原始プログラムとは何か――歴史・技術・理論を深掘りする

2025年12月12日 2025年12月12日

エバープレイ編集部

はじめに：「原始プログラム」の語義と本稿の目的

「原始プログラム」という言葉は文脈によって複数の意味を持ち得ます。本稿では大きく二つの観点から「原始プログラム」を扱います。一つはコンピューティング史における“最初期のプログラム”――機械を動かすために最初に書かれたソフトウェアやブートストラップ的なコードの歴史的・技術的側面。もう一つは理論計算機科学やプログラミング言語論での“原始的な計算・操作”――プリミティブ（基本）な演算や原始再帰関数などの概念です。これらを横断的に解説して、現代のソフトウェア基盤にどう繋がっているかを深掘りします。

1) 歴史：最初のプログラムとストアドプログラムの誕生

「プログラム」を機械に与える方法は、時代とともに変遷してきました。機械式計算機の頃は人が歯車やカムを組み替える形で「手続き」を定義していました。19世紀のチャールズ・バベッジの解析機関（Analytical Engine）に関するエイダ・ラブレスの注釈（1843年）は、機械で実行されるためのアルゴリズムを記述した最古の文書の一つとしてよく引用されます。これは現代的に見ればプログラムの概念に相当します。

電子計算機時代における重要な転換点は「ストアドプログラム」理念の確立です。ジョン・フォン・ノイマンらの「EDVACに関する最初の草稿（First Draft of a Report on the EDVAC, 1945）」は、プログラムとデータを同じ記憶装置に格納する考え方を提示し、以後のコンピュータ設計の基礎となりました。

具体的な史実としては、真に「記憶装置にプログラムを格納して実行した」最初の実装例として、マンチェスター大学の「Manchester Baby（Small-Scale Experimental Machine）」が1948年6月に動作し、電子的に保存されたプログラムで計算を行ったことが確認されています。一方、ENIAC（1945稼働）は初期にはプラグボードやスイッチによる配線でプログラムを実現しており、ストアドプログラムとは設計思想が異なっていました。

2) 技術的構成要素：機械語・アセンブリ・ブートストラップ

原始プログラムを技術的に理解するには、層構造を把握することが重要です。ハードウェア上で実際に動く最も低いレベルのコードが機械語（バイナリ命令）であり、これを人間が読みやすくしたのがアセンブリ言語です。CPUはロード／ストア、加算、条件分岐、ジャンプなどの原始命令（プリミティブ命令）を持ち、これらの組み合わせで高級言語の処理が実現されます。

ブートストラップ（bootstrap）とは、電源投入からOSや高レベルソフトウェアを起動するための“最小限の初期プログラム”です。ブートローダーはROMやフラッシュメモリに格納され、CPUが取りうる最初の実行コードとして動作します。歴史的には、磁気コアや真空管を使った時代から、BIOS（PC/AT互換機）やその後継のUEFIまで、ブート手順と初期プログラムの実装が進化してきました。さらに微視的には、マイクロコードというCPU内部のさらに下層で動作する“命令分解”的な原始プログラムが存在し、複雑なISA（命令セットアーキテクチャ）を実現しています（マイクロプログラミングは Maurice Wilkesらによって提唱されました）。

3) 理論的な「原始」：プリミティブ関数と計算の基礎

計算理論の観点から「原始（primitive）」という語は、より抽象的に使われます。数学的帰納や再帰によって構成される関数群の中で、明示的な基本関数（ゼロ関数、後者関数、投影関数など）と、これらから作られる合成・再帰的操作から生成されるのが〈原始再帰関数（primitive recursive functions）〉です。ゲーデル（1931）やクレーネ（Kleene）らの業績により、計算可能性理論は整備され、チューリング（1936）のチューリング機械モデルと並んで計算可能性の数学的基盤が確立しました。

重要な点は、原始再帰関数のクラスは非常に広いものの、すべてのチューリング計算（全ての計算可能な関数）を包含するわけではないことです。μ-再帰（一般再帰）やチューリング完全性の議論は、「どの操作を原始操作として与えるか」が理論的表現力に直結することを示しています。プログラミング言語の設計でも、プリミティブな操作の選定が言語の記述力と効率に影響を与えます。

4) 原始プログラムの具体例と教育的価値

Hello, World：教育的に最も単純な「原始プログラム」例。標準出力へ文字列を出すだけだが、開発環境、コンパイラ、リンカ、ランタイムの存在を通じてソフトウェアスタック全体を理解する起点になる。
ブートローダー（段階的ブート）：マスターブートレコード（MBR）からセカンダリブートローダーへ移行する一連の小さなプログラム群は、システム起動の原始的かつ重要な実例。
マンチェスター・ベイビーの初期プログラム：真に“機械上に記憶された”命令列による実行の実例であり、ストアドプログラム概念の実証。
ミニマル言語やエソラン（Brainfuckなど）：わずかな命令セットでTuring完全性を示す例は、「限られた原始命令から複雑な計算を構成する」教育的価値が高い。

5) 現代へのインパクト：セキュリティと信頼のルート

原始プログラムは単なる歴史的遺物ではなく、現代システムの信頼性・安全性に直結しています。ブートセクションやファームウェアはシステムの“ルート・オブ・トラスト（Root of Trust）”であり、ここが改竄されるとOSやアプリケーション層のセキュリティは無意味になります。これを受けてUEFI Secure BootやTPM（Trusted Platform Module）などの技術が導入され、ブートローダーおよび初期化コードの整合性検証が行われるようになりました。

一方で、古典的な原始プログラムの脆弱性は依然として攻撃対象になります。例えばブートストラップのバッファオーバーフローやリプレース可能なファームウェア更新機構の弱点は、攻撃者が最も低いレイヤを支配するための道になります。したがって、原始的なコードの書き方、検証、サンドボックス化、署名・検証フローの設計は現代ITの大きな課題です。

6) 実務への示唆：設計・デバッグ・保守の観点から

原始プログラムの理解は、組込み開発やOS開発、ファームウェア作成、さらに性能チューニングやセキュリティ監査に直結します。具体的な実務上のポイントは次の通りです：

最小限の初期コードを小さく保ち、検証可能にする（フォーマル手法やコードレビューの導入）。
ハードウェア初期化順序と依存関係を明文化し、異常系の復旧経路を設計する。
ブートストラップ段階でのログ取りやリカバリ機構を整備し、フィールドでのトラブルシュートを容易にする。
ファームウェア更新や鍵管理の運用手順を整え、署名と検証による改竄防止を行う。

7) ケーススタディ：マンチェスターBabyとブートローダの対比

マンチェスターBabyは少数の命令と小容量の記憶装置で動作しました。そのプログラムは機械語の命令列としてメモリに置かれ、命令が順次フェッチされ実行されるという、現代的な命令フェッチ・デコード・実行の原型を示します。これに対して現代のブートローダは複数段階（第一段: ROM内の最小コード、第二段: フラッシュ上のブートセクタ、第三段: ブートローダとOSカーネル）に分かれ、多量の周辺機器初期化やファイルシステム読み込みまで担当します。両者を対比することで、「原始プログラム」が如何に抽象度と責務の観点で拡張されてきたかが見えます。

8) まとめ：原始プログラムを理解する利点

「原始プログラム」を学ぶことは、単にコンピュータ史を知るだけでなく、現代のソフトウェア基盤やセキュリティ設計、言語理論を深く理解するための近道です。低レイヤの原始命令やブートストラップの設計原理、理論的な原始演算の概念を押さえておくことで、システム全体の設計判断やトラブルシューティングが的確になります。特に組込み系、OS開発、セキュリティ分野に携わる技術者にとっては必須の知識領域と言えるでしょう。