マシン語とアセンブラ、そしてPC

プログラムを書くとき、私たちは C や Python といった「人間が読みやすい言語」を使います。しかし CPU が実際に読むのは マシン語（機械語） と呼ばれる数値の羅列です。このページでは「マシン語とは何か」「アセンブラとどう対応するか」、そして「CPU がどの順番で命令を実行するか」を担う プログラムカウンタ（PC） について説明します。

1. マシン語とは

CPU はメモリから「命令」を読み取って動作します。この命令は 整数値（バイト列） として表現されており、これを マシン語 と呼びます。

たとえば次の C コードをコンパイルすると：

int a = 3 + 5;

メモリ上には次のようなバイト列が書き込まれます（ARM Cortex-M の場合）：

03 20 という2バイトは、「レジスタ r0 に値 3 を入れろ」という命令を CPU が解釈できる形式でエンコードしたものです。

2. アセンブラはマシン語の別名

マシン語のバイト列を人間が書いたり読んだりするのは困難です。そこで、各命令に対して ニーモニック（覚えやすい名前） を付けたのが アセンブリ言語（アセンブラ）です。

マシン語とアセンブラは 1対1 に対応します。

アセンブラソースファイル（.s）を アセンブル すると対応するバイト列が生成され、実行可能なバイナリになります。逆に実行ファイルをバイト列から読み直してニーモニックに変換することを 逆アセンブル（disassemble） と呼びます。

3. 命令エンコーディングを覗いてみる

マシン語のバイト列は、命令の種類・対象レジスタ・即値などを決まったビットフォーマットに詰め込んだものです。

ARM Thumb 命令の例: MOV r0, #3

2バイト（16bit Thumb）: 0x2003

ビット表現:  0 0 1 0 0  0 0 0  0 0 0 0 0 0 1 1
             ─────────  ─────  ───────────────
             オペコード  Rd=r0  即値 = 3 (0x03)
              MOV imm

CPU はこの16ビット列を受け取ると「r0 に値 3 を入れる」と解釈します。命令の種類（オペコード）、対象レジスタ（Rd）、定数値（即値）が一つのバイト列に収まっています。

x86-64 命令の例: MOV eax, 3

5バイト: B8 03 00 00 00

B8       = オペコード（MOV eax, imm32）
03 00 00 00 = 即値 3（リトルエンディアン 32bit）

x86 は命令によってバイト長が異なります（1〜15バイト）。ARM Thumb は主に2バイトまたは4バイトで固定長に近い設計です。

4. プログラムカウンタ（PC）の役割

CPU は 「今どの命令を実行するか」 を常に管理しなければなりません。その役割を担う専用レジスタが プログラムカウンタ（Program Counter / PC） です。

• ARM では r15（PC） と呼ばれます
• x86-64 では RIP（Instruction Pointer） と呼ばれます

PC には「次に実行する命令のメモリアドレス」が格納されています。CPU はこの流れを繰り返すことでプログラムを実行します：

1. PC が指すアドレスからマシン語命令をフェッチ（読み出し）
2. 命令をデコード（解釈）
3. 命令を実行（レジスタ・メモリの更新など）
4. PC を次の命令のアドレスに更新
5. 1 に戻る

この繰り返しを フェッチ・デコード・実行サイクル（Fetch-Decode-Execute cycle） と呼びます。

PC が 0x08000000 を指しているとき、CPU は 03 20（= MOV r0, #3）を読み取って実行し、PC を 0x08000002 に進めます。

5. PCが進む仕組み

命令が実行されると、CPU は PC を「その命令のバイト数だけ」進めます。どちらのアーキテクチャも固定長ではなく、命令ごとに長さが異なります。

PC = 0x08000000
; PUSH {r7, lr} を実行（2バイト）
PC = 0x08000000 + 2 = 0x08000002
; MOV r0, #3 を実行（2バイト）
PC = 0x08000002 + 2 = 0x08000004
; BL add を実行（4バイト）
PC = 0x08000004 + 4 = 0x08000008

PC = 0x401000
; push rbp を実行（1バイト）
PC = 0x401000 + 1 = 0x401001
; mov rbp, rsp を実行（3バイト）
PC = 0x401001 + 3 = 0x401004
; sub rsp, 16 を実行（4バイト）
PC = 0x401004 + 4 = 0x401008

ARM Thumb-2 は2バイトと4バイトの2種類のみなのに対し、x86 は1〜15バイトまで命令ごとに大きく異なります。どちらも先頭のビット列を読むことで CPU が命令長を自動的に識別します。

6. 分岐命令とPCの書き換え

通常の命令では PC が「命令長分だけ自動的に進む」だけです。しかし if 文や関数呼び出しでは、PC を特定のアドレスへ強制的に書き換える必要があります。これが 分岐命令（Branch instruction） です。

分岐命令が実行されると PC が大きく別の場所に飛びます。条件分岐では「ある条件を満たしたときだけ PC を書き換える」ため、同じプログラムでも入力によって異なる経路を通ります。

具体例：if 文がアセンブラになると

int a = 5;
int b = 3;
if (a > b) {
    a = a - b;  // この行が実行される
}

ARM Cortex-M のアセンブラ出力（概略）：

        mov  r0, #5         ; a = 5
        mov  r1, #3         ; b = 3
        cmp  r0, r1         ; a と b を比較（フラグを更新）
        ble  .end           ; a <= b なら .end へジャンプ（PC を書き換え）
        sub  r0, r0, r1     ; a = a - b（a > b のときだけ実行）
.end:

CMP 命令が内部フラグ（N/Z/C/V）を更新し、BLE 命令がそのフラグを見て「PC をジャンプ先に書き換えるかどうか」を決めます。条件が成立しなければ PC は普通に1命令分進み、次の SUB が実行されます。