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
簡単な4bitCPUの作成
Search
Sponsored
·
Ship Features Fearlessly
Turn features on and off without deploys. Used by thousands of Ruby developers.
→
mikiken
December 12, 2023
Programming
1.5k
0
Share
Embed
Copy iframe code
Copy JS code
Copy link
Start on current slide
簡単な4bitCPUの作成
mikiken
December 12, 2023
More Decks by mikiken
See All by mikiken
ライフゲームの製作
mikiken
0
260
Webブラウザでページが表示されるまで
mikiken
0
85
Cコンパイラ自作はじめてみた
mikiken
0
270
seccamp2022 成果発表
mikiken
0
52
Other Decks in Programming
See All in Programming
ITヒヤリハットを整理してみた ~ライフサイクルと原因から考える再発防止策~
koukimiura
1
130
PHP Application における Kubernetes 内 gRPC 通信
ganchiku
0
580
生成AIで帳票OCRが「簡単に」作れる時代になった?
kon_shou
0
290
改善しないと、タスクが回らない。 “てんこ盛りポジション” を引き継いだ情シスの、入社3ヶ月の業務改善録
krm963
0
240
5分で問診!Composer セキュリティ健康診断
codmoninc
0
800
Google Apps Script で Ruby を動かす
kawahara
0
130
言葉の格闘技のススメ~紙とペンと言葉から始める、キャリアの描き方~
progresscicada
1
110
音楽のための関数型プログラミング言語mimiumにおける多段階計算の活用
tomoyanonymous
1
380
Claude Opus 4.6以後の受託開発エンジニアの変化(Claude Code開発ノウハウ大公開スペシャルbyクラスメソッド)
iidatakuma
1
930
ビデオ通話が繋がる0.2秒で何が起きているのか
supurazako
2
170
Laravel Boostに学ぶ、AIにPHPを書かせる技術 〜OSSの実装から蒸留するエージェント制御の王道〜
kentaroutakeda
3
630
そこに3びきプロダクトがいるじゃろう——生成AI時代における“価値が届かない理由”の構造
kosuket
0
390
Featured
See All Featured
Why Our Code Smells
bkeepers
PRO
340
58k
The SEO Collaboration Effect
kristinabergwall1
1
510
Visualization
eitanlees
152
17k
A better future with KSS
kneath
240
18k
Learning to Love Humans: Emotional Interface Design
aarron
275
41k
The Success of Rails: Ensuring Growth for the Next 100 Years
eileencodes
47
8.2k
Scaling GitHub
holman
464
140k
Bootstrapping a Software Product
garrettdimon
PRO
307
120k
Joys of Absence: A Defence of Solitary Play
codingconduct
1
420
Raft: Consensus for Rubyists
vanstee
141
7.6k
Abbi's Birthday
coloredviolet
3
8.9k
Let's Do A Bunch of Simple Stuff to Make Websites Faster
chriscoyier
508
140k
Transcript
簡単な4bit CPUの作成 電気電子工学実験 テーマS(a) 自由設計 mikiken (@mikikeen) 1
何を作ったか • 書籍「CPUの創りかた」で解説されている4bit CPUを FPGAで実装 • 予めROMに書き込んだプログラムを実行できる • LEDチカチカ •
タイマー (参考: GitHubリポジトリ) https://github.com/mikiken/TD4 2
「CPUの創りかた」―マイナビ出版 (2003) • 汎用ロジックICを用い、簡単な4bit CPU「TD4」†1を作る • アナログ回路の基礎から、丁寧に解説されている • 30刷以上重版 (技術書としては異例)
†1 “とりあえず動作するだけの 4bitCPU” の略 3 https://www.google.co.jp/books/edition/CPU%E3%81%AE% E5%89%B5%E3%82%8A%E3%81%8B%E3%81%9F/2UbaDwA AQBAJ?hl=ja&gbpv=1&printsec=frontcover
動機 • FPGAで何か作るといえばCPU • 自作CPUに関する書籍はいくつかあるが… • 「CPUの創りかた」なら授業時間内で作れそう 4
TD4の仕様 • • • • • • • • •
• • • 5 • 命令長8bit • オペコード4bit, オペランド4bit • 表現できるアドレスの大きさも4bit = プログラムは16 Stepまで • 演算用レジスタは2つ
どのような手順で作ったか • 基本的には本の記述に従って実装 • 具体的には • レジスタ → ALU†2 →
プログラムカウンタ → 命令デコーダ → ROM の順 • ROMは実装方針に迷ったので後回しに †2 Arithmetic Logic Unit (算術論理演算装置). 大層な名前がついているが、今回のCPUの場合、ただの4bitの全加算器 6
7 回路の全体像
8
ROM (メモリ) クロック生成 ← プログラムカウンタ ALU (4bit FA) 命令デコーダ レジスタ
データセレクタ 9 Aレジスタ → Bレジスタ → キャリーフラグ
• リセットがかかると、ROMの0000番地の命令から実行開始 • ROMに入っている機械語命令 • 上位4bit(オペコード)を命令デコーダが読み込む • 下位4bitを(オペランド)をレジスタに読み込む • ALUはレジスタから値を読み込み、演算を行う
• 演算結果をレジスタに書き込む • プログラムカウンタを+1する • このような動作をクロックに合わせて、繰り返し行う 10 回路の全体像
ROMの実現方法 • 書籍では、8bit DIP SW✕16個 でROMを表現 • 評価ボードのDIPスイッチが 足りない •
Verilogで、各アドレスに対し 機械語命令を返す論理素子を 記述することでROMを表現 11
サンプルプログラム1 : LEDチカチカ 12
サンプルプログラム1 : LEDチカチカ 13
サンプルプログラム2 : タイマー • 実演します 14
感想 • ブラックボックスだと思っていたCPUの仕組みを ある程度知ることができ、勉強になった • もう少し大規模なCPUをHDLを用いて実装してみたい 15