第1章　レジスタとは ― CPUの手元の作業台

1.1 そもそも「途中の値の置き場」が、なぜ要るのか

読み物で見たとおり、CPUは「計算する部品」でした。たとえば「3 と 5 を足して、その答えに 2 をかける」。手計算でやるなら、まず 3+5＝8 を出し、その 8 をいったん覚えておいて、次に 8×2 を計算して 16 を出します。この「いったん覚えておく」場所がなければ、足し算の答えをかけ算に渡せず、計算は一歩も進みません。

CPUもまったく同じです。計算の途中の値を、ほんの一瞬、すぐ手の届くところに置いておく場所が要ります。その置き場がレジスタです。

1.2 置き場のレジスタ ― 厨房の「作業台の桝」

レジスタを厨房でたとえるなら、コックの手元にある 作業台の桝（ます）です。計算中の値を、遠い倉庫まで行かずに、ちょいと手元の桝に置いておく。すぐ取り出せて、すぐ書きかえられる――これがレジスタの役どころです。この章は、その作業台を、ていねいに分解していきます。

1.3 【核心】混同しやすい3つの数を、分けて理解する

ここが、いちばん大事で、いちばん混同しやすいところです。レジスタの話には「32」が二度出てきて、しかも別物です。あわてず、3つの層に分けます。

• 作業台は、1つ。 厨房に作業台はひとつだけ。これがCPU全体で レジスタファイルと呼ばれるものです。
• その上に、桝が32個。 作業台は仕切られていて、桝が32個ならんでいます。この桝ひとつが レジスタ。桝には名前があって、x0, x1, …, x31。たとえば「x1」は「1番の桝」という名前で、0 や 1 ではありません。
• 桝1個の中は、升目が32個。 桝の中をさらにのぞくと、升目――小さなお皿のように、ひとつにつき 0 か 1 をのせる枠――が32個。この32個の並びで、ひとつの数を表します。これが「32ビット」で、升目が 0/1 なので2進法です。

まとめると――作業台1つ・桝32個・升目32。「1・32・32」は、それぞれ別の階層の数です。x1 は名前、中身は 0/1 が32個、進法は2進法。混ざりやすいので、この三つは切り分けて覚えてください。

1.4 桝の名前は「アドレス」 ― どの桝か、を指す番号

x0〜x31 という桝の名前は、じつはアドレス（番地）です。命令が「x1 と x2 を足して x3 へ」と言うとき、x1・x2・x3 は「どの桝か」を指す番号。桝は32個しかないので、番号は 0〜31 で足ります（とても小さい数です）。だから命令は、ほんの数桁で「どの桝か」を名指せます。あとで倉庫（メモリ）の番地と比べると、この「小ささ」がレジスタの速さにつながっていることが見えてきます。

ここで、少し設計者の目で見てみます。なぜ桝は32個なのか。これは綱引きの結果です。少なすぎると、値の置き場が足りず、倉庫（メモリ）への往復が増えて遅くなる。多すぎると、桝の名前（番号）を表す桁が増えて命令が太り、回路も大きくなる。32個なら、番号は5桁ぶん（5ビット）でちょうど名指せて、置き場としても足りる――この“ちょうどいい”あたりに、RISC-Vは32個と定めています。設計とは、こうした綱引きのバランスを選ぶことなのです。

1.5 x0 は、いつもゼロ ― なぜ 0 固定が得なのか

桝32個のうち、x0 だけは特別です。中身が常に 0 に固定されていて、何を書こうとしても変わらず、読むと必ず 0。一見むだに見えますが、これがあると命令がすっきりするのです。たとえば――

• コピーが作れる。 「x3 ＝ x5 ＋ x0」は、x5 に 0 を足すだけ＝ x5 の写し。専用のコピー命令を作らずに済みます。
• 捨て場になる。 いらない結果は x0 に書く。x0 は変わらないので、そのまま消えます。
• 「何もしない」も作れる。 x0 に書き込む命令＝実質なにも起きない（いわゆる NOP）。

ゼロ専用の桝が1つあるだけで、これだけ得をします。その代わり、自由に使えるのは 32個中 31個。升目のほう（桝の容量＝32ビット）は、まるごと使えます。「桝の個数は32だが、使えるのは31」「升目（ビット幅）は32まるごと」――この二つを、混ぜないのがコツです。

1.6 倉庫（メモリ）との違い ― だから命令は「載せて・計算して・戻す」になる

「値を置くだけなら、メモリ（RAM）もあるのに、なぜ別に桝が要るのか」。速さと近さが、まるで違うからです。作業台の桝は、手元にあって一瞬で取れる――けれど数は32個きり。倉庫（メモリ）は、いくらでも置けるかわりに遠くて、取りに行くと何拍も待たされる。アドレスの面でも同じで、桝は32個だから番号が短くすぐ名指せる。倉庫は棚が膨大で、番地が長く、取りに行くのも遠い。

CPUの計算は猛烈に速いので、そのつど倉庫まで往復していたら、肝心の計算する手（ALU）が手待ちになってしまう。だから、いま使う数個の値だけは、手元の桝に載せておく。ここから、計算は自然と次の三拍子になります。

• 載せる。 倉庫（メモリ）から、いま使う値を作業台（桝）に持ってくる。
• 計算する。 桝どうしの値を ALU に渡して計算し、結果をまた桝に戻す。
• 戻す。 用が済んだ値を、桝から倉庫へ片づける。

厨房でいえば、こんな具合です。 「x5 と x6 を合わせて、x7 に置く」という命令を、シチュー作りにたとえてみましょう。桝 x5 には下ごしらえした玉ねぎが、桝 x6 にはにんじんが、もう載っています（升目の 0/1 が「どの材料か・どれだけか」を書きとめています）。命令が指すとおり、コンロ（ALU）が x5 と x6 の中身を読み取って合わせ、ひと煮こみし、できあがりを行き先の桝 x7 に盛ります。このとき――

• 材料の桝は、減りません。 玉ねぎ桝（x5）とにんじん桝（x6）は、読まれるだけ。料理に使ったあとも、中身はそのまま残ります。
• 戻し先は、名指しした桝ひとつだけ。 できあがりは、命令が指した桝 x7 に盛ります。x7 に前あった中身は捨てられ、升目32個がまるごと新しい値に置きかわります。
• 読むのは2つ、書くのは1つ。 「2つの桝を合わせたから、2つに分けて戻す」のではありません。桝を2つ読んで、結果を桝1つに書く――これが計算の基本の形です。

RISC（そしてRISC-V）の命令が、この「載せる（ロード）／計算する／戻す（ストア）」に役割をくっきり分けているのは、偶然ではありません。作業台が狭いという物理の事情が、命令の形そのものを決めているのです。このリズムは、第3章の「5つの手順」で、もう一度はっきり姿を現します。