CPUの創りかた

概要

本

• CPUの創りかた | 渡波 郁

かかった時間

• 100.0 時間（退職前に使っていた時間はカウントできていない、たぶんプラス 6 時間くらい）

作成メモ

• 「CPUの創りかた」の4bitCPUをブレッドボードで作りました - Qiita

コード

• Arduino/td4_rom at master · y-meguro/Arduino

読書メモ

1章: はじめの一歩のその前に

• ここで単純化した CPU を作ることを目標にするが、基本的な動作自体は一般的な CPU と同じ

  • プログラムカウンターに従って、命令をメモリーから読み出す（命令フェッチ）

  • 命令を解読（デコード）

  • デコード結果に従い、実際の演算を行う（実行）

  • 演算結果を格納（ストア）

• 各装備

  • セラミックコンデンサ: 応答速度は速いが、容量は小さい

  • 電解コンデンサ: 応答速度は悪いが、大きな容量が安価に得られる

  • ダイオード:「電気の一方通行」デバイス

2章: LED

• オームの法則

  • E = IR（電圧 V = 電流 A * 抵抗 Ω）

  • P = IE（電力 W = 電流 A * 電圧 V）

• LED: Light Emitted Diode。発光ダイオード

  • ダイオードなので電流は一方通行となる

  • アノードがプラス側（図だと三角形の方、足の長い方）、カソードがマイナス（図だと線の方）

  • 電源と LED だけだと、電流が無制限になるので、抵抗もつなげればよい

3章: デジタル回路の基礎の基礎

• 汎用 IC: 様々な論理回路に共通して必要とされる個々の機能を 1 つの小型パッケージにまとめた集積回路

• 専用 IC: 特定の用途に特化した集積回路

• CPLD / FPGA は「回路を自由にプログラム可能なロジック IC」なので、必要な回路そのものをプログラムできる

• 1 と 0 の表現

  • 電圧が高い（5V）場合を High、電圧が低い（0V）場合を Low

  • High に 1 を割り当てる場合を「正論理」、Low に 1 を割り当てる場合を「負論理」という

  • 回路図上で、上にバーがある場合は負論理

  • 74HC シリーズの場合、H は 4.4V 以上、L は 0.3V 以下

• 簡単な論理回路

  • NOT は 74HC04、OR は 74HC32、3 入力 NAND は 74HC10

  • DIP: Dual Inline Package。長方形のパッケージの双方の長辺に 2 列の足を配置したもの

• 実際の回路

  • 使わない入力ピンは H か L に固定する

  • Vcc に +5V を接続すればいい

  • IC の近くに 0.1μF 程度の積層セラミックコンデンサを配置する

  • 電解コンデンサには極性があるので注意。基板に 1 つ、100μF 程度の電解コンデンサを配置する

  • IC への電源の配線の表記は省略されているので注意

  • 電源の配線は網目のように行う。電源パターン付きのユニバーサル基板が便利

4章: リセットとクロック回路

• 手動クロック回路: 手動で H と L を出力する回路

• プルアップ抵抗

  • スイッチを切り替える時に、一瞬だけ CLOCK 信号は GND にも 5V にもつながっていない状態（オープン）になる

  • すると電圧が不定になってしまうので、これを防ぐために、CLOCK 信号を抵抗で 5V（Vcc）につないでおく

  • このような抵抗を「プルアップ抵抗」という。逆に低い電位で保っておく抵抗を「プルダウン抵抗」という

• チャタリングの問題

  • スイッチが接触する瞬間は、激しくバウンドが起きる。このバウンドを「チャタリング」という

  • スイッチはバウンドした回数だけ、入力されたと認識してしまうため、対応が必要

  • これに対応するのが CR のフィルタ（C がコンデンサ、R が抵抗）。回路の応答を遅くすることで解決する

• デジタル IC では中途半端な電圧（0V は L、5V は H だが、2V とか 3V の場合）でも H か L に判定される

  • ゆっくり電圧が上昇する場合は、出力が不安定になる

  • デジタル IC の中でも中途半端な電圧を扱えるものがいて、それが 74HC14 シュミットトリガ・インバーター

• リセット回路

  • ここでは L でリセットがかかる仕様とする（電源を ON にしたら、一時的に L を出力する回路にすればよい）

• クロックジェネレータ

  • ここで作るクロックは 1Hz とする

  • 抵抗を 33KΩ、コンデンサを 10μF とすると発信周期がおおよそ 1Hz となる

  • 抵抗を 3.3KΩ にするとクロックを 10Hz にできる

  • ここで使うコンデンサはプラスにもマイナスにも充電されるので、無極性電解コンデンサを使用する

5章: ROM を作る

• ROM というのは

  • ここで作る CPU はプログラムを ROM に格納する

  • ROM にアドレスを指定すると、データが返されるようにする

  • すべてのデータを一度に読み出すわけではなく、指定されたアドレスの 8bit だけ読み出す

• ROM の回路

  • メモリーセルは DIP スイッチで代用する

  • プルアップ抵抗を使い、また出力側で論理反転することで、スイッチ ON で H とする

  • 8bit 出力、アドレスは 0〜15 番地までとし、16 バイトの ROM を作る

  • 74HC154 で 4 本の信号を 0〜15 に変換する。G1・G2 入力は両方 L に固定する

• プリント基板

  • 以下の 2 つをまとめて指す総称

    • 絶縁体でできた板の上や内部に、導体の配線が施された（だけの）もの。電子部品が取り付けられる前の状態。プリント配線板（PWB = Printed Wiring Board）と呼ばれる

    • （上記の板に）電子部品がはんだ付けされ、電子回路として動作するようになったもの。プリント回路板（PCB = Printed Circuit Board）と呼ばれる

6章: CPU の設計準備

• CPU の仕様

  • 4bitCPU を作成する

  • レジスタ構成

    • 演算用のレジスタは A と B の 2 つで、4bit。メモリーも兼用する

    • リセット直後は A・B 共に「0000」となる

    • プログラムカウンタも 4bit で、プログラムは最大でも 16 ステップとする

    • フラグは C（キャリー）のみとし、加算命令でキャリーが発生すると「1」になる

    • 入力ポート、出力ポート共に 4bit とする

  • 命令フォーマット

    • すべての命令は 8bit で構成される。上位 4bit がオペレーションコード、下位 4bit がイミディエイトデータ

7章: 1bitCPU（らしきもの）

• TD4 の A レジスタと B レジスタは 4bit なので、それぞれフリップ・フロップ 4 つで構成される

• フリップ・フロップは 74HC74 を利用する

• 入力に切り替えスイッチを付けて、「新しいデータをロード（書き込み）」するのか「自分自身をコピー（保持）」するのかを選択できるようにする

• データ保持の方法

  • フリップ・フロップの出力を入力に戻す

• レジスタ間のデータコピーの方法

  • 転送元のフリップ・フロップの出力を転送先のフリップ・フロップへつなぐ

• 演算の方法

  • データを転送する途中で演算回路を経由させる

• 4 チャンネルのデータセレクタには 74HC153 を利用する

• また、2 チャンネルデータセレクタと 4 つのフリップ・フロップが入っている 74HC161 を利用する

8章: ALU とプログラムカウンタ

• 4bit 加算器の 74HC283 を利用する

• キャリー入力がない加算器を半加算器（Half Adder）、ある加算器を全加算器（Full Adder）と呼ぶ

• TD4 のプログラムカウンタに必要な機能は 2 つ

  • リセット信号により、ゼロにリセットされる

  • 1 クロックの立ち上がりごとに +1（カウントアップ）される

• 74HC181 を流用して、ENT と ENP を H に固定することで、カウントできる

• 出力ポートは C レジスタに LED をぶらさげる

9章: 命令デコーダ

• 命令フェッチした後、実行部の動作の流れ

  • SELECT A 信号と SELECT B 信号を設定し、4 チャンネルデータセレクタがレジスタを選択、ALU へ送る

  • ALU は演算を行い、全レジスタへ演算結果を送る

  • LOAD0〜LOAD3 信号により、各レジスタの保持またはロードが決定される

  • 後は次のクロックの立ち上がりを合図に実行する

• 命令デコーダが指示しなくてはならない信号は SELECT A / SELECT B / LOAD0〜LOAD3

10章: 全回路図

• 全回路図の記載あり

11章: 動作確認

最初は部分的な確認

• 通電しなくても確認できること

  • IC がソケットに挿さっていない状態からスタートする。またコンセントを抜くだけでなく、電源と CPU を切り離す

  • 一番怖いのは電源のショートなので、まず基板のどこかで +5V と GND がショートしていないか、テスターを使ってチェックする

  • 次に配線をテスターで 1 本ずつチェックする。単なる配線をチェックするので、テスターの極性は気にしなくてもいい。正常に繋がっていればテスターは 0Ω を示すはず

• 電源のチェック

  • この時点では IC はソケットに挿さっていないはずなので IC は壊れないが、電解コンデンサは極性が間違っていると吹き飛ぶことがある

  • 5V を通電して、特に問題（異臭・異音）がないようだったら、各 IC ソケットの電源ピンをテスターで測る

• リセット回路のチェック

  • リセット回路の 74HC14 だけソケットに挿す

  • 3 点の電圧を確認する

• プログラムカウンタのチェック

  • ROM の DIP スイッチはすべて OFF にしておく

  • テスターですべて確認するのは大変なので、LED をぶらさげておくと簡単

  • LD 信号がおかしくても、深追いはせずに LD 信号と命令デコーダを一時的に切り離して H に直結し、プログラムカウンタのカウントアップ動作だけを確認する

• ROM のチェック

  • 入力 A〜D と G1、G2 が正しいか

  • Y0〜Y15 が正しいか。これで 74HC154 の入力と出力が確認できる

  • このあとは「74HC540 の G1 と G2」「74HC154 の出力に従って、DIP スイッチの設定値が 74HC540 の入力に反映されるか」「74HC540 の入力が論理反転された信号が出力されているか」を確認する

• 命令デコーダのチェック

  • 全命令について、順々に出力が正しいか確認していく

  • 6bit の LED をぶらさげておくと楽かも

  • C フラグの影響はまだ確認できないので、ここだけは後で確認すれば良い

• イミディエイトデータのチェック

  • ROM から適当なイミディエイトデータを出力させて、これが加算器の入力に届いているか確認する

• 加算器のチェック・加算期からレジスタへの配線

  • まず入力ポートの DIP スイッチの状態がデータセレクタの出力まで届いているか確認する

  • 次に加算器の出力をチェックする。イミディエイトデータの値を変えて、加算動作を確認する

  • 最後に加算器の出力が各レジスタに到達しているか確認する

• 実際に命令を実行する

プログラムの実行

• サンプルプログラム 1: LED ちかちか

• サンプルプログラム 2: ラーメンタイマー

もう少しまともな CPU

• 8bit 化 / ALU の強化 / CPLD など / 既製品の CPU をいじってみる