Sub

2025年10月13日

Sub

英語表記: Sub

概要

Sub（サブ）とは、算術論理演算ユニット（ALU）が実行する基本的な算術演算の一つであり、「引き算」（減算）を意味しています。これは、二つの数値データを受け取り、一方の数値から他方の数値を減算し、その結果を正確に出力する役割を果たしています。コンピュータの構成要素の中でも、演算装置の中核を担うALUにとって、加算（Add）と並び、すべての複雑なデータ処理や制御の基盤となる非常に重要な機能です。

詳細解説

Subの主要な目的は、数値間の差を計算することですが、その処理がコンピュータの構成要素であるALU内部でどのように実現されているかを知ると、ALUの巧妙な設計に感心させられます。

減算の実現方法：2の補数

多くの現代のALUは、回路設計の効率化と高速化のため、減算専用の複雑な回路を持っていません。代わりに、既存の「加算回路」を流用して減算を実現しています。この技術的な鍵となるのが、「2の補数（Two’s Complement）」表現です。

問題の定義: 例えば、「AからBを引く (A – B)」という減算命令がALUに送られたとします。
補数への変換: ALUは、引く数であるBを、まず「2の補数」に変換します。2の補数とは、負の数を表現するための標準的な方法であり、簡単に言えば、その数を加算すれば減算と同じ結果が得られるように調整された「逆さまの数」です。
加算の実行: 変換されたB（-Bに相当）を、元のAに加算します（A + (-B)）。

この手法により、ALUは複雑な減算ロジックを必要とせず、加算回路を最大限に活用できるのです。これは、コンピュータの構成要素を設計する上で、いかに効率性（少ない回路で多くの機能を果たすこと）が重視されているかを示す典型的な例です。算術論理演算ユニット（ALU）は、このSubの処理を通じて、データの大小比較や、プログラムのループ制御など、多様な場面で必要とされる差分計算を担っています。

制御とステータス

Subの演算が完了した後、ALUは単に結果を出すだけではありません。演算結果の状態を示す重要な情報（ステータスフラグ）を状態レジスタ（ステータスレジスタ）に記録します。

ゼロフラグ (Zero Flag): 減算の結果がゼロ（0）になった場合にセットされます。これは、二つの数値が等しいかどうかを判断する際に使用され、プログラムの条件分岐に不可欠です。
キャリーフラグ/ボローフラグ (Carry/Borrow Flag): 減算処理において、桁借り（ボロー）が発生した場合にセットされます。多倍長演算（レジスタのビット幅を超える大きな数の計算）を行う際に、次の演算に桁借りの情報を引き継ぐために使われます。
オーバーフローフラグ (Overflow Flag): 減算の結果が、レジスタで表現できる範囲（ビット幅）を超えてしまった場合にセットされます。

これらのフラグは、演算装置の制御ユニットが次にどのような命令を実行すべきかを判断するための重要な入力情報となるため、Subの機能は単なる計算に留まらず、プログラム全体の流れを制御する上で非常に大きな役割を果たしているのです。

具体例・活用シーン

Subは、一見すると地味な機能かもしれませんが、コンピュータ内部のあらゆる場所で活用されています。

プログラミングにおけるカウンタの減算
- プログラムで特定の処理を繰り返す「ループ処理」において、回数をカウントダウンする際にSubが使用されます（例: i-- や DEC 命令）。例えば、10回処理を繰り返す場合、カウンタを10からスタートさせ、処理が完了するたびにALUがSubを実行し、カウンタを1ずつ減らしていきます。
メモリ管理とアドレス計算
- プログラムがメモリ上の特定のデータにアクセスする際、基準となるアドレスから目的のデータまでのオフセット（距離）を減算したり、配列の要素間の差を計算したりする際にSubが利用されます。これは、コンピュータの構成要素であるメモリと連携して動作する、非常に低レベルかつ重要な処理です。
金融・在庫管理システムでの差額計算
- 銀行口座の残高や在庫の数量など、実際の業務アプリケーションでは、差額や変動を計算するためにSubが頻繁に使われます。例えば、「売上から経費を引く」「現在の在庫数から出荷数を引く」といった基本的な計算は、すべてALUのSub機能によって支えられています。

アナロジー：魔法の計算機工場

ALU内でのSubの処理を、初心者の方にも分かりやすいように、少し物語風に説明してみましょう。

あなたは「算術論理演算ユニット（ALU）」という巨大な計算機工場のオーナーだと想像してください。この工場には、世界一速くて正確な「加算ロボット」がいます。しかし、減算（引き算）の注文が来ても、専用の「減算ロボット」は雇っていません。なぜなら、減算ロボットは高価で場所を取るからです。

そこで、あなたは賢いルールを導入しました。

「もし顧客が『10 – 3』を注文したら、まず『3』を『2の補数変換ブース』に通せ！」

この魔法のブースを通ると、「3」は「-3」として扱える特別な形に変換されます。そして、この変換された数と元の「10」を、優秀な「加算ロボット」に渡します。加算ロボットは何も考えずに「10 + (-3)」を実行し、結果の「7」を出力します。

この工場では、減算（Sub）の注文が入っても、実際には加算ロボットが動いているのです。Subは、この「変換ブース（2の補数ロジック）」と「加算ロボット（加算回路）」の連携によって実現される、非常に効率的で巧妙な裏技なのです。この工夫こそが、演算装置の高性能を支えています。

資格試験向けチェックポイント

IT Passport、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験といった各種IT資格試験では、ALUの基本的な機能、特にSubがどのように実現されているかに関する知識が問われます。

ALUの基本機能の理解
- Sub（減算）は、Add（加算）、AND/OR/NOT（論理演算）と並び、算術論理演算ユニット（ALU）が持つ必須機能であることを理解しておきましょう。特に、ALUがコンピュータの構成要素の「演算装置」の中核であることを押さえてください。
2の補数による減算の実現
- 減算が「加算回路と2の補数表現」を利用して実現されている点は、頻出の知識です。「なぜ専用の減算回路が不要なのか？」という問いに対し、コスト効率と回路のシンプル化のため、と答えられるように準備が必要です。
フラグ（状態レジスタ）の役割
- Subの実行後にセットされるフラグ（ゼロフラグ、キャリーフラグ、オーバーフローフラグ）が、プログラムの制御（条件分岐やエラー検出）にどのように使われるかを理解しておくことが重要です。特にゼロフラグは、二つの値の等価性チェック（A = B）に減算結果が利用されることを示しています。
固定小数点と浮動小数点
- 基本情報技術者試験以上では、Subが主に固定小数点数（整数）の演算に使われることが多いこと、そして浮動小数点数（実数）の演算にはFPU（浮動小数点演算ユニット）が関与する場合があるという、演算装置内の役割分担を理解しておくと役立ちます。