ワード（コンピュータアーキテクチャ）

コンピューティングにおいて、ワードとは、プロセッサの命令セットまたはハードウェアによってデータの自然な単位または歴史的な単位として扱われる、固定サイズのデータ​​のことです。ワードに含まれるビット数または桁数^{[ a ]} （ワードサイズ、ワード幅、またはワード長）は、特定のプロセッサ設計またはコンピュータアーキテクチャの重要な特性です。

ワードのサイズは、コンピュータの構造や動作の多くの側面に反映されています。プロセッサ内のレジスタの大部分は通常ワードサイズであり、多くの（すべてではない）アーキテクチャでは、1回の操作でワーキングメモリとの間で転送できる最大のデータはワードです。メモリ内の位置を指定するために使用されるアドレスの最大サイズは、通常ハードウェアワードです（ここでいう「ハードウェアワード」とは、他の定義とは異なり、プロセッサのフルサイズの自然ワードを意味します）。

初期のコンピュータのいくつか（および現代のコンピュータのいくつか）は、通常のバイナリではなくバイナリコード化10進数を使用しており、通常は10または12桁のワードサイズを持ち、初期の10進数コンピュータの中には固定ワード長がまったくないものもありました。初期のバイナリシステムでは、6ビットの倍数のワード長を使用する傾向があり、36ビットワードはメインフレームコンピュータで特に一般的でした。ASCIIの導入により、8ビットの倍数のワード長を持つシステムへの移行が進み、1970年代には16ビットマシンが人気を博し、その後、32ビットまたは64ビットの現代のプロセッサに移行しました。^{[ 1 ]}デジタル信号プロセッサなどの特殊用途設計では、4～80ビットの任意のワード長を持つことができます。^{[ 1 ]}

ワードサイズは、以前のコンピュータとの後方互換性のために、想定と異なる場合があります。複数の互換性のあるバリエーションやプロセッサフ​​ァミリーが共通のアーキテクチャと命令セットを共有しながらワードサイズが異なる場合、その違いに対応するためにドキュメントやソフトウェアの表記が複雑になることがあります（下記の「サイズファミリー」を参照）。

コンピュータの構成方法によっては、ワードサイズの単位が以下の用途に使用される場合があります。

固定小数点数

固定小数点（通常は整数）の数値を格納するためのホルダーは、 1種類または複数種類のサイズで用意されるが、そのうちの1つはほぼ必ずワードサイズとなる。その他のサイズは、もしあれば、ワードサイズの倍数または分数となることが多い。小さいサイズは通常、メモリを効率的に使用するためだけに用いられる。プロセッサにロードされる際には、これらの値は通常、少なくともワードサイズの大きなホルダーに格納される。

浮動小数点数

浮動小数点数値を格納する変数は、通常、1つのワード、またはワードの倍数のいずれかです。

住所

メモリ アドレスを保持するサイズは、必要な値の範囲を表現できる大きさでなければなりませんが、過度に大きくてはなりません。そのため、多くの場合、ワードサイズが使用されますが、ワードサイズの倍数または分数を使用することもできます。

レジスタ

プロセッサレジスタは、整数、浮動小数点数、アドレスなど、格納するデータの種類に応じて適切なサイズで設計されています。多くのコンピュータアーキテクチャでは、複数の表現形式でデータを格納できる汎用レジスタが使用されています。

メモリとプロセッサ間の転送

プロセッサがメモリサブシステムからレジスタに読み出すとき、またはレジスタの値をメモリに書き込むとき、転送されるデータ量は多くの場合ワードです。歴史的に、1サイクルで転送できるこのビット量は、一部の環境（ Bull Gamma 60など）ではカテナとも呼ばれていました。^{[ 2 ] [ 3 ]}単純なメモリサブシステムでは、ワードはメモリデータバスを介して転送されます。メモリデータバスの幅は通常、ワードまたはハーフワードです。キャッシュを使用するメモリサブシステムでは、ワードサイズの転送はプロセッサとキャッシュの第1レベル間の転送です。メモリ階層の下位レベルでは、通常、より大きな転送（ワードサイズの倍数）が使用されます。

アドレス解決の単位

特定のアーキテクチャでは、連続するアドレス値はほぼ常に連続^{するメモリ単位を指定します。}この単位がアドレス解決の単位です。ほとんどのコンピュータでは、この単位は文字（例えばバイト）またはワードです。（ビット解決を使用するコンピュータも少数存在します。）単位がワードの場合、特定のサイズのアドレスを使用してより大きなメモリにアクセスできますが、個々の文字にアクセスするための複雑さが増します。一方、単位がバイトの場合、個々の文字をアドレス指定（つまり、メモリ操作中に選択）できます。

説明書

マシン命令のサイズは通常、 RISCアーキテクチャのようにアーキテクチャのワードサイズまたはその分数、あるいは「char」サイズの倍数で、その分数となる。これは、命令とデータが通常同じメモリサブシステムを共有するため、自然な選択である。ハーバードアーキテクチャでは、命令とデータは異なるメモリに格納されるため、命令とデータのワードサイズは関連している必要はない。例えば、1ESS電子電話交換機のプロセッサは、 37ビットの命令と23ビットのデータワードを持つ。

コンピュータアーキテクチャを設計する際、ワードサイズの選択は非常に重要です。特定の用途（例えばアドレス指定）に対して特定のビットグループサイズを推奨する設計上の考慮事項があり、これらの考慮事項は用途ごとに異なるサイズを示唆します。しかし、設計における経済性を考慮すると、単一のサイズ、あるいは基本サイズを基準とした倍数または分数（部分倍数）で関連付けられたごく少数のサイズに絞り込むことが強く推奨されます。この推奨サイズが、アーキテクチャのワードサイズとなります。

文字サイズは、過去（可変長文字エンコーディング以前）には、アドレス解決単位とワードサイズの選択に影響を与える要素の一つでした。1960年代半ば以前は、文字は6ビットで格納されることがほとんどでした。そのため、使用できる文字数は最大64文字で、アルファベットは大文字のみに制限されていました。ワードサイズを文字サイズの倍数にすると時間と空間の効率が良くなるため、この時期のワードサイズは通常6ビットの倍数でした（バイナリマシンの場合）。当時よく使われていたのは36ビットワードで、これは浮動小数点形式の数値特性にも適したサイズでした。

8ビット文字を使用し、小文字をサポートするIBM System/360の設計が導入されて以来、文字（より正確にはバイト）の標準サイズは8ビットとなった。それ以降のワードサイズは当然8ビットの倍数となり、16ビット、32ビット、64ビットが一般的に使用されるようになった。

コンピュータ設計が複雑化するにつれ、アーキテクチャにおける単一のワードサイズの重要性は低下してきた。高性能なハードウェアはより多様なサイズのデータ​​を扱えるようになるものの、市場の圧力によってプロセッサの能力を拡張しつつ、後方互換性を維持する必要性が生じている。そのため、新規設計では中心的なワードサイズとなるはずだったものが、後方互換性のある設計においては、元のワードサイズに代わる代替サイズとして共存する必要が生じる。元のワードサイズは将来の設計でも引き続き使用可能であり、サイズファミリーの基礎となる。

1970年代半ば、DECは16ビットのPDP-11の後継機として32ビットのVAXを設計しました。16ビットの量をワード、32ビットの量をロングワードと呼びました。この用語はPDP-11で使用されていた用語と同じです。これは、メモリのアドレス指定の自然な単位がワードと呼ばれ、ワードの半分の量がハーフワードと呼ばれていた以前のマシンとは対照的です。この方式に合わせると、VAXのクワッドワードは64ビットです。彼らは64ビットのAlphaでもこの16ビットワード/32ビットロングワード/64ビットクワッドワードの用語を継続しました。

もう1つの例はx86ファミリーです。このファミリーでは、3種類の異なるワード長（16ビット、後に32ビット、64ビット）のプロセッサがリリースされていますが、ワードは引き続き16ビットの値を表します。ソフトウェアは日常的にあるワード長から次のワード長に移植されるため、一部のAPIやドキュメントでは、ソフトウェアがコンパイルされるCPU上の完全なワード長よりも古い（したがって短い）ワード長を定義または参照しています。また、多くのプログラムで小さな数値にバイトが使用されるのと同様に、より広いワードの範囲が必要ないコンテキストでは、より短いワード（16ビットまたは32ビット）が使用されることがあります（特に、これによりスタック領域やキャッシュメモリ領域を大幅に節約できる場合）。たとえば、MicrosoftのWindows APIは、標準ワードサイズがそれぞれ32ビットまたは64ビットである32ビットまたは64ビットのx86プロセッサでAPIが使用される可能性があるにもかかわらず、 WORDのプログラミング言語定義を16ビットに維持しています。このような異なるサイズのワードを含むデータ構造は、次のように参照されます。

• ワード（16ビット/2バイト）
• DWORD（32ビット/4バイト）
• QWORD（64ビット/8バイト）

Intelのx86アセンブリ言語でも同様の現象が見られます。命令セットがさまざまなサイズ（および下位互換性）をサポートしているため、一部の命令ニーモニックには「d」または「q」という識別子が付いており、これはアーキテクチャの元の16ビットワードサイズに基づいて「double-」、「quad-」、「double-quad-」を表しています。

ワードサイズが異なる例として、IBM System/360ファミリーが挙げられます。System /360 アーキテクチャ、System/370 アーキテクチャ、System/390アーキテクチャでは、8 ビット バイト、16 ビット ハーフワード、32 ビット ワード、64 ビット ダブルワードが使用されています。このアーキテクチャファミリーの64ビットメンバーであるz/Architectureでは、引き続き 16 ビットハーフワード、32 ビットワード、64 ビットダブルワードが使用され、さらに 128 ビットクワッドワードも使用できます。

一般的に、新しいプロセッサは、古いプロセッサとのバイナリ互換性を確保するために、古いプロセッサと同じデータワード長と仮想アドレス幅を使用する必要がある。

ソースコードの互換性とソフトウェアの移植性を念頭に置いて丁寧に書かれたソースコードは、データワード長やアドレス幅が異なる、あるいはその両方が異なるプロセッサであっても、さまざまなプロセッサ上で動作するように再コンパイルできる場合が多い。

• 音節– 一部の旧型デジタルハードウェアで使用されていたプラットフォーム固有のデータサイズ