。長期的に記録した場合に使います。

コンピュータの中では、五大装置が助け合いながら命令を処理していきます。
下の絵はデータと制御の流れをざっくり表したものです。

制御の流れはとてもシンプルで分かりやすいですね。
制御装置が全ての装置を制御しています。制御装置が記憶装置にデータの記録を指示したり、出力装置にデータを出力するように指示します。

データの流れも入力装置と出力装置は分かりやすいですね。
入力装置と出力装置はそれぞれデータの入り口と出口になっています。

②のCPUと記憶装置がデータをやり取りしながら演算を行う手順を命令実行サイクルと言います。命令実行サイクルについて詳しく見てみましょう。

命令実行サイクルの大まかな流れは、下のようになります。

制御装置には主記憶装置から取り出した命令や次に実行するべき命令の情報を保持するための記憶装置を持ち、それをレジスタと言います。レジスタには次のような種類があります。

命令レジスタ	主記憶装置から取り出した命令を一時的に記録する。
命令アドレスレジスタ（プログラムカウンタ）	次に実行する命令が主記憶装置のどこに格納されているかを記録する。主記憶装置上の場所を示す値をアドレスと言います。
アドレスレジスタ	命令を実行する際に必要なデータのアドレスを記録する。

命令アドレスレジスタには次に実行する命令が主記憶装置のどこにあるか記録されています。なので、そこから命令を取り出して命令レジスタに記録します。これを命令フェッチと呼びます。

ちなみに、命令は命令部とアドレス部で構成されています。
命令部は四則演算や比較演算など実行する演算を指示して、
アドレス部は処理対象のデータが主記憶装置のどこに格納されているかを指示します。
アドレス部はオペランド部とも言います。

命令の解読では、制御装置の解読器が命令部の演算内容を解読し、演算装置に指示します。
解読器はデコーダとも言います。

アドレスレジスタには、演算するのに必要なデータのアドレスや演算結果を格納するアドレスを記録します。

実行アドレス計算では、命令のアドレス部をアドレスレジスタに送り、演算に必要なデータの格納場所や演算結果を格納する場所を指示します。

オペランド読出しでは、アドレスレジスタに記録されているアドレスをもとに、演算に必要なデータを演算装置に送ります。

演算装置が演算を実行します。

計算結果を主記憶装置に格納します。