マイクロプログラム制御方式のCPUを自作した話

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1. マイクロプログラム制御方式 のCPUを自作した話 Kenta Arai 2024/06/02 ぬるぽ 1
2. 自己紹介 • 名前：Kenta Arai • Twitter: @isKenta14 • Qiita: Kenta11 • 仕事：組込みソフトウェア開発 • 趣味で作ったもの • micro-alpha ☜今日はこれの話です • 簡素なマイクロプログラム制御方式CPU • Xilinx FPGA 上で実際に動かせました • simple_uart：UART の SystemVerilog 実装 • elixir_shogi：投了だけできる Elixir 製将棋エンジン 2024/06/02 ぬるぽ 2
3. 背景 • マイクロプログラム制御方式：計算機の制御装置を構成する方式の 一つ • 特徴：制御装置が簡素、ISAの変更が容易等 • 結線論理方式と対比される • 黎明期の計算機でよく使われていた • KT-Pilot（1961年、京都大学、東芝） • MELCOM 1530（1963年、三菱電機） • 自作CPUで採用されることは少ない（気がする） • 自作してマイクロプログラム制御方式について理解を深めたい 2024/06/02 ぬるぽ 3
4. 目的 • マイクロプログラム制御方式で自作CPUをする 2024/06/02 ぬるぽ 4
5. CISC と RISC [1] • 典型的な定義 • CISC (Complex Instruction Set Computer) • 命令の種類：多い • 制御部の構成：マイクロプログラム制御方式 • RISC (Reduced Instruction Set Computer) • 命令の種類：少ない • 制御部の構成：結線論理方式 • 旧来の命令セットが複雑化した（CISC）反省から 命令セットを単純化することで、パイプライン処理を高速化（RISC） 2024/06/02 ぬるぽ 5 [1] 馬場敬信：コンピュータアーキテクチャ改訂４版, オーム社, p. 8, 66, 2019
6. マイクロプログラム制御方式 2024/06/02 ぬるぽ 6 0000 制御記憶 アドレス レジスタ CPU 主記憶装置 制御記憶 制御記憶アドレス マイクロオーダ 0000 制御記憶 データ レジスタ 汎用レジスタ 0000 0000 0000 0000 算術論理演算装置 IO装置 プログラム カウンタ 0000 命令レジスタ 0000 被制御部 デコーダ 命令フェッチ XXX0 XXX1 XXX2 ロード命令 XXX3 XXX4 ストア命令 XXX5 XXX6 加算命令 XXX7 制御部
7. MICRO-1[2] • 簡素なマイクロプログラム制御方式のモデル • 制御部 • 制御記憶：1語40ビット、最大4K語の容量 • アドレス長：12ビット • 被制御部 • 主記憶：1語16ビット、最大64K語の容量 • 汎用レジスタ：16ビット×8 • フラグ：ZER, NEG, CRY, OV等 2024/06/02 ぬるぽ 7 [2] 馬場敬信：ソフトウェア講座（２３）マイクロプログラミング, 昭晃堂, pp. 31-107, 1985 図：書籍の表紙
8. MICRO-1を実装 • 開発環境等 • 言語：SystemVerilog • シミュレータ：ModelSim • テストフレームワーク：VUnit • 実践FPGAテスト自動化が とても役に立ちました 2024/06/02 ぬるぽ 8 図：テストの様子 ソ ー ス コ ー ド を コ ン パ イ ル テ ス ト 結 果 が レ ポ ー ト さ れ る
9. アセンブラとマイクロアセンブラも自作 • Windows版しかなかったので、Linux版を自作しました • Rust 実装なので、cargo コマンドでインストールできます • cargo install rm1asm; cargo install rm1masm 2024/06/02 ぬるぽ 9
10. Xilinx FPGA 上に実装 • Arty A7-100 と Basys 3 で動作検証 • 逆ポーランド電卓が動いた！ 2024/06/02 ぬるぽ 10
11. 結果 • マイクロプログラム制御方式で自作CPUができた • MICRO-1 を基に簡素な CISC プロセッサを実装 • ついでにアセンブラとマイクロアセンブラも自作 • FPGA 上で逆ポーランド電卓を動作させることに成功 2024/06/02 ぬるぽ 11
12. 考察っぽいなにか • マイクロプログラム制御方式 • 前評判通り、制御装置は簡素かも • オープンな設計が無さそうなので、本格的なものを作るとなると大変だろう • アセンブラとマイクロアセンブラを両方作るのが面倒 • MICRO-1 • 関数呼び出しで飛べるアドレス範囲が狭すぎる • 現在アドレス+8ビット2の補数表現、までしか飛べません • これに気が付かず大きなプログラムを書いたときに、大変な思いをしました • スタックが狭すぎる（0x0040-0x013F） • これに気が付かず（以下略） • 1人で作るにはちょうどいい規模の計算機かも 2024/06/02 ぬるぽ 12
13. 成果 • ブログ • https://kenta11.github.io/posts/2022-09-23-micro1/ • https://kenta11.github.io/posts/2023-03-18-micro-alpha/ • リポジトリ • https://github.com/Kenta11/micro-alpha • https://github.com/Kenta11/rm1asm • https://github.com/Kenta11/rm1masm 2024/06/02 ぬるぽ 13