初めてのCPUを作ってみた

1. 初めての CPUをつくってみた筑波大学情報科学類えりっくさーとる

2. 自分について •  @siritori •  CPUとか(リアルに)よくわからない •  おもいっきりソフトウェアの人間です •  好き：しりとりと自然言語処理とおっぱい筑波大学情報科学類えりっくさーとる

3. カーネル/VMのネタのために CPU作るか(適当)

4. 作ったもの •  Whitespaceを実行するCPU

5. 作ったもの •  Whitespaceを実行するCPU

6. 作ったもの •  Whitespaceを実行するCPU •  落ち着け、別に大したことではない •  メモリ上にWhitespaceコードを置いてそれを実行するようなやつ •  Verilogで書いてみた

7. 前提知識 Verilog •  ハードウェア記述言語(HDL)の一種 •  もともとシミュレーション用の言語 •  入出力のピンと、回路ブロックの挙動とその接続状態を書く •  なんか授業で(超ざっくり)習ったぽよ

8. 前提知識 Whitespace •  みんな大好きEsolang •  半角スペースとタブ文字と改行だけで表現 •  そもそもコードが目に見えない

9. 前提知識 Whitespace [SP][SP][TAB][TAB][SP][LF] [SP][SP][TAB][SP][LF] [TAB][SP][SP][SP] こういうの

10. 前提知識 Whitespace PUSH [SP][SP][TAB][TAB][SP][LF] PUSH [SP][SP][TAB][SP][LF] ADD [TAB][SP][SP][SP]

11. 前提知識 Whitespace [SP][SP][TAB][TAB][SP][LF] [SP][SP][TAB][SP][LF] リテラルは2進数で表現。 [TAB][SP][SP][SP] [TAB]を1、[SP]を0として表現 [LF]が終わりを意味する

12. 前提知識 Whitespace もしかして：タダのアセンブリ？

13. 前提知識 Whitespace もしかして：タダのアセンブリ？

14. 前提知識 Whitespace push add label load dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

15. 前提知識スタック操作 Whitespace push add label load dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

16. 前提知識算術操作 Whitespace push add label load dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

17. 前提知識ジャンプ操作 Whitespace push add label load dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

18. 前提知識ヒープ(メモリ) 操作 Whitespace push add label load dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

19. 前提知識 Whitespace push add label load 入出力操作 dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

20. 前提知識 Whitespace もしかして：タダのアセンブリ？ ...ってことは、実行できるCPU作れるのでは? という話に当然なる

21. 前提知識 Whitespace もしかして：タダのアセンブリ？ ...ってことは、実行できるCPU作れるのでは? という話に当然なる(断定)

22. 前提知識完

23. おもむろに書き始める

24. ブロック図フローコントローラヒープ & スタックステートマシンプログラムメモリ & フェッチ

26. ヒープ •  ぶっちゃけただのメモリ •  かんたーん CS CLK [31:0]q LOAD [31:0]addr [31:0]d

28. スタック •  [3:0]modeで操作を指定 •  算術命令もいれちゃった（* ∀ 人） •  top1がスタックトップ、top2は2番目 CS RST CLK [31:0]top1 [3:0]mode [31:0]top2 [31:0]addr [31:0]d

30. プログラムメモリ&フェッチ

31. プログラムメモリ&フェッチあれ？Whitespaceって命令が固定長じゃなくね？

32. プログラムメモリ&フェッチうわーあかんやつやこれ

33. プログラムメモリ&フェッチ •  読み始めるアドレスを入れると •  オペコードとオペランドと次のアドレスがでてくるようなメモリ •  オペコードが1クロックで1発フェッチができないので、終わったらDONEフラグを立てるようにしてみた

34. プログラムメモリ&フェッチこんな感じに遷移することにする CMD OP END FETCH FETCH

35. プログラムメモリ&フェッチ •  addrから読み始めるアドレスを入力 •  cmdにオペコード,opにオペランド CS [31:0]next RST [5:0]cmd CLK [31:0]op [31:0]addr DONE

37. だーかーらーCPUのしくみ知らんって言ってるじゃん(´；ω；｀)

38. フローコントローラとステートマシンこんな感じに遷移することにする(既視感 FETCH EXEC1 EXEC2

39. フローコントローラとステートマシン •  フェッチが終わるまで待ってー •  命令にあわせてヒープやスタックを起こして仕事させてー •  場合によっては書き込む •  を繰り返す

40. フローコントローラとステートマシン •  inputとoutputピンがやたら多いので図は省略

42. デモ 0x001 push 6 0x006 push 4 0x00C add 0x010 call 0x0100 0x100 push 2 0x105 mul 0x109 slide 2 0x10F ret

43. デモこれらを 0x001 push 6 ハンドアセンブル 0x006 push 4 する(震え声 0x00C add 0x010 call 0x0100 0x100 push 2 0x105 mul 0x109 slide 2 0x10F ret

44. まとめ •  普段の勉強法とは違う方法でやってみた •  なんだかんだでCPUできた •  Whitespaceが動くアーキテクチャは作れる

45. ところで

46. 前提知識 Whitespace push add label load 入出力操作 dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit

47. 前提知識 Whitespace push add label load 入出力操作 dup sub call store もしかして：タダのアセンブリ？ copy mul jump getc swap sub jeq getn pop div jneg putc slide mod ret putn exit I/Oは？

48. 終わってねーよ

49. ご清聴ありがとうございました

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