Upgrade to Pro
— share decks privately, control downloads, hide ads and more …
Speaker Deck
Features
Speaker Deck
PRO
Sign in
Sign up for free
Search
Search
マイクロプログラム制御方式のCPUを自作した話
Search
Kenta
June 02, 2024
Technology
0
300
マイクロプログラム制御方式のCPUを自作した話
Kenta
June 02, 2024
Tweet
Share
More Decks by Kenta
See All by Kenta
Elixirで作る将棋ソフト
kenta11
0
110
失くしたリモコンを作る2
kenta11
0
87
失くしたリモコンを作る
kenta11
0
42
Other Decks in Technology
See All in Technology
全員が手を動かす組織へ - 生成AIが変えるTVerの開発現場 / everyone-codes-genai-transforms-tver-development
tohae
0
230
Backlog AI アシスタントが切り開く未来
vvatanabe
1
160
ロールが細分化された組織でSREと協働するインフラエンジニアは何をするか? / SRE Lounge #18
kossykinto
0
230
いかにして命令の入れ替わりについて心配するのをやめ、メモリモデルを愛するようになったか(改)
nullpo_head
7
2.7k
[kickflow]20250319_少人数チームでのAutify活用
otouhujej
0
140
[OCI Technical Deep Dive] OracleのAI戦略(2025年8月5日開催)
oracle4engineer
PRO
1
220
20250807_Kiroと私の反省会
riz3f7
0
250
薬屋のひとりごとにみるトラブルシューティング
tomokusaba
0
380
生成AI活用のROI、どう測る? DMM.com 開発責任者から学ぶ「AI効果検証のノウハウ」 / ROI of AI
i35_267
3
110
生成AIによるデータサイエンスの変革
taka_aki
0
3k
✨敗北解法コレクション✨〜Expertだった頃に足りなかった知識と技術〜
nanachi
1
760
Foundation Model × VisionKit で実現するローカル OCR
sansantech
PRO
1
400
Featured
See All Featured
Cheating the UX When There Is Nothing More to Optimize - PixelPioneers
stephaniewalter
283
13k
Distributed Sagas: A Protocol for Coordinating Microservices
caitiem20
333
22k
Optimising Largest Contentful Paint
csswizardry
37
3.4k
Site-Speed That Sticks
csswizardry
10
770
[Rails World 2023 - Day 1 Closing Keynote] - The Magic of Rails
eileencodes
36
2.5k
The Pragmatic Product Professional
lauravandoore
36
6.8k
Building a Scalable Design System with Sketch
lauravandoore
462
33k
Fireside Chat
paigeccino
39
3.6k
Templates, Plugins, & Blocks: Oh My! Creating the theme that thinks of everything
marktimemedia
31
2.5k
Building Applications with DynamoDB
mza
96
6.5k
Being A Developer After 40
akosma
90
590k
Thoughts on Productivity
jonyablonski
69
4.8k
Transcript
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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