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

1. //CPUの創りかた
B3 fumi

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. 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

6. 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

7. 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

8. 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。

9. 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

10. 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

11. 74HC00
• 4つ入ってるだけです。
https://www.technobotsonline.com/74hc00-quad-2-
input-nand-gate.html

12. 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

13. 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

14. 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。

15. 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

16. プルアップ/ダウン

17. これで完成！…?

18. 対チャタリング
• キャッシュみたいなもの。

20. クロック

21. 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。

22. 発振回路（クロックジェネレータ）

24. 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…

25. スイッチ

26. 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

27. 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

28. 1bitのROM

34. https://assets.nexperia.com/documents/data-
sheet/74HC_HCT154.pdf

35. 74HC153
https://assets.nexperia.com/documents/data-
sheet/74HC_HCT154.pdf

36. 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

37. 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

38. 機械語で書くと…

39. プログラム

40. 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

41. 立ち上がった瞬間にDの状態がQに記録される

42. 4bitメモリの完成です

44. AとBのやりとり

45. ロード・保持を切り替える

46. 計算させたい
保持もしたい

47. 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

48. 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

49. MOV A, B
LOAD1 L
LOAD2H
LOAD3H
LOAD4H
SELECTA H
SELECTB L

51. 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

52. 加算器
増やせば
桁が増える

53. =

54. 4bit全加算器
74HC283
http://www.ti.com/lit/ds/schs176d/schs176d.pdf

55. とにかくALUを作ってみる

56. ADD A, Imをやってみよう！

57. 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

58. Im=0000とする
MOVが実現できる
A←B+0000なのでA←B

59. MOV A, Imをやると？

60. Dレジスタを犠牲にした

61. 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！

62. 桁上がりをFFで保持

63. 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。

65. I/Oポート
• 結局電圧。
• そう、LEDですね。

66. 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。

71. まとめると…?

76. 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