マイクロプロセッサプログラミングの基礎

マイクロプロセッサプログラミングの基礎

マイクロプロセッサの命令セットは各チップ固有です。例えば、Intel 80386とMotorola 68020では異なるバイナリエンコーディングを使用するため、同一操作でも異なるマシンコードを必要とします。

命令セットにユニバーサル標準がないため、低レベルプログラミングには深いチップ固有知識が要求されます。

開発者がCPUを直接制御するコードを書くとき——エンジン燃料噴射の調整など——そのプロセッサ固有のマシン語でプログラミングしています。これはCPUのコントロールユニットがデコードするバイナリビット系列です。

マシン語は技術的にはバイナリですが、プログラマは可読性のためほぼ常に16進数で記述します。以下はIntel 8080の一般的な命令例です：

16進数   2進数       命令説明
--------- -------- ------------------------------------------
7B        01111011   レジスタAの内容をレジスタEに移動
87        10000111   レジスタAの内容をレジスタDに加算
1C        00011100   レジスタEの内容を1インクリメント
D3        11010011   データバスにデータバイトを出力

16進表記でもこれらのコードは混乱を招きます。アセンブリ言語はニーモニック略記——例：7BはMOV A,E——を提供し、実行前にアセンブラによってバイナリに変換されます。

プログラム作成後、メモリにロードする必要があります。不揮発性ストレージの場合、ROMプログラマがバイナリイメージをROMチップに書き込み；揮発性メモリの場合、ブートローダやOSルーチンがキーストロークやディスクファイルを受け取り、コードをRAMに配置します。

フル機能PCでは、コンパイラがアセンブル済みコードをディスクファイルに書き込み。実行時、ファイル名を呼び出すとCPUのプログラムカウンタが最初の命令を指し、プログラムが実行されます。

マシン語やアセンブリプログラミングは高効率コードを生み出しますが、労力が大きくエラーしやすいです。高水準言語（C、C++、Javaなど）なら、print "Hello, world!"のように意図を表現するだけで個別マシンステップを詳細化する必要がありません。

高水準プログラムは、コンパイラ（静的翻訳）またはインタプリタ（実行時翻訳）によってマシンコードに変換されます。コンパイルコードは実行時に翻訳が発生しないため高速ですが、インタプリタコードは命令ごとにオーバーヘッドが発生します。

一般的なコンパイル言語にはC、C++、FORTRAN、Pascalがあり、BASICとFORTHは通常インタプリタ型です。命令セットがCPUごとに異なるため、コンパイラとインタプリタは特定プロセッサアーキテクチャをターゲットにする必要があります。

IntelやMotorolaのようなメーカーは、新CPUを下位互換設計することで互換性問題を緩和しています。例えば、Pentium IVプロセッサは完全な80386命令セットに加え追加命令をサポート。80386向けにコンパイルされたコードはPentiumで動作しますが、Pentium専用命令を使用したコードは80386では動作しません。

コンパイラは通常、開発者がターゲットCPUを選択可能。80386向けコンパイルで古いハードウェアとの互換性を保証、Pentium向けで新機能を活用可能です。

関連ワークシート

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