Ruby で作る RISC-V CPU エミュレーター / RISC-V CPU emulator made with Ruby

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1. Ruby で作る RISC-V CPU エミュレーター hachi 2025/05/10
2. 目次 • 大阪府交野市在住 Rubyist • 低レイヤーｴｹﾁｪﾝ ◦ 京都の?大学で電気電子工学 を修めたんだが… • Kernel/VM探検隊は初参加です • 初参加初登壇を選んだことをちょっ と後悔しています hachi (@hachiblog)
3. なんで Ruby で？ 作って意味ある？🤔
4. まあ聴いてくれ
5. 2025年3月初旬
6. 技術書典18サークル応募
7. 技術書典18サークル応募
9. 実践で学ぶ基本情報を テーマにしてみるか
10. 基本情報技術者試験の本をちょっと読む
11. 基本情報技術者試験 • 基本 • 大学の時やったなぁみたいな内容が結構出てくる ◦ データ構造 ◦ アルゴリズム ◦ ネットワーク ◦ etc • マイナスの数の表し方とかも出てくる ◦ 1の補数、２の補数 ◦ 2の補数を一般的には使っていることが多い
12. なんで２の補数がいいんだっけ
13. 作ってみればわかるか？
14. CPU作ってみるかー
15. ちなみに
16. ちなみに
17. 自分の前提知識 • 高校生ぐらいの時に書籍 「CPU の創りかた」を買って放置する • 大学２年生ぐらいの時に実験でロジックICを組み合わせてなんか作る課題 ◦ 全然記憶ない • 大学４年生ぐらいの時に実験でFPGAでなんかCPUみたいなものを作った気がす る ◦ これは結構楽しかった
18. 自分の前提知識 • 高校生ぐらいの時に書籍 「CPU の創りかた」を買って放置する • 大学２年生ぐらいの時に実験でロジックICを組み合わせてなんか作る課題 ◦ 全然記憶ない • 大学４年生ぐらいの時に実験でFPGAでなんかCPUみたいなものを作った気がす る ◦ これは結構楽しかった つまりほぼ無い
19. 早速作っていこう
20. 前提知識
21. CPUエミュレーター
22. 一般的なCPU(エミュレーター)の構成 レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ
23. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き①フェッチ レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ Program Counter 0x34202f73 0x800001a0
24. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き②デコード レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ 0x34202f73
25. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き②デコード レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ 0x34202f73 34202f73
26. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き②デコード レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ 0x34202f73 34202f73 110100001000000010111101110011
27. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き②デコード レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ 0x34202f73 4c771663 1001100011101110001011001100011 bne a4,t2,8000066c
28. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き③実行 レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ bne a4,t2,8000066c
29. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き③実行 レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ bne a4,t2,8000066c a4,t2
30. 一般的なCPU(エミュレーター)の動き③実行 レジスタ CPU デコーダ 演算器 メモリ bne a4,t2,8000066c a4,t2 8000066c Program Counter
31. RISC-V（リスクファイブ） • オープンソースの命令セットアーキテクチャ • RISC(reduced instruction set computer) というように基本の命令セット数が少な い • 現状PC の CPU としての事例はまだ少なく、マイコンや特定の用途が多い
32. RISC-V（リスクファイブ） • オープンソースの命令セットアーキテクチャ • RISC(reduced instruction set computer) というように基本の命令セット数が少な い • 現状PC の CPU としての事例はまだ少なく、マイコンや特定の用途が多い
33. RISC-V（リスクファイブ） • オープンソースの命令セットアーキテクチャ • RISC(reduced instruction set computer) というように基本の命令セット数が少な い • 現状PC の CPU としての事例はまだ少なく、マイコンや特定の用途が多い
34. 今回作るもののスコープ
35. 今回作るもののスコープ add 命令テストが pass する
36. 今回作るもののスコープ add 命令テストが pass する
37. 実装した命令 ADD ADDI LUI AUIPC 算術演算 SW ストア JAL ジャンプ &リンク SLLI シフト ORI 論理演算 ECALL 環境 CSRRS CSRRW CSRRWI CSR BEQ BNE BLT 分岐
38. 実装方針 • とりあえず基本のレジスタ、メモリ、デコーダあたりを作る • テストを実行する • 実行不可能な命令が来たら例外を吐く ◦ 実装する • テストが通る！
39. 実装方針 • とりあえず基本のレジスタ、メモリ、デコーダあたりを作る • テストを実行する • 実行不可能な命令が来たら例外を吐く ◦ 実装する • テストが通る！
40. 実装 • RISCV32CPU class を作成 • load_program method でプログラムをメモリに読み込む • execute method でプログラムを実行
41. 実装 • RISCV32CPU class を作成 • load_program method でプログラムをメモリに読み込む • execute method でプログラムを実行
42. 実装
43. 実装
44. 実装
45. 実装 これだけ！
46. 実装
47. 苦労したポイント①テスト用バイナリの作成 • riscv-tests は自分でコンパイルする必要がある ◦ Apple Silicon では結局うまくいかなかった ◦ Docker on rosetta2 も撃沈 ◦ 結局 Linux 機を引っ張り出してくるとすんなり実行できた
48. 苦労したポイント①テスト用バイナリの作成 • riscv-tests は自分でコンパイルする必要がある ◦ Apple Silicon では結局うまくいかなかった ◦ Docker on rosetta2 も撃沈 ◦ 結局 Linux 機を引っ張り出してくるとすんなり実行できた
49. 苦労したポイント②RubyのIntegerの扱い • Rubyの Integer は多倍長整数 • 一方で RISC-V で扱える数は 32bit が最大 ◦ 符号拡張 ◦ オーバーフロー
50. 苦労したポイント②RubyのIntegerの扱い • Rubyの Integer は多倍長整数 • 一方で RISC-V で扱える数は 32bit が最大 ◦ オーバーフロー ◦ 符号拡張 0b100 -> 8
51. 苦労したポイント②RubyのIntegerの扱い • Rubyの Integer は多倍長整数 • 一方で RISC-V で扱える数は 32bit が最大 ◦ オーバーフロー ◦ 符号拡張 0b100 -> 8 0b100 -> -4
52. 苦労したポイント②RubyのIntegerの扱い • Rubyの Integer は多倍長整数 • 一方で RISC-V で扱える数は 32bit が最大 ◦ オーバーフロー ◦ 符号拡張 0b100 -> 8 0b100 -> -4 2147483648 + 32768 = 2147516416
53. 苦労したポイント②RubyのIntegerの扱い • Rubyの Integer は多倍長整数 • 一方で RISC-V で扱える数は 32bit が最大 ◦ オーバーフロー ◦ 符号拡張 0b100 -> 8 0b100 -> -4 2147483648 + 32768 = 2147516416 2147483648 + 32768 = 32768
54. ということで無事実装完了 🎉
55. 良かった点 • 曲がりなりにもバイナリが読めるようになった • 簡単にとりあえず動くCPUが作れた • 慣れ親しんだ Ruby で実装できた
56. 良くなかった点 • Ruby の Integer は多倍長整数なので 32bit にわざわざ制限してやる必要がある ので面倒 • HDL ほどハードウェアに寄ってないので実際どう配線するんだ？みたいなところは わからない
57. まとめ • Ruby で riscv-tests の add 命令のテストが通る CPU エミュレーターを作った • 簡単に CPU の仕組みがまなべるよ（足りないところはたくさんあるので許して • みんなも好きな言語でやってみてね • Next Step は bootloader が動くところまで作りたい
58. なんで Ruby で？ 作って意味ある？🤔
59. なんで Ruby で？ 作って意味ある？🤔
60. なんで Ruby で？ 作って意味ある？🤔 俺にとってはある！
61. ご清聴ありがとうございました
62. 出典 • RISC-V原典 • コンピュータの構成と設計 • The RISC-V Instruction Set Manual