中央演算処理装置 (CPU)

CPU (Central Processing Unit) は、コンピューターの「頭脳」にあたる部分です。プログラムに書かれた命令を順番に読み取り、計算や判断をおこないながら処理を進めていきます。たとえば「AとBを足す」「条件に合えば次の命令に進む」といった動作は、すべて CPU が担当しています。

CPUの内部には、以下のような機能が含まれています。
　・演算装置 (ALU) ：算術演算や論理演算などの計算をおこなう
　・制御装置 (CU) ：命令を解釈し、各装置に指示を出す
　・レジスタ：一時的なデータ保存領域

記憶装置（メモリー）

メモリーは、データや命令を一時的に保存しておく場所です。CPU が処理する情報は、まずメモリーに読み込まれ、そこから取り出して使われます。メモリーには、作業中のデータを保持するRAM（ランダムアクセスメモリー）と、電源を切っても内容が保持されるROM（リードオンリーメモリー）などがあります。

入出力装置 (I/O)

入出力装置は、コンピューターが外部と情報をやり取りするための仕組みです。「入力」には、センサーやスイッチなどからの制御信号が含まれ、「出力」には、LED の点灯やモーターの動作などを司る制御信号が含まれます。これらの装置を通じて、コンピューターは外の世界とつながり、制御や応答をおこないます。

このように、コンピューターは「演算」「記憶」「入出力」という3つの役割を持つブロックが連携して動いています。この構成は、Z80 のような昔のマイクロプロセッサーを使ったシステムでも、現在のマイコンでも基本的に変わりません。マイコンは、これらのブロックを 1つのチップにまとめたものであり、コンピューターのしくみをコンパクトに実現した存在なのです。

ブロック間をつなぐ「バス」とは？

CPU・メモリー・入出力装置は、それぞれが独立して動いているわけではなく、互いに情報をやり取りしながら連携して動作しています。そのためには、ブロック間をつなぐ「通り道」が必要です。この通り道が「バス (Bus) 」です。バスは、コンピューター内部の各ブロックをつなぐ配線のようなもので、以下のような種類があります。

　・アドレスバス：どこにアクセスするかを指定する
　・データバス：データそのものを運ぶ
　・制御バス：処理のタイミングや方向を制御する

バスがあることで、CPU はメモリーからデータを読み込んだり、入出力装置に命令を送ったりすることができるのです。

命令の処理ステップ：フェッチ ➡ デコード ➡ 実行

■ フェッチ（命令の読み出し）
　 メモリーから次に実行すべき命令を読み出します。命令の場所は「プログラムカウンター」という内部の記憶領域で管理されています。

■ デコード（命令の解読）
　 読み出した命令が「何をするものか」を解読します。たとえば「Aに5を代入する」「BとCを加算する」といった内容です。

■ 実行（命令の実行）
　 解読した内容に従って、演算やデータの移動などの処理をおこないます。必要に応じて、メモリーや入出力装置とのやり取りもおこなわれます。

この一連の流れを、CPU はクロック信号に合わせて高速に繰り返しています。1秒間に何百万回、何十億回という単位で命令を処理することができます。

命令セットと CPU の個性

CPU が理解できる命令の種類は、あらかじめ決められています。これを命令セット (Instruction Set) と呼びます。 命令セットには、たとえば「データを読み込む」「加算する」「条件によって分岐する」といった基本的な操作が含まれています。

CPU の種類によって、この命令セットの内容や表現方法が異なります。 たとえば、Z80、ARM、RISC-V といった CPU は、それぞれ独自の命令セットを持っており、同じ処理をするにも命令の書き方や使い方が違います。この命令セットの違いが、CPU ごとの「個性」となります。 ある CPU は命令がシンプルで高速に動作することを重視していたり、別の CPU は多機能で柔軟な命令を備えていたりします。

RAM（ランダムアクセスメモリー）

RAM は、作業中のデータやプログラムを一時的に保存するためのメモリーです。CPU が処理する命令やデータは、まず RAM に読み込まれ、そこから取り出して使われます。RAM の特徴は、電源を切ると内容が消えてしまうことです。つまり、作業中の“メモ帳”のような役割を果たしています。このように、電源が切れると記憶内容が失われるメモリを揮発性メモリーと呼びます。

ROM（リードオンリーメモリー）

ROM は、電源を切っても内容が保持されるメモリーです。主に、起動時に必要なプログラムや、変更されない設定情報などを保存するために使われます。マイコンでは、ROM の代わりにフラッシュメモリーが使われることが多く、プログラムを書き込んだり更新したりすることができます。フラッシュメモリーは、電源を切っても内容が保持されるという点では ROM と同じですが、後から書き換えが可能であるという特徴があります。このように、電源を切っても記憶内容が保持されるメモリーを不揮発性メモリーと呼びます。

メモリーとアドレスの関係

CPU がメモリーにアクセスする際には、「アドレス」と呼ばれる番号を使って、どの場所のデータを読み書きするかを指定します。このアドレスは、メモリーの“番地”のようなもので、たとえば「100番地にあるデータを読み込む」「200番地に新しい値を書き込む」といった形で使われます。

プログラムの命令や変数も、それぞれ特定のアドレスに割り当てられており、CPU は命令に従ってそのアドレスを参照しながら処理を進めます。このしくみは、マイコンでも同様で、限られたメモリー領域の中で効率よくアドレスを管理することが重要になります。

入出力装置とは？

コンピューターは、外の世界と情報をやり取りするために「入出力装置（I/O 装置）」を使います。これは、人間でいう「目・耳・口・手」のような役割を果たします。

　・入力装置：外部から情報を受け取る装置
　　例：センサー（温度・光・加速度など）、スイッチ、キーボード、マイク
　・出力装置：処理結果を外部に伝える装置
　　例：LED、モーター、ディスプレイ、スピーカー

これらの装置は、CPU とデータバス・制御バスを通じて接続されており、双方向のやり取りが可能です。たとえば、センサーからの信号を CPU が読み取り、条件に応じて LED を点灯させる、といった制御がおこなわれます。

インターフェースとは？

入出力装置とコンピューターが正しく通信するためには、「インターフェース」が必要です。インターフェースとは、異なる装置同士が情報をやり取りするための「共通のルール」や「接続のしかた」のことです。

たとえば、CPU はアドレスやデータ、制御といった信号で通信しますが、外部機器は USB や I2C など別の形式で通信します。この違いを“翻訳”してくれるのが、インターフェースの役割です。以下の図2 は、入出力装置の中にインターフェースが含まれ、CPU と外部機器の間で通信を仲介している様子を示しています。青い矢印は CPU とのバス通信、オレンジの矢印は外部機器との通信（バス型またはポート型）を表しています。

■ なぜ必要なのか？
　 たとえば、人間同士でも「日本語」と「英語」で話すと通じません。
　   同じように、コンピューターと装置が「同じ言語（インターフェース）」で話す必要があるのです。
　   なお、外部機器と直接通信できるように見える場合でも、実際には CPU が理解できる形式に変換する“最低限のインターフェース”が内部に存在しています。

■ インターフェースの種類
　　インターフェースはマイコンのターゲットアプリケーション、特長を示す重要なブロックになっています。使用用途に合わせ、さまざまな組み合わせで製品化されています。
　　　- GPIO（汎用入出力）
　　　- UART（シリアル通信）
　　　- SPI / I2C（複数の装置をつなぐバス方式）
　　　- USB
　　　- Ethernet
　　　- CAN など

なぜマイコンが誕生したのか？

かつては、センサーやモーターなどを制御するために、CPU・メモリー・I/O 装置・インターフェースを個別に組み合わせて、1台のコンピューターとして構成する必要がありました。しかしこの方法では、コストが高く、サイズも大きく、消費電力も多いという課題がありました。

そこで登場したのが「マイコン」です。制御に必要な機能だけを小型化・集約し、1チップで完結できるようにしたことで、以下のようなメリットが生まれました。

　・小型機器や組み込み機器への搭載が可能
　・低コスト・低消費電力
　・シンプルな構成で制御がしやすい

つまり、マイコンは「小さなコンピューター」として、センサーやモーターなどの制御をシンプルに実現できるのです。下図では、左に従来のコンピューターの構成、右にマイコンの構成を並べて比較しています。両者とも、CPU・記憶装置・入出力装置（インターフェース含む）という基本的な構成ブロックは共通していますが、コンピューターではそれぞれが独立しており、バスで接続されているのに対し、マイコンではそれらが1チップに統合されています。この図を見ることで、マイコンが「コンピューターの構成ブロックをそのまま小型化・集約した存在」であること、そして両者の違いと共通点がよりはっきりと理解できるはずです。

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