命令フェッチ

2025年10月13日

命令フェッチ

英語表記: Instruction Fetch

概要

命令フェッチは、プログラム実行プロセスのうち、コンピュータの心臓部である制御装置が最初に行う、極めて重要な動作です。これは、主記憶装置（メインメモリ）に格納されているプログラムの「命令」を、実行するために制御装置内部へ取り出す（フェッチする）作業を指します。コンピュータの構成要素の文脈では、この命令フェッチこそが、制御装置が次に何をすべきかを決定し、全体の処理の流れを司るための出発点となるのです。

詳細解説

制御装置における命令フェッチの目的と位置づけ

命令フェッチは、コンピュータの構成要素の中でも、特に制御装置（命令の解釈と制御信号）が担う基本的な「役割」の一つです。プログラムは、多数の命令が順番に並んだリストとして主記憶に保存されていますが、制御装置がこれらの命令を一つ一つ実行していくためには、まずその命令自体を取得しなければなりません。この「取得」のプロセスが命令フェッチです。

もし命令フェッチがなければ、制御装置は次に何をすべきかを知ることができず、コンピュータはただの箱になってしまいます。命令フェッチは、プログラムの順序実行を保証する、まさに制御装置の根幹をなす機能と言えるでしょう。

命令フェッチの仕組みと主要なレジスタ

命令フェッチの動作は、主に以下のレジスタ（制御装置内部にある高速な記憶領域）と主記憶との連携によって実現されます。

プログラムカウンタ（PC: Program Counter）:
- 制御装置は、次にフェッチすべき命令が主記憶のどこに格納されているかを示す「アドレス」を、このプログラムカウンタで管理しています。これは、次に読むべき本のページ番号を常に指し示しているようなものだとイメージしてください。
メモリアドレスレジスタ（MAR: Memory Address Register）:
- 命令フェッチが開始されると、まずプログラムカウンタに保持されているアドレスがMARに転送されます。MARは、主記憶に対して「このアドレスにあるデータを持ってきてほしい」と要求するための窓口となります。
主記憶装置（メインメモリ）とのやり取り:
- MARに格納されたアドレス情報がアドレスバスを通じて主記憶に送られます。主記憶はこのアドレスを検索し、対応する命令データを取り出します。
メモリデータレジスタ（MDR: Memory Data Register）:
- 主記憶から読み出された命令データは、データバスを通じてMDRに一時的に格納されます。
命令レジスタ（IR: Instruction Register）:
- MDRに一時的に保持された命令データは、最終的にIRに転送されます。IRに命令が格納された時点で、命令フェッチの作業は完了です。

命令がIRに格納された後、制御装置は次のステップである「命令デコード（解読）」に進みます。そして、命令フェッチが完了するたびに、プログラムカウンタの値は自動的に更新され（通常は次の命令のアドレスを指すように+1されます）、次の命令フェッチに備えるのです。この一連の流れを正確に制御し、各レジスタ間のデータのやり取りやタイミングを管理することこそが、制御装置の役割そのものなのです。

命令フェッチの重要性

命令フェッチは、CPUの動作サイクル（命令サイクル：フェッチ→デコード→実行）の最初の段階であり、その速度がCPU全体の処理速度に直結します。現代の高性能なCPUでは、パイプライン処理やキャッシュメモリを駆使することで、このフェッチの遅延を最小限に抑えようと工夫されています。制御装置の効率的な動作は、このフェッチの正確さと迅速さに大きく依存していると言えるでしょう。

具体例・活用シーン

命令フェッチの役割を理解するために、日常生活における料理人を例にとってみましょう。この例を通じて、コンピュータの構成要素における制御装置の役割を明確に捉えることができます。

料理人のレシピ実行（メタファー）

ある料理人（これが制御装置です）が、複雑なフルコースのレシピ（これがプログラムです）を実行するとします。

レシピ本（主記憶）の参照: 料理人は、まず「次に何をすべきか」を知るために、レシピ本（主記憶）を参照します。
ページ番号の確認（プログラムカウンタ）: 料理人の手元には、次に読むべきページ番号を記した付箋（プログラムカウンタ）があります。現在、付箋には「3ページ」と書いてあります。
ページを開く（アドレス転送）: 料理人は「3ページ」を開くよう指示します（アドレスバスを通じてMARへ転送）。
命令の取得（命令フェッチ）: 3ページに書かれていたのは「玉ねぎをみじん切りにする」という具体的な手順（命令）でした。料理人はこの命令を読み取り、自分の作業台（IR）に持っていきます。
付箋の更新（PCの更新）: 料理人はこの命令を実行する前に、次の手順に備えて付箋を「4ページ」に更新します。

この一連の動作において、「玉ねぎをみじん切りにする」という命令をレシピ本から探し出し、作業台に持ってくるまでの行為全体が「命令フェッチ」に相当します。制御装置は、このフェッチによって命令の内容を把握し、デコード（解読）を経て、実行（玉ねぎを切る）へと進むのです。この例からもわかるように、制御装置の役割は、単に計算を実行することではなく、プログラムの指示通りに作業を「取り出す」「解釈する」「実行させる」という、全体の流れを管理することにあるのです。

資格試験向けチェックポイント

命令フェッチは、ITパスポート試験（FE）や基本情報技術者試験（AP）において、CPUの動作原理を問う問題として頻出します。特に、コンピュータの構成要素や制御装置の基本機能についての理解度を測るために使われます。

命令サイクルの三段階: 命令フェッチは、命令サイクル（FDEサイクル）の最初の段階であることを確実に覚えておきましょう。F（Fetch: 取り出し）→ D（Decode: 解読）→ E（Execute: 実行）の流れです。
プログラムカウンタ（PC）の役割: 「次に実行すべき命令のアドレスを保持しているレジスタは何か」という形で、PCの役割が問われることが非常に多いです。命令フェッチにおいて、PCがアドレス情報をMARに渡す役割を果たすことを理解しておく必要があります。
制御装置の機能: 命令フェッチは、演算装置ではなく制御装置の機能であることを明確に区別してください。制御装置は命令の取り出しと解釈、そして実行に必要な制御信号の生成を担当します。
レジスタ間のデータの流れ: PC → MAR → 主記憶 → MDR → IRという一連のデータの流れを理解し、それぞれのレジスタがどの情報を一時的に保持しているかを把握しておくと、応用問題にも対応できます。
パイプライン処理との関連: 応用情報技術者試験では、命令フェッチを高速化するための技術（例：命令プリフェッチ、パイプライン処理）について問われることがあります。命令フェッチの効率化が性能向上に直結することを意識しておきましょう。