ゼロから始める自作 CPU 入門
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セキュリティ・キャンプフォーラム2015 ローレイヤー勉強会で発表した内容です。
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ゼロから始める自作 CPU 入門
- 2. お前だれよ ● 川田 裕貴 @hktechno o 筑波大学 システム情報工学研究科 コンピュータサイエンス専攻 M1 o セキュリティ＆プログラミングキ ャンプ 2008 プログラミングコース参加 2009, 10, 12 OS 組チューター
- 6. Open Design Computer Project ● オリジナル ”コンピューター” を作った o CPU だけじゃない o 基板から、CPU から、ペリフェラルまで ● 2011年度 IPA未踏 IT 人材発掘育成事業採択 ● http://open-arch.org/ ● ↓一緒にやってる人 @cpu_labs
- 7. mist32 プロセッサ ● 名前の由来はわからないｗ ● 32bit RISC アーキテクチャ ● 2オペランド ● Out of order 実行 ● レジスタリネーミング ● 投機的実行 ● オープンソース
- 9. CPU 自作って楽しいの？ ● 楽しい。 ● 作りながら学べる。 ● 理由: o やってる人が少ない o なんかかっこいい o 自分の好きなように設計できる o 上から下まで全部自由
- 10. 自作 CPU で広がる夢 ● CPU を自作することで.... o こんな命令があればセキュアになるのに o こんな機能があればセキュアになるのに o こんな命令セットもうイヤだ！ o ぼくのかんがえたさいきょうの CPU！
- 11. 自作 CPU を作ってどうする？ ● 考えてはいけない。 ● とりあえず作ってみると楽しい ● 期待してはいけないこと: o 既存の CPU より性能の良い物ができる o 誰かに使ってもらえる o 実用性 o 就活の役に立つ
- 12. CPU 自作のメリット ● 得ることができる特殊能力 o C のコードから吐かれるアセンブラがわ かるようになる o アセンブラからバイナリが想像できるよ うになる o アセンブラの命令列から、命令がどうや って実行されるかがわかる
- 14. そもそも CPU とは ● 何が違うか o アセンブラが違うだけ？ ● Intel x86 ● Power PC ● SPARC ● ARM Cortex-A ● ARM Cortex-M ● AVR ● PIC
- 15. CPU の分類？
- 16. CPU 自作の構成要素 ● ISA (命令セットアーキテクチャ) ● プロセッサコア ● ペリフェラル o MMU o 割り込み o タイマー o など... ● ソフトウェア o アセンブラ, コンパイラ, OS...
- 17. ISA (命令セット) ● 自作 CPU の唯一？見える部分 o バイナリ、アセンブラは見ることが可能 ● ISA の設計は楽しい ● バグが発生しない！ ● バイナリアンの君なら、きっと既存の ISA への不満もたまってるはず
- 18. ISA (命令セット) ● 命令フォーマット o 種類、オペランドの数、どうやってバイ ナリに詰め込むかなど... ● ニーモニック o add, sub, shr, sar, jxx… ● どんな命令を用意するか o 変態命令をつけるとか o 例えば、”短歌” に最適化された命令
- 19. ISA の例 ● 固定長 4byte ● 半固定長 2byte, 4byte ● 可変長 ● 変種 o BPT(Byte Per Tanka)世界一の命令セット o 絶対 ASCII が現れない命令セット o 全部 ASCII で書ける命令セット
- 20. プロセッサコア ● 命令の実行ユニットを何かしらで作る ● 一番の肝 o 工夫をたくさん入れる o 先人たちの知識を利用する o または、全く新しいものを作る
- 21. 4bit CPU の回路
- 22. どうやってコアを書くか ● FPGA を使う o 回路を動的に構成できる魔法の LSI o Verilog HDL とか VHDL を使って書く ● FPGA は速い！は間違い o 実際の素子と比べると、とても遅い。 o 特別な処理を回路に起こすと、速い (ただし、専用の IC よりはずっと遅い)
- 23. 基本的なパイプライン ● Instruction Fetch ● Instruction Decode ● Execution o Memory Access ● Write Back
- 24. ● Instruction Fetch ● Instruction Buffer ● Instruction Decode ● Dispatch ● Execution MIST32 (In-order: MIST1032ISA) IB
- 26. ● ほとんどのプロセッサでは、 アセンブラの通りには実行されていない o 高速化のため o ハードウェアが実行しやすいように実行 したほうが速い ● ソフトウェアで頑張ればよいのでは？ o 夢の VLIW... アセンブラと実行順序
- 27. Out of Order Execution (例) mov eax, [eax] xor ebx, ebx add ebx, eax inc ecx add eax, ecx Load (遅 い) ↑の命令とは依存がない ↑の命令とは依存がない 1 1 2 1 2 命令の順番を入れ替えても構わない しかも、開いてるポートに並列に実行できる
- 28. Out of Order Execution ● Register Renaming o 物理レジスタを仮想レジスタにリネーム o 命令の依存をより少なくできる mov eax, [eax] inc eax mov [eax], eax mov eax, ebx mov eax, [eax] 同じ eax レジスタ だが、依存はない ← 先に実行可能
- 31. プロセッサコアの設計 ● レジスタ o 何 bit でいくつ用意するか ● パイプライン o どういう構成で、何段にするか ● 実行ユニット o 何個用意するか、並列化させるか ● その他もろもろ o 分岐予測、投機的実行など...
- 32. プロセッサコアと ISA ● 便利な命令や、複雑な命令をたくさん積め ばいいじゃないか？ o そういうわけにも行かない ● 回路規模 o 複雑な実行ユニットは、回路規模が大き くなる、クリティカルパスが長くなる o クロックが上がらなくなる
- 33. MMU とか ● 作らなくても良い ● ただし、OS を動かすには普通は必要 ● 実は作るのが結構大変 o ページテーブルを考えたり、 TLB の事を考えたり...
- 34. シミュレータ ● 実機より信頼の置けるシミュレータ o シミュレータが信頼出来ないと デバッグで死ぬ！ ● 簡単なものでもいいからつくろう o cycle-accurate でなくてもよい ● シミュレータの高速化も、また楽しい
- 35. アセンブラ・コンパイラ ● コアだけでは、プログラムは書けない o ハンドアセンブルで書く人は除く ● アセンブラやコンパイラが必要 o 一般的には binutils, gcc を使うが？ o 簡単なものなら自作も可能
- 36. オペレーティングシステム ● OS も自作可能、だが... ● mist32 向けには xv6 を移植した o Unix V6 っぽい何か o その上で mruby もうごく o http://www.slideshare.net/hktechno/xv6-mist32-mruby
- 37. OS を移植すると... ● OS のことも学べる o どうやって起動するのか o OS を動かすにはどんな機能が必要か o どうすれば、もっと速く OS を実行でき るか...
- 38. まとめ CPU を自作すると... 低レイヤーな知識が大体学べる。超楽しい。 ソフトウェアの高速化、OS の作り方、コンパ イラ・アセンブラ、CPU のパイプラインの中 身、などを学びたいなら CPU を作ろう。