命令語の構成（命令フォーマット）

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命令語の構成とは

命令語の構成（命令フォーマット）とは、コンピュータが理解できる1つの機械語命令が、どのようなビットの並びでできているかという決まりのことです。命令語＝CPUが実行する1つ分の命令を 0 と 1 のビット列で表したものです。

命令語は大きく分けて命令コード部とオペランド部の2つの部分でできています。上の図解の①のように、前半が「何をするか」、後半が「何に対して行うか」を表すと考えると分かりやすいです。

身近な例で言うと、お店の注文票に似ています。「焼く（動作）」＋「ハンバーグを（対象）」のように、〈動作〉と〈対象〉がセットになって初めて1つの指示が完成します。命令語もまったく同じ構造をしています。

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命令コード部とオペランド部

命令語を構成する2つの部分には、それぞれ明確な役割があります。

命令コード部（オペコード部、OPコード）は、「何をするか」＝動作の種類を表します。
・加算（ADD）・減算（SUB）・転送（LOAD/STORE）・分岐（JUMP）など
・CPUはまずここを見て、どんな処理を行うかを判断する
・このビット幅で、表現できる命令の種類数が決まる（例：4ビットなら最大 2⁴＝16 種類）

オペランド部（アドレス部）は、「何に対して行うか」＝操作の対象を表します。
・対象のレジスタ番号、メモリの番地、即値（値そのもの）などを書く
・どう解釈するかは「アドレス指定方式」で決まる（直接・間接・即値など）
・命令によってはオペランド部を複数持つ（上の図解②の2アドレス・3アドレス命令）

上の図解②のように、オペランド部の個数によって0アドレス命令〜3アドレス命令と呼び分けます。たとえば「ADD A, B, C（A と B を足して C に入れる）」は対象が3つあるので3アドレス命令です。CPUはこの命令コード部を読んで動作を決め、オペランド部を読んで対象を特定する、という順で命令を解釈します。

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固定長と可変長

命令語の「長さ（ビット数）」をどう決めるかには、固定長と可変長の2つの考え方があります。上の図解③で長さの違いを比べてみてください。

固定長命令は、すべての命令を同じビット数に揃える方式です。
・命令の区切りが常に同じ位置なので、解読（デコード）が単純で速い
・命令の取り出しやパイプライン処理がしやすい
・短い命令でも決まった長さを使うため、ややメモリにムダが出る
・RISC（命令を単純化したCPU）でよく採用される

可変長命令は、命令ごとに必要な長さだけ使う方式です。
・短い命令は短く、対象が多い命令は長く、と無駄なく詰められる
・メモリ（プログラムサイズ）を節約できる
・命令の長さがバラバラなので、区切りを判定する処理が複雑になる
・CISC（多機能な命令を持つCPU）でよく採用される

身近な例で言うと、固定長は「すべての荷物を同じサイズの箱に詰める」、可変長は「荷物に合わせて箱の大きさを変える」イメージです。前者は仕分けが楽（速い）、後者は隙間が少なく省スペース（節約）という、それぞれの長所があります。「固定長＝デコードが速い／可変長＝メモリ効率がよい」という対比で押さえておくとよいでしょう。

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アドレス指定方式とは

命令のオペランド部には「どこに対象のデータがあるか」が書かれています。でも、その書き方（解釈のしかた）は1種類ではありません。この「オペランド部の値をどう解釈して、実際のデータを取り出すか」の決まりをアドレス指定方式と呼びます。

代表的な3つの方式をまとめます。
・即値アドレス指定：オペランド部に値そのものが書いてある。「5を足せ」のように値が命令の中に直接入っているので、メモリを読む手間がなく速い。ただし使える値の大きさが限られる
・直接アドレス指定：オペランド部にメモリの番地（住所）が書いてある。「番地100にあるデータを使え」という意味で、その番地を1回読めば値が得られる
・間接アドレス指定：オペランド部に書かれた番地を読むと、さらに別の番地が書いてある。2回読んで初めて本当のデータに到着する。遠回りだが柔軟に使える

身近な例で考えると、直接アドレス指定は「棚の101番に荷物が入っている」と番地を直接教えてもらうイメージ。間接アドレス指定は「棚の101番に"本当の荷物は棚の200番にある"と書いたメモが入っている」ようなイメージです。1段階多く読む分だけ時間がかかりますが、番地を動的に変えられる柔軟性があります。

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なぜ複数の方式があるのか

なぜ1つの方式に統一しないのか。それは、アドレス指定には「速さ」と「柔軟さ」のトレードオフ（一方を得ると他方が犠牲になる関係）があるからです。速い方式には表現できる範囲の限界があり、柔軟な方式はアクセスに時間がかかります。

各方式の特徴を並べると、次のとおりです。
・即値：メモリへのアクセスなし＝最速。ただし命令の中に入れられる値の大きさに上限がある
・直接：1回メモリを読む。分かりやすく使いやすい。ビット幅の分だけ番地の広さが決まる
・間接：2回メモリを読む＝やや遅い。でも番地を実行中に変えられる（配列の処理などに有利）

このほかにも、相対アドレス指定（＝現在の位置からの距離で指定する方法）やレジスタアドレス指定（＝CPU内の高速な記憶場所「レジスタ」を使う方法）など、複数の方式があります。プログラムの中には、速く動かしたい部分・柔軟さが必要な部分・それぞれが混在するため、用途に合わせて方式を組み合わせることでCPU全体の性能を最大限に引き出しています。