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CPUの創りかた

TechTalkで発表したスライドをアップロードしました。
https://fumimaker.hatenablog.com/entry/2019/06/17/104625
実際に創りました

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CPUの創りかた

  1. 1. //CPUの創りかた B3 fumi
  2. 2. 流れ • はじめに • プルアップ・ダウン • チャタリング • 発振回路 • ROM • CPUの仕様 • 機械語 • FF • 1BitCPU • ALU • IO • 命令デコーダ • 実際の回路
  3. 3. 古のオタクにオススメできる一冊。 • 渡波郁著:初版2003年 314P • 絵柄から時代を感じる。 • 完全に枯れているので初歩を学ぶには最適 • 10個のICで動くCPUを自作します。 • 文章がかなり冗長なので飽きずに読むことができる。 • ノリが00年代なのであいたたたたた(汗 • くどいと思う人もいるかもしれない。 • 入門なのでCPUに詳しい人にはオススメしない
  4. 4. 1.はじめに • 手軽に3GHz、5GHzといった高速CPUが手に入る • 自作なんて意味ない • でも仕組みを理解するには最適。 • ここでは徹底的に単純化したCPUを設計します • それも自由に動作できる限界の4bitです。 • ICたったの10個だけ。 • 16ステップしか動かない • 実用性?そんなもの( • 100%からくり人形です。 • メカなので直感的にわかります
  5. 5. 今回作るCPUの仕様 (ToriaezuDousasuru4bitCPU) Intel pentium4 TD4 汎用レジスタ 32bit*8 4bit*2 アドレス空間 32bit*2 4bit プログラムカウンタ 32bit 4bit フラグレジスタ 32bit 1bit 算術演算 浮動小数計算 4bit adder 動作クロック 1.4GHz 3MHz トランジスタ数 4200万以上 1500
  6. 6. CPUとは • プログラムカウンター命令をメモリから取り出す(命令フェッチ) • 命令を解読(デコード) • デコード結果に従い演算を行う(実行) • 演算結果を格納(ストア) クロックごとにこれを繰り返す機械です。
  7. 7. 2. 74HCシリーズ • 論理回路:流石にご存知ですよね…?ね?ね?? https://wwws.kobe-c.ac.jp/deguchi/sc180/logic/gate.html
  8. 8. 汎用IC • 74HCシリーズは汎用のロジックICです。 https://wwws.kobe-c.ac.jp/deguchi/sc180/logic/gate.html
  9. 9. 74HC00 • 4つ入ってるだけです。 https://www.technobotsonline.com/74hc00-quad-2- input-nand-gate.html
  10. 10. 74HCシリーズ • いろんな論理回路をくっつければ思うように動作させることが できる。(汎用IC) https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT153.pdf
  11. 11. よく使われるものはパッケージに • 74HC153 https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT153.pdf
  12. 12. 0と1をどう表現するのか • 電圧が低いか高いかで判断します。 • 今回は0V=0、5V=1とします。 • Active-LOW, Active-HIGH • 正論理と負論理がICごと決まっているので注意する。
  13. 13. 電子回路の復習 LED 抵抗 コンデンサ トグルスイッチ プッシュスイッチ 押しボタン
  14. 14. プルアップ/ダウン
  15. 15. これで完成!…?
  16. 16. 対チャタリング • キャッシュみたいなもの。
  17. 17. クロック
  18. 18. 発振回路(クロックジェネレータ) • 手動ならこれでOK。 • 高速で押してください。
  19. 19. 発振回路(クロックジェネレータ)
  20. 20. ROM • 書き換えられない消えない記憶装置 • 起動するときにしか普通は使わない • BIOS読み込み • このCPUではROMにプログラムを 格納。 • 普通はHDDなどのRAMに格納される • 1Bit記録したい…どうしよう…
  21. 21. スイッチ
  22. 22. 全部は無理 • CPUはROMから一気に全部プログラムを取り出せない。 • 今回はたったの4Bit… • ちょっとずつ取り出す必要! • 漫画のn巻を貸して! ROM (128bit) CPU データバス(8bit) アドレスバス(4bit) N番地のデータをくれ あいよ
  23. 23. 実際はどうなってるか • UV-EEPROM 256Kbit • 昔はヒューズで書いてた • 15bit address A0~A14 • 8bit data Q0~Q7
  24. 24. 1bitのROM
  25. 25. https://assets.nexperia.com/documents/data- sheet/74HC_HCT154.pdf
  26. 26. 74HC153 https://assets.nexperia.com/documents/data- sheet/74HC_HCT154.pdf
  27. 27. CPUの仕様 Intel pentium4 TD4 汎用レジスタ 32bit*8 4bit*2 アドレス空間 32bit*2 4bit プログラムカウンタ 32bit 4bit フラグレジスタ 32bit 1bit 算術演算 浮動小数計算 4bit adder 動作クロック 1.4GHz 3MHz トランジスタ数 4200万以上 1500
  28. 28. 命令フォーマット 7 6 5 4 3 2 1 0 オペレーションコード イミディエイトデータ(Im) ADD A, Im 0000 ADD B, Im 0101 MOV A,Im 0011 MOV B, Im 0111 MOV A, B 0001 MOV B, A1 0100 JMP lm 1111 JNC lm 1110 IN A 0010 IN B 0110 OUT B 1001 OUT Im 1011 ADD A, 0(NOP) 0000 命令をするのに使うデータ4bit
  29. 29. 機械語で書くと…
  30. 30. プログラム
  31. 31. フリップフロップ 立ち上がった瞬間にDの状態がQに記録される
  32. 32. 立ち上がった瞬間にDの状態がQに記録される
  33. 33. 4bitメモリの完成です
  34. 34. AとBのやりとり
  35. 35. ロード・保持を切り替える
  36. 36. 計算させたい 保持もしたい
  37. 37. 4bitでMOVしようとすると…? 4ch スイッチ必要 2ch スイッチ 2ch スイッチ 2ch スイッチ 2ch スイッチ
  38. 38. そんな夢を叶えるICがあります 74HC161 http://www.coins.tsukuba.ac.jp/logic-system-jikken/PDF/HD74HC163.pdf
  39. 39. MOV A, B LOAD1 L LOAD2H LOAD3H LOAD4H SELECTA H SELECTB L
  40. 40. ALU • オペレーションコードに 応じて計算できるように してあげればいい! ←これ
  41. 41. 加算器 増やせば 桁が増える
  42. 42. =
  43. 43. 4bit全加算器 74HC283 http://www.ti.com/lit/ds/schs176d/schs176d.pdf
  44. 44. とにかくALUを作ってみる
  45. 45. ADD A, Imをやってみよう!
  46. 46. じゃあMOV A, Bは? 余計なものが加算されてしまう A←B+Imが実行されてしまう
  47. 47. Im=0000とする MOVが実現できる A←B+0000なのでA←B
  48. 48. MOV A, Imをやると?
  49. 49. Dレジスタを犠牲にした
  50. 50. フラグ • 加算しかできないので桁上がりで条件を判断する。 • 9以下であればジャンプしたい!
  51. 51. 桁上がりをFFで保持
  52. 52. プログラムカウンター • ただのカウンターです。 • リセットされば0に戻る。
  53. 53. I/Oポート • 結局電圧。 • そう、LEDですね。
  54. 54. 命令デコード(命令フェッチ) • あと少し。 • 最後は、命令を解釈して実行するための指示を出す回路のみ。
  55. 55. まとめると…?
  56. 56. 最後はプログラミング 0000 OUT 0111 LEDを3つON 0001 ADD A, 0001 Aレジスタ+1 0010 JNC 0001 キャリーまでループ 0011 ADD A,0001 Aレジスタ+1 0100 JNC 0011 キャリーまでループ 0101 OUT 0110 LEDを2つON 0110 ADD A,0001 Aレジスタ+1 0111 JNC 0110 1000 ADD A, 1000 Aレジスタ+1 1001 JNC 1000 キャリーまでループ 1010 OUT 0000 LED全OFF 1011 OUT 0100 LED1個ON 1100 ADD 0001 Aレジスタ+1 1101 JNC 1010 キャリーまでループ 1110 OUT 1000 終了LEDON 1111 JMP 1111 終了

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