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
mikiken
December 12, 2023
Programming
0
1k
簡単な4bitCPUの作成
mikiken
December 12, 2023
Tweet
Share
More Decks by mikiken
See All by mikiken
ライフゲームの製作
mikiken
0
190
Webブラウザでページが表示されるまで
mikiken
0
67
Cコンパイラ自作はじめてみた
mikiken
0
240
seccamp2022 成果発表
mikiken
0
35
Other Decks in Programming
See All in Programming
システム成長を止めない!本番無停止テーブル移行の全貌
sakawe_ee
1
360
マッチングアプリにおけるフリックUIで苦労したこと
yuheiito
0
190
NEWT Backend Evolution
xpromx
1
140
スタートアップの急成長を支えるプラットフォームエンジニアリングと組織戦略
sutochin26
1
7.3k
RailsGirls IZUMO スポンサーLT
16bitidol
0
200
AWS Summit Japan 2024と2025の比較/はじめてのKiro、今あなたは岐路に立つ
satoshi256kbyte
0
120
MCPを使ってイベントソーシングのAIコーディングを効率化する / Streamlining Event Sourcing AI Coding with MCP
tomohisa
0
170
はじめてのWeb API体験 ー 飲食店検索アプリを作ろうー
akinko_0915
0
140
The Niche of CDK Grant オブジェクトって何者?/the-niche-of-cdk-what-isgrant-object
hassaku63
1
620
GPUを計算資源として使おう!
primenumber
1
250
PHPでWebSocketサーバーを実装しよう2025
kubotak
0
320
React は次の10年を生き残れるか:3つのトレンドから考える
oukayuka
12
3.7k
Featured
See All Featured
Imperfection Machines: The Place of Print at Facebook
scottboms
267
13k
How to Ace a Technical Interview
jacobian
278
23k
How GitHub (no longer) Works
holman
314
140k
Building a Modern Day E-commerce SEO Strategy
aleyda
42
7.4k
Improving Core Web Vitals using Speculation Rules API
sergeychernyshev
18
990
Large-scale JavaScript Application Architecture
addyosmani
512
110k
[RailsConf 2023 Opening Keynote] The Magic of Rails
eileencodes
29
9.6k
Measuring & Analyzing Core Web Vitals
bluesmoon
7
520
個人開発の失敗を避けるイケてる考え方 / tips for indie hackers
panda_program
108
19k
How to Create Impact in a Changing Tech Landscape [PerfNow 2023]
tammyeverts
53
2.9k
ピンチをチャンスに:未来をつくるプロダクトロードマップ #pmconf2020
aki_iinuma
126
53k
実際に使うSQLの書き方 徹底解説 / pgcon21j-tutorial
soudai
PRO
181
54k
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