Rubyで作る論理回路シミュレータ - Shinjuku.rb #99

Transcript

1. Rubyで作る論理回路シミュレータ CPUを理解したくて内部DSLを創った話 2025.5.28 Shinjuku.rb #99 KaigiEffect成果発表LT！ Koji NAKAMURA (@kozy4324)
2. RubyKaigi 2025 行けてません！ (お詫び)
7. 東京Ruby会議12 から Effect してる枠として 本日は発表します！！
8. Koji NAKAMURA • 𝕏: @kozy4324 • GitHub:@kozy4324 • Classi株式会社所属 • Kashiwa.rb主催 自己紹介
9. 成果物デモ
11. KaigiEffect により作ったもの: logicuit • logi(c cir)cuit -> logicuit • 電気回路シミュレータ • 書籍「CPUの創りかた」を理解したくて作った • https://www.amazon.co.jp/dp/4839909865/
12. どういうモチベーションで作った？ • 「CPUという、プログラミングと現実世界をつなぐ装置の仕組 みを理解したい」というモチベーションがあった • 論理回路から作った演算装置と記憶を担当するフリップ・フ ロップを組み合わせて、クロック信号のたびに転送命令を繰り 返すことで CPU が実現できるらしい
13. どういうモチベーションで作った？ • 「CPUという、プログラミングと現実世界をつなぐ装置の仕組 みを理解したい」というモチベーションがあった • 論理回路から作った演算装置と記憶を担当するフリップ・フ ロップを組み合わせて、クロック信号のたびに転送命令を繰り 返すことで CPU が実現できるらしい
14. CPUは転送命令
15. ホンマか？🤔
16. Rubyでやってみよう💡
17. その前にまず論理回路とは？ A B Y AND A Y NOT and more…
18. 演算装置: 半加算器
19. 演算装置: データセレクタ
20. Dフリップフロップとクロック • 入力 D の値をクロック立ち上がり時に Q 出 力に保持する • 1ビットの状態を記憶可能 • つまり CPU の「レジスタ」になる CK
21. 1-bit CPU CK D Q • A レジスタの内容を反転して A レジスタに転送 • NOT A を繰り返すだけ • ↑ アセンブリ言語
22. 転送命令と アセンブリ言語
23. MOV A, Im : A レジスタに Im を転送 イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
24. MOV A, B : A レジスタに B レジスタを転送 イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
25. ADD B, Im : B レジスタに Im を加算 イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
26. IN A : 入力ポートから A レジスタへ転送 イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
27. OUT Im : 出力ポートへ Im を転送 イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
28. JMP Im : Im 番地へジャンプ イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3
29. JNC Im : C フラグが1ではないときにジャンプ イミディエイトデータ 0000 入力ポート 出力ポート データセレクタ Aレジスタ Bレジスタ 出力ポート プログラムカウンタ SELECT A SELECT B A B C3 C2 C1 C0 ALU LD0 LD1 LD2 LD3 ※CフラグはALUで桁上がりが発生したら 1 がセットされる
30. 転送命令 = アセンブリ言語 • 少なくとも書籍で説明される範囲内ではそう解釈できる • 条件付きジャンプ命令 (JNC: Junp If Not Carry) があるので 分岐と繰り返しができる！
31. CPU完全に理解した
32. サンプルプログラム: ラーメンタイマー
33. Rubyで書いていく✏
34. 内部DSLの機運 • いい感じに部品を宣言的に定義したい • 部品を繋ぎ合わせてより複雑な部品を作りたい
35. 内部DSL作りました！
36. 内部DSLで論理回路
37. 内部DSLでデータセレクタ
38. 内部DSLで半加算器
39. 内部DSLでDフリップフロップ
40. 内部DSLで 1-bit CPU
41. こう！
42. こう！こう！
43. こう！こう！こう！
45. まとめ • 本当に CPU が動きました！ • CPUと内部DSLに興味がわいたら logicuit を試してね • 内部 DSL を設計して実装するの勉強になる＆楽しい • 何かを理解したくて Ruby でイチから実装はオススメ • Let’s KaigiEffect !!!