自作CPU入門6：CPUの内部の動き

CPUの基本動作サイクル

［Webinar/KIT/data］新人技術者のためのRISC-V CPU設計 初めの一歩（5月31日～6月7日，2日コース）

CPUとメモリやI/Oはどうやってデータをやり取りするのか

CPUの内部動作は「命令フェッチ」「ソース取得」「命令実行」「結果書き込み」の4ステップで構成されます．まずプログラム・カウンタ（$PC$）が指すメモリ番地から命令を読み出し（フェッチ），解読後に必要なデータをメモリやレジスタから取得します．演算処理後，結果を指定先に書き戻すという流れを繰り返します．

必須のレジスタとその役割

1. プログラム・カウンタ（$PC$）:次に実行する命令のメモリ番地を保持
2. アドレス・レジスタ:通信バスに送出するアドレス値を一時保持
3. データ・レジスタ:演算前後のデータを一時格納

バス・インターフェースの重要性

CPUは3種類の信号線群で外部と通信します．アドレス・バス（送信先指定），データ・バス（情報転送），制御バス（読み書き方向指示）の組み合わせで，メモリやI/Oデバイスと協調動作を実現します．特に制御バスの「会話中信号」は，バス競合を防ぐ重要な役割を担います．

プログラム・カウンタ（$PC$）

命令実行位置を管理する専用レジスタ．各命令実行後，$PC$は自動的にインクリメントされ，次の命令を指します．分岐命令ではジャンプ先アドレスが直接設定されます．

命令フェッチ

$PC$が指すメモリ番地から命令コードを読み出す工程．32ビットや64ビットの命令コードはデコーダで解読され，演算種別や操作対象が決定されます．

バス・アービトレーション

複数デバイスがバスを共有する際のアクセス制御機構．「会話中信号」を使用して，同時通信の衝突を防止します．CPUが信号をアサートすると，ほかのデバイスはバス使用を保留します．

〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

• 1:09 今回の内容
• 3:23 CPUの中で覚えておくべき情報
• 4:35 CPUの外部インターフェース
• 6:08 CPUの内部の動き
• 13:43 おまけ：自作CPU派に！お勧め開発キット

著者紹介

• NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

1. ［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．
2. ［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．
3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［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．
5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/Pi KIT］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，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
10. FPGA/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．
11. 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．
12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

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. ［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．