EX（イーエックス）

2025年10月22日

EX（イーエックス）

英語表記: EX (Execution Stage)

概要

EX（イーエックス）は、CPUのパイプライン処理における「実行（Execution）」フェーズを担当するパイプライン段です。この段階では、先行する命令デコード（ID）段で準備された情報に基づき、命令が要求する実際の演算処理が実行されます。

具体的には、算術論理演算ユニット（ALU）を用いて加算、減算、論理演算などの中核的な計算を行う、まさに「CPUが仕事をする」最も重要なステージだと理解していただけるとわかりやすいでしょう。これは、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン） → パイプライン処理 → パイプライン段という文脈において、処理の核心を担うステージとして位置づけられています。

詳細解説

EX段の目的とパイプライン処理における役割

EX段の主な目的は、命令が指定する処理を物理的に実行し、その結果を生成することです。命令デコード段（ID）を通過した命令は、何を計算すべきか、どのレジスタのデータを使うべきかという情報がすべて揃っています。EX段は、その設計図に従って、データそのものに手を加える段階です。

このEX段は、パイプライン処理の効率を決定づける非常に重要な要素です。パイプライン処理とは、複数の命令を同時に、異なる段階（段）で処理することで、CPUのスループット（単位時間あたりの処理量）を向上させる技術です。EX段が迅速かつ正確に処理を終えることで、後続の命令がスムーズに流れ込むことが可能になります。もしこのEX段で時間がかかりすぎると、パイプライン全体が停滞してしまう（ストール）原因となってしまいます。

EX段における主要な機能と構成要素

EX段の核となる構成要素は、ALU（Arithmetic Logic Unit：算術論理演算ユニット）です。ALUは、CPUの頭脳とも言える部分で、以下の主要な種類の演算を実行します。

算術演算: 加算（Addition）、減算（Subtraction）など、数値を使った計算を行います。
論理演算: AND、OR、NOT、XORなどのブール論理に基づく操作を行います。
アドレス計算: メモリ参照命令（ロード/ストア）の場合、実際にアクセスすべきメモリ上の番地（アドレス）を計算します。これは、ベースアドレスにオフセット値を加えるといった形で実行されます。

パイプライン処理では、EX段の直前でレジスタから読み出されたオペランド（操作対象のデータ）がALUに供給されます。ALUは、ID段から受け取った制御信号に基づいて、必要な演算を実行し、その結果（演算結果や計算されたアドレス）を次のパイプライン段（通常はメモリアクセス段：MEM）に渡します。

EX段とスーパースケーラ化

現代の高性能なCPUでは、パイプライン処理の効率をさらに高めるために、スーパースケーラ・アーキテクチャが採用されています。これは、EX段を複数用意し、同時に複数の命令の実行を試みる設計です。例えば、整数演算用のALUと、浮動小数点演算用のFPU（Floating-Point Unit）を別々に持つことで、同時に複数の異なる種類の命令を処理できます。

このように、EX段は単なる計算の場ではなく、CPUの性能を最大化するための並列化戦略の中心地でもあるのです。この技術的な進化のおかげで、私たちが日常的に利用するソフトウェアが高速に動作していると考えると、EX段の重要性がより深く理解できるのではないでしょうか。

ハザードとEX段

パイプライン処理において厄介な問題として「ハザード（Hazard）」があります。特にデータハザード（ある命令の結果が、次の命令の入力として必要だが、まだEX段で計算が終わっていない状態）は、EX段が原因で発生することが多いです。

この問題を解決するために、フォワーディング（Forwarding）またはバイパス（Bypassing）という技術が使われます。これは、EX段で計算が終わった直後の結果を、レジスタに書き戻されるのを待たずに、次の命令のEX段の入力に直接渡してしまう仕組みです。これにより、パイプラインのストールを最小限に抑え、EX段の出力を最大限に活用することが可能になります。この工夫こそが、パイプライン処理の真髄だと私は感じています。

具体例・活用シーン

1. 簡単な加算命令の追跡

私たちがプログラムで「C = A + B」という計算を行った場合の、EX段での具体的な動きを追ってみましょう。

IF/ID段: 命令を読み込み、それが「AとBを足す」命令だと解読されます。
ID段: レジスタからデータAとデータBを読み出します。
EX段（実行）:
- ALUにデータAとデータBが渡されます。
- ALUは「加算」の制御信号を受け取り、A + Bの計算を瞬間的に実行します。
- 計算結果（Cの値）が生成され、次の段に渡されます。

このように、EX段は単に計算を行うだけでなく、他の段から受け取った情報を処理し、次の段へ正確に結果を送り出す「中継点」としての役割も担っているのです。

2. 工場の組み立てラインとしての比喩

EX段を初心者の方に理解していただくために、パイプライン処理全体を「自動車の組み立てライン」に例えてみましょう。

IF（命令フェッチ）: 部品リスト（命令）を倉庫から取り出す作業員。
ID（命令デコード）: どの部品をどう組み合わせるか（何を計算するか）を設計図で確認し、必要な工具（オペランド）を準備する作業員。
EX（実行）: 実際に工具を使って部品を組み立て、溶接し、エンジンを組み上げる「現場の職人」です。彼らが手を動かさなければ、車は完成しません。EX段は、まさにこの「手を動かす」役割を担っています。
MEM（メモリアクセス）: 組み立て途中の車に必要な追加部品を倉庫（メモリ）に取りに行く、あるいは完成した部品を一時保管する作業員。
WB（ライトバック）: 完成した車を最終検査場（レジスタ）に運び入れる作業員。

EX段の職人（ALU）が一人しかいなければ、一度に一台の車しか組み立てられません。しかし、スーパースケーラ技術のようにEX段の職人を複数配置すれば、同時に複数の作業を進めることができ、生産効率が飛躍的に向上します。この比喩を通じて、EX段が全体の生産性（CPU性能）に直結していることがよくわかると思います。

資格試験向けチェックポイント

CPUの仕組み（パイプライン処理）は、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験で頻出のテーマです。EX段に関する知識は、パイプラインハザードや性能計算の基礎となるため、特に重要です。

最重要キーワード: EX段は、ALU（算術論理演算ユニット）を用いて、命令の実行（演算処理）を行う段階であると暗記してください。
- 出題パターン: 「命令の実際の算術論理演算が実施されるパイプライン段はどれか？」
機能の区別: EX段の機能と、他の段の機能を明確に区別することが求められます。
- IF：命令の読み出し（フェッチ）。
- ID：命令の解釈（デコード）とオペランド（データ）の読み出し。
- EX：実際の計算（演算、アドレス計算）。
- MEM：メモリへのアクセス（ロード/ストア）。
- WB：結果の書き込み（ライトバック）。
アドレス計算: ロード命令やストア命令において、実効アドレスを計算するのもEX段の重要な役割です。単純な演算だけでなく、アドレス計算もEX段の仕事であることを覚えておきましょう。
- 応用パターン: パイプラインストール（停止）が発生する原因として、データハザードがEX段で頻繁に発生することが問われることがあります。フォワーディング技術との関連も押さえておくと万全です。
ITパスポート対策: ITパスポート試験では、パイプライン処理の概念図が出題されることがあります。EX段が「実行」を意味し、処理の中核であることを理解していれば対応可能です。