第2話
プログラムを作る手順

第1話では、プログラムはメインメモリに配置されてから実行されると言いましたが、実際のメインメモリは図1-1のような構造になっています。

メインメモリは情報が格納された長い帯のイメージです。 図では「B8 03 00 00 00 83 C0」という情報が入っていますが、この左右にも延々と続いています。

メインメモリの情報は、よく「16進数しんすう」という書き方で表されます。 わたしたちは数値を書くとき「0123456789」の10種類の記号を使いますが、これは「10進数しんすう」と呼ばれ、16進数では「0123456789ABCDEF」の16種類の記号で数値を表します。 また「01」の2種類だけで数値を表す「2進数しんすう」もプログラミングではよく使われます。 「9」に「1」を足すと、10進数では繰り上がって「10」になりますが、16進数では「A」になります(表1-1)。

16進数では「F」に「1」を足すと繰り上がって「10」になります。

さて、先ほどの図1-1ではメインメモリの上部にも16進数が書かれていますが、これは「アドレス」と呼ばれ、メインメモリの先頭から順番に1つずつ増やしながら割り当てられています。 アドレスを「○○番地ばんち」と表現すると、先ほどの図でB8が入っているのは「3C番地」、83が入っているのは「41番地」になっています。 また「42番地にはC0が入っている」ともいえます。

メインメモリの1つの番地には、16進数で「00～FF」の範囲の値を入れることができます。 これは10進数では「0～255」、2進数では「00000000～11111111」の値です。 この値1つあたりの長さを「1バイト」と呼び、2進数で表したときの各桁の長さを「1ビット」と呼びます(図1-2)。

1バイトの情報は2進数で「00000000～11111111」の8桁で表せますので、「1バイト=8ビット」です。 例えば「B8 03 00 00 00 83 C0」という情報は、7バイトであり、また56ビットです。

第1話でプログラムは命令の集まりだと言いましたが、CPUは実は日本語や英語ではなく「機械語きかいご」と呼ばれる専用の言語しか理解できないため、プログラムは機械語で作る必要があります。 図2-1は機械語のプログラムの例です。

16進数なので一見難しそうですが、1つ1つの命令は単純です。 この機械語は表2-1のような意味になっています。

このプログラムをよく読むと、メインメモリのA0番地に5が書き込まれるプログラムであることが解ります。 以上のような機械語を書いていけば、最終的にはアプリやOSが完成します。

しかし実際にプログラムを機械語で書いていくのは大変なので、現在では普通もっと便利な方法が行われます。 人間にとって解りやすい言葉で書き、あとで機械語へ自動翻訳させるのです(図3-1)。

この自動翻訳することを「コンパイル」といい、専用のアプリを使って行います。 コンパイルしてくれるアプリのことを「コンパイラ」といい、また翻訳前のプログラムのことを「ソースコード」といいます。

コンパイルの仕組みを用いると、非常に簡単にプログラムが作れる上に、他にもたくさんの利点があります。 例えば、CPUの種類によってCPUが読める機械語が異なるのですが、コンパイラの設定を変えるだけで、翻訳前のソースコードを修正することなく別のCPUにも対応できたりします。 また、コンパイルするときに優れた機械語になるように調整する「最適化さいてきか」も行ってくれます。

コンパイラもアプリなので、プログラミングによって作り出すことができます。 いつかコンパイラ作りに挑戦してみると良いでしょう。

翻訳前のソースコードはどのような言葉で書かれるかというと、これもまた日本語や英語ではなく、「プログラミング言語げんご」と呼ばれる専用の言語です。 そしてこのプログラミング言語にもたくさんの種類が存在します。

初めはいくつかのプログラミング言語しか存在しなかったのですが、「こんな言語のほうが便利だろう」「自分ならこう設計をする」と人々がやっているうちに、いつの間にか数百種類になってしまいました。 しかも用途により適材適所で使い分けられています。 表4-1に、いくつかのプログラミング言語を挙げます。

この他にも様々な言語が存在します。 C#が登場するまでは「Visualヴィジュアル Basicベーシック」が優勢だったり、最近はC/C++に代わる言語として「Rustラスト」が登場したり、言語の流行り廃りは著しいです。 しかし数十年前から最も多くの人が習得していて今なお使われている言語は「C言語」ですので、まずはC言語を中心に学習すると普遍的な知識が習得できる思います。

また、機械語の命令を人間が読めるぎりぎりの言葉に置き換えただけの「アセンブリ言語」がありますが、CPUに特殊なことをさせたい場合にたまに使うことがあり、C言語のプログラムの中に埋め込むこともできます。 ちなみに、アセンブリ言語のプログラムを機械語に翻訳するときはコンパイルではなく「アセンブル」といい、翻訳を行ってくれるアプリを「アセンブラ」と呼びます。

プログラミング言語によっては、機械語にコンパイルしてから実行するのではなく、実行している最中に機械語に逐次翻訳しながら進めるものもあります。 こうすると実行速度は遅くなりますが、ソースコードを修正するたびにコンパイルする手間がかかることを短縮できます。

以上がプログラムを作る手順になります。 基本的には、「書いたソースコードを機械語にコンパイルして実行」という流れです。 ソースコードはテキストエディタで作れます。 コンパイルの仕方は、各コンパイラの説明書に書かれています。 あとは、ソースコードの書き方を学べばOSやアプリが作れそうです。

ここからは、各コンパイラを用意する方法について簡単に説明しておきます。 本講義ではインストール方法などは割愛しますが、詳しい使い方はそれぞれの公式サイトなどを参照してください。

C/C++では、Windowsならば「Visual Studio」というパッケージに含まれる「Visual C++」というアプリがよく使われます。 コンパイラだけでなく、テキストエディタや他の便利な機能も揃っています。 無料版も配布されています。 Visual StudioにはC#も含まれており、C#を書きたい人も通常はこれを使います。

LinuxやBSDでC/C++を書くときは、コンパイラは「Clang」や「GCC」を使うと良いでしょう。

アセンブリ言語をアセンブルする際のアセンブラは、大抵C/C++のコンパイラに付属しているのでそれを使います。

JavaScriptはWebブラウザによって動かされるもので、コンパイルは必要ないため、コンパイラは不要です。 このサイトを見るのに使っているWebブラウザと、テキストエディタがあれば十分です。

次回からは、C言語とアセンブリ言語とJavaScriptをはじめとする、様々な言語のソースコードを見ながら、多くのプログラミング言語で必須となる知識をまとめて解説します。