CPU/RAMからROM/I/Oまで！自作のミニRISC-Vマイコンの構成

FPGAキットDE10のスイッチやLEDとの接続

CPUとメモリ構成の概要

FPGAキットDE10上に構築されるミニRISC-Vマイコンは，CPU，ROM，RAM，SDRAMといった基本的なメモリ構成をもちます．CPUは命令の解釈とデータ処理を行い，命令メモリとしてROMを参照し，データメモリとしてRAMを利用します．ROMは128KB，RAMは32KB，SDRAMは64MBの容量をもち，それぞれ独立したアドレス範囲にマップされています．内部クロックは20MHzで動作し，命令やデータのアクセスはmmBUSを介して行われます．

周辺機能とI/Oインターフェース

周辺機能としてTICKタイマ，入出力ポート，UART，SPI，I2Cインターフェースが用意されています．TICKタイマはシステム・クロックに基づき時間を測定し，入出力ポートはLEDやスイッチなどの外部信号と接続されます．UARTは調歩同期式シリアル通信，SPIは同期式シリアル通信，I2Cは外部センサやシールドとのデータ交換に利用されます．ボード上の3軸加速度センサとの通信もI2Cで制御されます．

バス接続とマスタ・スレーブ構成

CPUと周辺モジュールはmmBUSを介して接続されます．CPUは命令用とデータ用の2つのマスタポートをもち，各スレーブ・ポートはROM，RAM，SDRAM，タイマ，I/Oインターフェースに接続されます．マスタの優先順位はCPUデータ＞CPU命令となり，アドレス・デコードはメモリ・マップに従います．周辺機器のレジスタは必要最小限のメモリ空間に配置され，効率的にアクセスできます．

FPGA上の外部接続

FPGAボード上にはプッシュ・ボタン，LED，スイッチ用コネクタが用意されており，Arduinoシールドの接続も可能です．SPIやI2Cの通信もこれらのコネクタを通して外部シールドに接続できます．これにより，CPUからROM/RAMまでの基本構成と，I/Oや外部デバイスとのインターフェースを一貫して理解できます．

メモリマップ例

1. ROM：開始アドレス0x00000000，終了アドレス0x0FFFFFFF，実サイズ128KB
2. RAM：開始アドレス0x10000000，終了アドレス0x1FFFFFFF，実サイズ32KB
3. SDRAM：開始アドレス0x20000000，終了アドレス0x2FFFFFFF，実サイズ64MB
4. TICKタイマ：開始アドレス0x30000000，終了アドレス0x3FFFFFFF
5. 入出力ポート：開始アドレス0x40000000，終了アドレス0x4FFFFFFF
6. UART：開始アドレス0x50000000，終了アドレス0x5FFFFFFF
7. SPI：開始アドレス0x60000000，終了アドレス0x6FFFFFFF
8. I2C0：開始アドレス0x70000000，終了アドレス0x7FFFFFFF
9. I2C1：開始アドレス0x80000000，終了アドレス0x8FFFFFFF

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• nan

著書

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．