> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://y-meguro.gitbook.io/reading-record/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://y-meguro.gitbook.io/reading-record/computer-systems/how_to_create_cpu.md). # CPUの創りかた ## 概要 ### 本 * [CPUの創りかた | 渡波 郁](https://amzn.to/31iMqeQ) ### 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](https://qiita.com/y-meguro/items/9ed2a1b772eba4395ea6) ### コード * [Arduino/td4\_rom at master · y-meguro/Arduino](https://github.com/y-meguro/Arduino/tree/master/td4_rom) ## 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