CPUの仕組み超ビジュアライザ - クロック、レジスタ、FF、ALU、MOV命令の動作をWebアニメーションで完全解説

システム制御

CLK: LOW

実行速度 (クロック周波数) 1 Hz

現在のCPUフェーズ

FETCH STEP: 0

PCアドレス送信

プログラムカウンタ(PC)が示す番地「0」を、アドレスバスを通じてメモリ(RAM)に送信します。

メモリ空間 (RAM - 16 Bytes)

アドレスバス

データバス

制御信号

※各コンポーネントをクリックして詳細な解説へ

各コンポーネントの役割と現在の状態

図の中の回路ブロックをクリックすると、CPU内での具体的な働きや、情報が流れる仕組みの詳しい解説が表示されます。

1bit D-フリップフロップ (記憶回路)

CPUの中にあるレジスタ（A、BやPC）は、すべてこのフリップフロップ (Flip-Flop) という電子回路が多数並んだものです。

フリップフロップは「1ビット（0または1）」の情報を電気的に閉じ込め、電源が通っている限り半永久的に記憶し続けます。

重要な3つの端子：

入力D (Data)： 次に保存したい値 (0 または 1)
クロックCLK (Clock)： 保存を実行するトリガー。信号が0から1に立ち上がる瞬間 (↑エッジ) にだけ、Dの値を内部に取り込みます。
出力Q (Output)： 現在記憶している値

💡 CPU内でのデータの「移動と保存」

データバス上にデータ（D）が流れてきても、クロック信号（CLK）とデコーダからの「書込許可（W）」が合わさった瞬間以外は、レジスタは値を取りこぼさず安全に「今の値を維持」し続けます。

マスタースレーブ型Dフリップフロップ信号シミュレーション

※入力をクリックしてシグナル変化を確認してください

ステップ1：Dに入力上の「入力D (0)」をクリックして、保存したいビット（1 または 0）を選択します。この時点ではまだ出力Qは変わりません。

ステップ2：CLKをクリック「CLK ↑」ボタンを押すと、時計の針が進むように、クロックが一瞬立ち上がります。その瞬間、後段のQがDの値に切り替わります。

理解のポイントクロックCLKが変化した「瞬間」だけ前段から後段へデータが抜けていくため、Dがその後いくら変化しても、次のCLKが来るまで値は保存され続けます。

レジスタ間MOV（データ転送）のハードウェア体験室

アセンブリ言語や機械語の MOV A, B（レジスタBの値をレジスタAにコピー）を実行するとき、ハードウェア内部では「レジスタBのフリップフロップの出力(Q)」が「レジスタAのフリップフロップの入力(D)」へ電気的に接続されます。下のデモ回路で、接続スイッチ（転送デコーダゲート）を入れてクロック信号を送ってみましょう。

Register B (Source)

転送元フリップフロップ (FF-B)

0

出力端子 Q = 0

MOV A, B 制御スイッチ

Register A (Destination)

転送先フリップフロップ (FF-A)

0

入力端子 D = ハイインピーダンス (未接続)

記憶出力 Q = 0

💡 機械語MOVを体験する3つの手順:

「レジスタB (FF-B)」の値をボタンで「1」にする。（出力Qが1に変化）
「接続スイッチを閉じる (ON)」を押す。デコーダが作動して配線（パス）が通り、レジスタAの入力Dに「1」の電圧が伝わりはじめます。
「CLK ↑ (クロック信号送信)」を押す。電気の「立ち上がりエッジ」の瞬間だけFF-Aが入力Dの値を受け入れ、レジスタAに「1」が完全に保存（コピー）されます。

ALU 演算回路（加算・減算）

CPUのもう一つの要がALU (Arithmetic Logic Unit: 算術論理演算装置)です。

コンピュータはすべての情報を「0」と「1」で表すため、計算も「2進数の足し算」で行います。

全加算器 (Full Adder)：

1桁の2進数AとBに加え、下の桁からの繰り上がり（Carry In）も合わせて足し算できる回路です。これを8つ繋げれば8ビットの加算回路になります。

引き算はどうやるの？（2の補数）：

実はCPUには「引き算専用の回路」は通常ありません。代わりに、引く数を「負の数（2の補数）」に変換して足し算をすることで引き算を実現しています。

2の補数の作り方ステップ：

引く数を2進数にする（例: 3 ➔ 00000011）
すべてのビットを反転（NOT）➔ 11111100
そこに 1 を足す ➔ 11111101
これを足すと元の数から3を引いたのと同じ結果になります！

1bit 全加算器 (Full Adder) 論理シミュレーション

※A, B, CinをクリックしてON/OFFを切り替えてください

インタラクティブ「2の補数」コンバータ (減算器の仕組み)

引く数 (10進数):

1. 元の2進数

0000 0101

➔

2. ビット反転

1111 1010

+ 1 ➔

3. 負数 (2の補数)

1111 1011

※補足： 例えば A - 5 を行いたい場合、CPUは内部で A + (11111011)₂ を実行します。最上位からの溢れたキャリーを捨てることで、正しい減算結果が得られます。