自作CPU入門7：CPU内部で使う回路

レジスタ/セレクタ/アダ―/バスで構成

CPU内部の基本構成要素と動作原理

CPU内部のレジスタはフリップフロップ回路で構成され，データの一時保存と転送を可能にしています．1ビット単位で情報を保持するこの回路が集積されることで，32ビットや64ビットのデータ処理が実現します．

メモリの種類と特性

CPU内部で使用されるメモリには主に3種類あります

1. SRAM:フリップフロップを用いた高速アクセス可能なメモリ．トランジスタの組み合わせで構成
2. DRAM:キャパシタの電荷で情報を保持．大容量化が可能だがリフレッシュ動作が必要
3. フラッシュ・メモリ:不揮発性を特徴とするが，書き込み速度が低速

データ転送の核となるセレクタ回路

複数のレジスタ間でデータを選択的に転送するため，AND/OR/NOTゲートを組み合わせたセレクタ回路が使用されます．$sel$信号による制御で，32ビット幅のデータ経路を切り替えます．

演算回路の基本構造

加算器を基本単位として，減算・乗算・除算回路を構築します．1ビット加算器の組み合わせで多ビット演算を実現し，XORゲートを用いた等値判定回路も重要です．

フリップフロップの動作原理

$D$端子に入力された値を$ENA$信号の立ち上がりエッジで保持します．クロック信号に同期して$Q$端子から値を出力し，電源供給が続く限りデータを保持し続けます．

セレクタ回路の信号制御

2入力1出力の基本ユニットを多段接続することで，複数入力から特定の信号線を選択します．制御信号の切り替えタイミングと順序がデータ整合性を保つ鍵になります．

全体制御回路の設計手法

マイクロプログラム方式で制御信号のシーケンスを管理します．ステートマシンを用いて命令実行サイクルを制御し，ハードウェア記述言語による設計効率化が現代の主流です．

〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

• 1:01 今回の内容
• 1:36 レジスタはどのような回路化
• 4:52 レジスタからレジスタへの転送
• 6:02 セレクタはどのような回路か
• 8:36 演算回路はどのような物か
• 10:31 命令解読回路はどのような物か
• 11:14 CPUとしての動きの全体制御
• 14:58 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．