マイクロ命令

2025年10月13日

マイクロ命令

英語表記: Microinstruction

概要

マイクロ命令とは、CPUの制御装置が機械語命令を実行する際に使用する、最も基礎的かつ具体的な動作を指示する最小単位の命令です。これは、コンピュータの構成要素の中でも特に「制御装置」が採用する「マイクロプログラム制御方式」において中心的な役割を果たします。複雑な機械語の命令（例えば、四則演算やデータ転送）を、レジスタ間のデータ移動、ALU（算術論理演算ユニット）の操作、制御信号の出力といった、ハードウェアが直接実行できる単純なステップへと分解するために用いられるのです。

詳細解説

制御装置におけるマイクロ命令の役割

私たちは、コンピュータが「命令」を実行すると聞くと、C言語やPythonのような高級言語、あるいはアセンブリ言語を思い浮かべがちですが、CPUの「制御装置」が実際にハードウェアを動かす際には、それらの命令をさらに細かく分解する必要があります。この詳細な動作指示の集合体が「マイクロプログラム」であり、その個々のステップこそが「マイクロ命令」なのです。

この概念は、階層構造でいう「コンピュータの構成要素」の中の「制御装置（命令の解釈と制御信号）」、そしてその具体的な実現方法である「マイクロプログラム制御」の文脈で極めて重要です。なぜなら、制御装置の設計手法の一つとして、ハードウェア配線で制御論理を固定する「ハードワイヤード制御」と対比されるからです。

マイクロプログラム制御の仕組みと構成要素

マイクロプログラム制御方式では、マイクロ命令群を格納するための専用のメモリ領域、すなわち「制御記憶（コントロールストア）」が制御装置内に設けられます。この制御記憶は、通常、高速なROMや書き換え可能なRAMで構成されています。

命令の解釈（デコード）: CPUが主記憶から機械語命令をフェッチ（取り出し）し、制御装置に渡すと、制御装置はその命令をデコード（解釈）します。
マイクロプログラムの開始: デコード結果に基づき、その機械語命令を実行するために必要なマイクロプログラムが制御記憶内のどこにあるか（開始アドレス）を特定します。
マイクロ命令の実行: 特定されたアドレスから、マイクロ命令が一つずつ読み出され、「マイクロ命令レジスタ」に保持されます。
信号の生成: 保持されたマイクロ命令の内容は、制御信号生成回路に入力され、ALUやレジスタ、バスといったCPU内部の各構成要素に対して、具体的な動作を指示する電気信号（制御信号）として出力されます。例えば、「レジスタAのデータをALUに入力せよ」「ALUに加算を実行させよ」といった非常に具体的な指示が含まれます。
次のステップへ: 各マイクロ命令には、次に実行すべきマイクロ命令のアドレス情報（シーケンス制御）も含まれているため、制御装置は自動的に次のマイクロ命令へと移り、一連の機械語命令の実行が完了するまでこのプロセスを繰り返します。

この方式の最大の利点は、機械語命令の追加や変更が必要になった際に、ハードウェア配線を物理的にいじることなく、制御記憶内のマイクロプログラムを書き換えるだけで対応できる柔軟性がある点です。これは技術者にとって非常に魅力的で、設計の複雑さを緩和し、デバッグを容易にしてくれる素晴らしい仕組みだと感じます。

速度と柔軟性のトレードオフ

ただし、マイクロ命令を実行するプロセスは、制御論理がハードウェアに直接配線されているハードワイヤード制御方式に比べて、制御記憶からの読み出しやシーケンス制御のステップが加わる分、一般的に実行速度は遅くなります。現代の高性能CPUでは、速度を重視してハードワイヤード制御を採用する部分が増えていますが、命令セットの柔軟性を確保したい複雑な命令処理には、今でもこのマイクロプログラム制御（すなわちマイクロ命令の利用）が使われていることが多いのです。

具体例・活用シーン

制御装置を動かすための「超詳細なマニュアル」

マイクロ命令の役割を理解するために、「制御装置」を高級レストランのシェフに例えてみましょう。

機械語命令（マクロ命令）: これは、お客様から受けた「ハンバーグ定食を作ってください」という注文（レシピ全体）にあたります。
制御装置（シェフ）: 注文を受けて、実際に調理を指揮する役割です。
マイクロプログラム（詳細なマニュアル）: これは、「ハンバーグ定食」を作るために必要な、すべての具体的な手順を記述したマニュアルです。
マイクロ命令（マニュアルの個々のステップ）: これがマイクロ命令です。「まず、冷蔵庫から挽肉を取り出せ」「次に、玉ねぎを5mm角に切れ」「フライパンに油を大さじ1杯入れ、火力を中火に調整せよ」といった、シェフの手足（ハードウェア）を動かすための最小限の具体的な指示です。

シェフ（制御装置）は、注文（機械語命令）を受けると、対応するマニュアル（マイクロプログラム）を開き、そこに書かれた個々のステップ（マイクロ命令）を順番に実行していきます。

もし、新しいメニュー（新しい機械語命令）を導入したい場合、ハードワイヤード制御（シェフの動きが生まれつき固定されている）では、シェフの神経回路を物理的に組み替えなければなりません。しかし、マイクロプログラム制御（マイクロ命令）であれば、新しいマニュアルを作成し、シェフに渡すだけで対応が可能です。この柔軟性が、マイクロ命令の存在意義を明確に示していると思います。

具体的な動作指示の例:
- R1 -> MAR (レジスタR1の内容をメモリアドレスレジスタMARに転送せよ)
- Add_ALU (ALUに加算モードを設定し、演算を実行せよ)
- Jump_Next_Micro (次のマイクロ命令のアドレスに無条件でジャンプせよ)

これらの具体的で単純なステップの積み重ねが、最終的に「加算命令」や「ロード命令」といった複雑な機械語命令の実行を可能にしているのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、「マイクロ命令」は制御装置の動作原理を問う問題として頻出します。特に、マイクロプログラム制御の文脈で理解することが重要です。

定義の確認: マイクロ命令は、機械語命令を構成する、制御装置における最小の動作単位であると覚えておきましょう。
格納場所: マイクロ命令群（マイクロプログラム）は、制御装置内の制御記憶（コントロールストア）に格納されています。この記憶領域がROMやRAMで構成されている点も重要です。
対比概念: 「マイクロプログラム制御方式」と「ハードワイヤード制御方式」の対比は、知識問題の定番です。
- マイクロプログラム制御（マイクロ命令を使用）：柔軟性が高い、設計変更が容易、速度はやや劣る。
- ハードワイヤード制御：速度が速い、設計変更が難しい。
命令の階層構造: 問題文で「マクロ命令」（CPUの機械語命令）と「マイクロ命令」が区別されている場合、マクロ命令の方が上位の概念であることを理解してください。制御装置は、マクロ命令を解釈し、対応する複数のマイクロ命令を実行することで処理を完了します。
応用情報技術者試験対策: 応用レベルでは、マイクロ命令のフォーマット（水平型と垂直型）や、シーケンス制御の具体的な仕組み（マイクロプログラムカウンタ、条件分岐など）について問われることがあります。マイクロ命令がハードウェアの各部に送る制御信号を直接定義しているというイメージを持っておくと有利です。