HDL 500行！ミニCPUの製作

DE10 FPGAキットで作るRISC-V CPU

RISC-VとミニCPU設計の全体像

RISC-Vはオープンソースの命令セット・アーキテクチャで，誰でも自由に使用・改良が可能です．今回，このRISC-V命令セットに基づく，C言語でソフトウェア開発が行える環境を整備したミニCPUを開発しました．

設計はHDL（ハードウェア記述言語）で行われ，最終的にFPGAに実装されます．HDLコードは約500行で，シンプルながらパイプライン構造を備えており，命令実行の流れを体験的に学べるよう構成されています．

論理設計とシステム構成の基本

CPU設計に先立ち，論理回路設計の基礎を押さえる必要があります．クロック同期のしくみ，メモリとの接続，バスの制御などが重要です．今回は2ステージから3ステージ構成のパイプラインを採用し，性能と実装の容易さを両立しています．

メモリとバスの設計はCPUの性能や安定性に直結します．ROMやRAMとの接続方法，バス上での信号の衝突防止，制御信号の扱いが含まれます．また，周辺機能としてUART通信やタイマも実装され，より実用的なCPUシステムの構築を支援します．

C言語開発環境とシミュレーション

ソフトウェア開発にはエクリプス（MZCDT）とRISC-V標準コンパイラーが使用されます．開発ツールは事前に提供され，C言語でのプログラム記述からビルド，FPGA上での実行までを一貫して体験できます．

設計後には論理シミュレーションを行い，設計の妥当性を確認します．その後，実機FPGAにデプロイしてCプログラムを

命令処理を高速化する技術:パイプライン

パイプラインとは，CPUにおける命令処理を分割し，各段階を並列に実行する構造です．処理を直列に実行する従来型に比べて，複数命令を同時に処理できるため，スループットの向上が期待されます．

今回設計するミニCPUでは，2ステージから3ステージの簡易的なパイプラインを採用します．これは，設計と理解のバランスを重視しつつ，実用的な命令実行を体験できるようにするためです．

パイプラインの構成と動作

一般的なパイプラインは以下のような段階で構成されます．

1. 命令フェッチ:命令をメモリから取得
2. 命令デコード:命令を解析し，必要な制御信号を生成
3. 実行:演算やメモリ・アクセスなどの処理を実行

今回の2?3ステージ構成では，これらの段階を適切に統合し，動作を簡略化しています．ステージ数が少ないため，設計が単純で理解しやすく，動作確認も容易です．

パイプライン設計の注意点

パイプラインには命令間の依存やリソースの競合といった課題が存在します．たとえば，命令Aが書き込むレジスタを命令Bが読み込もうとすると，データハザードが発生します．このような場合にはフォワーディングやスロット挿入などの対策が必要です．

今回のミニCPUでは，極力シンプルな制御とすることで設計の複雑さを抑えています．その結果，パイプラインの基本構造と動作の理解に集中できます．

まとめ

パイプラインはCPUの命令処理を高速化するための基本的な技術です．段階的に処理を並列化することで性能を高めつつも，設計においてはハザードや同期制御といった配慮が必要です．今回設計したミニCPUでその基本を学べます． 〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 出身地：京都市左京区
• 仕事：1986年，日立製作所に入社し，SHマイコンの開発に従事．以降，ルネサステクノロジ，ベンチャー企業，大手半導体メーカにて，画像処理用SoCや各種マイコンおよび関連半導体デバイスの開発を統括．現在もマイコン製品設計に取り組んでいる．
• 趣味：1978年からマイコン・FPGA・GPUと戯れ
• 執筆活動：2000年からマイコンを絡めた雑誌記事と書籍を執筆

著書

1. ［VOD/KIT］実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ARMベース・システムLSI開発の事例研究，Design Wave Magazine 2006年5月号，CQ出版社．
3. ARM汎用プロセッサで使える汎用JTAGデバッガを自作する，Design Wave Magazine 2008年6月号，CQ出版社．
4. 並列処理プロセッサxCORE徹底研究，インターフェース 2014年11月号～2015年6月号（連載),CQ出版社．
5. Cで直叩き！超並列コンピュータGPU全速力，トランジスタ技術　2019年9月号（特集），CQ出版社．ほか
6. 今すぐ使えるH8マイコン基板　初版2010年，増補版2011年，CQ出版社．
7. 2枚入り小型ARMマイコン基板　2011年，CQ出版社.
8. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　基板付き　2013年，CQ出版社．
9. ARM PSoCで作るMyスペシャル・マイコン　開発編　　2013年，CQ出版社．
10. SHマイコン活用記事全集　2014年，CQ出版社．
11. FPGA電子工作スーパキット　2016年，CQ出版社．
12. MAX10実験キットで学ぶFPGA＆コンピュータ　2016年，CQ出版社．
13. 完全版FPGA電子工作オールインワン・キット　2016年，CQ出版社．

参考文献

1. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング
7. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．