プログラム実行時、メモリとCPUはどのように 連動して動くのか

書籍「プログラムはなぜ動くのか」を読み、今まで理解がバラバラだった用語がスッキリまとまりました。
その中から第1章の内容を中心に図解し、社内自主学習会として発表した資料を公開します。

補足：現在は第3版が最新です
プログラムはなぜ動くのか 第3版
https://www.yodobashi.com/product/100000086601330719/

Transcript

1. 2025/08/07 Toshiki003 プログラム実行時、メモリとCPUは どのように 連動して動くのか
2. 資料
3. おことわり 告知時は1〜4章を予定していましたが 量が多く本日の内容はほぼ1章の内容のみとなります🙇
4. アジェンダ 1, 低レイヤを学ぶ意味 2, 本日のめあて 3, 一問一答 4, 用語の解説 5, プログラムが動く全体像 6, データを解釈するということ
5. 1, 低レイヤを学ぶ意味 早く行くなら一人で行け。遠くに行くならみんなで行け（アフリカのことわざ） →早く行くなら AIを学べ。遠くに行くなら基礎となる技術を学べ
6. 2, 本日のめあて ・プログラムが動く処理の全体像をつかもう ・用語を理解しよう
7. 3, 一問一答 ・プログラムとは、何ですか？ ・プログラムの中には、何が含まれていますか？ ・マシン語とは、何ですか？ ・実行時のプログラムはどこに格納されていますか？ ・C言語コードを実行したときの流れを、以下の言葉を使って言語化してください 　ストレージ、メモリ、CPU、レジスタ、（OS）
8. 3, 一問一答（解答） ・プログラムとは、何ですか？→コンピュータに実行させる処理の順番を示すもの ・プログラムの中には、何が含まれていますか？→命令とデータ ・マシン語とは、何ですか？→CPUが直接解釈できる言語 ・実行時のプログラムはどこに格納されていますか？→メモリ（主記憶装置） ・C言語コードを実行したときの流れを、以下の言葉を使って言語化してください 　ストレージ、メモリ、CPU、レジスタ、（OS） 　→この後解説
9. 4, 用語の解説 - 登場人物編 - １）CPU
10. 4, 用語の解説 - 登場人物編 - ２）メモリ
11. 4, 用語の解説 - 登場人物編 - ３）ストレージ
12. 4, 用語の解説 - その他 - ４）マシン語 CPUが直接解釈できる言語 →つまり0と1の羅列です →バイナリエディタ(Stirlingが有名) で見るときは16進数で表記 される
13. 4, 用語の解説 - その他 - ５）レジスタ←超重要 CPU内部にある高速な記憶領域 計算や処理中のデータを一時的に保存 プログラムはレジスタを対象として記述される CPUとプログラムの関係 | Device Configuration
14. 5, プログラムが動く全体像
15. 5, プログラムが動く全体像 - 言語化 - C言語の例 １、ユーザーが高級言語でプログラミングする ２、コンパイラを使ってコンパイルし、実行可能ファイル(Windowsな ら.exe,Linux/MacOSは拡張子なしファイル)としてストレージに保存される ３、プログラムを実行する（GUIならダブルクリック） ４、ストレージの実行可能ファイルのコピーをメモリに作成する 　（=ロードする） ５、メモリの実行可能ファイル（マシン語）からCPUのレジスタへ、プログラム開始アド レスと命令とデータが渡される ６、CPUのレジスタで演算処理される ７、プログラムの終了または終了命令を受け取ったら、CPUの処理は終了する →Javaは上記の説明に中間コード（バイトコード）が入ってくる
16. 6, データを解釈するということ 全ては2進数 01100001 これは何でしょうか？
17. 6, データを解釈するということ 全ては2進数
18. 6, データを解釈するということ 全ては2進数 データ自体には「これは文字だ」「これは画像の一部だ」といった情報は含まれてい ません。データの意味は、それを取り扱うプログラムや、データが格納されているファイ ルのフォーマット（形式）によって決まります。 つまり、同じ8ビット（1バイト）のデータでも、 ・文字コードとして見れば”a” ・画像データとして見れば色の一部 ・音声データとして見れば音の一部 のようにコンテキスト（文脈）によってまったく異なる意味を持つのがコンピュータの世界 の興味深い点です。データそのものは単なる0と1の羅列であり、その解釈方法を決め るのがプログラムやファイル形式なのです。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　By Gemini AI回答
19. 以下は補足資料
20. 4, 用語の解説 - その他 - ５）アセンブリ言語 本来個々の電気信号であるマシン語の命令に、その動作 を表す英語のような略語（ニーモニック）を割り当てたもの 　マシン語とアセンブリ言語は基本的に1対1で対応して いる 一つの操作コード（オペコード）と その引数（オペランド）を組み合わせて使用 出典: アセンブリ言語に触る
21. 4, 用語の解説 - その他 - ６）コンパイル 　高水準言語で書かれたプログラムをマシン語にすること。そのための 　変換プログラムをコンパイラという。 TypeScript→JavaScriptのように、高級言語か ら高級言語の変換もある。これはコンパイルの 定義に当てはまらないけれど？ 🤔 現代では、「ある言語で書かれたコードを、別 の言語のコードに変換すること」という広い意 味でコンパイルという用語が使われているらし い。厳密に区別するなら、 TS→JSはトランス パイルと呼ぶ。
22. 4, 用語の解説 - その他 - ７）ネイティブコード・中間コード・ソースコード CPUが理解できる（≒母国語）のがネイティブコード 、つまりマシン語を指す 人間が読みやすい形がソースコード 。C, Java, Ruby, PHP, JS, Python, Go … ソースコードをコンパイルしてマシン語にするが、「CPUやハードの種類によってマシン 語の解釈は異なる」という課題が。 →動作環境の差異をなくすために、中間コード（バイトコード） を生成する言語もある。 Java、C#など
23. 4, 用語の解説 - その他 - ８）関係性