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この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の25日目の記事です。 いよいよ最終日。 まず復習を兼ねて、今までの記事を振り返りながら、C言語から半導体までCPUの中を歩く。 最後に自作コンパイラ、自作エミュレータ、自作CPUを結合し、再帰関数でフィボナッチ数を計算する。 25日間の復習 アドベントカレンダーの 初日の記事 に 「普段目にする抽象的なプログラムコードから、CPU内の電圧変動が想像できるようになりたい。」 と書いたので、今までの記事を見返しつつ、C言語から半導体までレイヤーを降りてみる。 C言語からアセンブラまで (18日目-24日目) C言語のサンプルコード int main () { int a ; a = 3 ; return 0 ; } これを1週間かけてアセンブラに変換した。 作ったコンパイラのリポジトリはこれ。

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の21日目の記事です。 昨日は人力で構文解析を行った。 今日はその処理をC言語で実装する。 構文解析のアルゴリズム 解析木作成のgifアニメを作った。まずこれを5周ぐらい見て欲しい。 これは再帰下降と呼ばれるアルゴリズムだが、日本語で説明すると ノード属性N0を解析するパーサに、トークンの列[T1, T2, T3, T4, T5]が入力される N0解析パーサは、N0を定義するBNFを参照し、[T1, T2, T3]がN1のノード属性を持つと特定する N0のノードの下に、N1のノードを生やす N1を解析するパーサに、トークンの列[T1, T2, T3]が入力される N1解析パーサは、N1を定義するBNFを参照し、[T1, T2]がN3のノード属性を持つと特定する N1のノードの下に、N2のノード

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の17日目の記事です。 ちょうど1週間前に 単純なCPUをFPGAで作った。 そして昨日は x86のエミュレータを完成させた。 この2つを組み合わせて、FPGA上で動くx86のCPUを作ろう。 いよいよ本丸に切り込むぞ！！！ x86をHDLで記述する日本語書籍や解説記事は、いまのところ存在しないと思う。 先陣を切った。 仕様 全命令を実装するのは大変なので、以下の表の赤い命令にしぼろう。 これらの命令さえあれば、再帰呼出しでフィボナッチ数が計算できる。 基本戦略 負担を軽減するため、 前作CPU を改良し、機能を追加する形で実装しようと思う。 前作CPUの命令セットはこの記事に書いた。 こいつとx86の相違点をまとめると 解説順 前作CPU これから作るx86命令セットのCPU 1 レジスタが

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の11日目の記事です。 昨日まではCPUの回路実装の話だった。つまりトランジスタをいかに配置するか、という話だった。 そういう回路視点でCPUを考えることをマイクロアーキテクチャという。 今日からは命令セットアーキテクチャの視点でCPUを考えていく。 命令セットは全ニーモニックを集めた一覧表と思えば良い。 つまりレジスタは何個で、ニーモニックはどんな感じで、どういう機械語に変換されるのかという視点で、これからCPUを考えていく。 CPUの種類が変われば命令セットも変わる。 全てのCPUを解説することはできないので、今後はx86と呼ばれるCPUに特化する。 x86はintelが30年以上前に策定した命令セットで、今日までPCとサーバーのCPU市場を席巻してきた。 日常で使用するCPUは今後もx8

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の7日目の記事です。 昨日は計算の回路実装をやった。四則演算ができるようになった。 ところで昨日までは「どのレジスタにどの演算を実行するか」という、命令を与える方法について深く考えてこなかった。 今日はその辺をやる。 メモリの必要性 昨日も一昨日も出てきたMOV命令だけのCPUだが 今までは、図の下の方のSxやSyの電圧を人力で調整し、クロックのたびに演算が行うという体だった。 今日はこの操作を自動化したい。 つまりSxとSyへの信号を、どこかから自動で取得する仕組みが欲しい。 これを実現するには、メモリ上に機械語(つまりSxとSyの電圧値)をあらかじめ格納しておき、クロック立ち上り毎に値を持ってきて、SxとSyに繋げばよい。 ここでメモリは電圧値を保存(セーブとロード)できるデバイスを意味し

bit拡張と数値演算 この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の6日目の記事です。 昨日は変数(レジスタ)の数を4個に増やして、mov命令が実行できるCPUを設計した。 しかしmov命令だけでは大したことができない。 そこで今日は(浮動小数点を含む)四則演算ができるように回路を拡張する。 bit拡張 昨日はレジスタの種類を増やしたが、各レジスタの桁数は1bitのままだった。 2進数1桁の変数では計算もへったくれもない1ので、まずはbitを拡張しよう。 拡張方法は極めて簡単。 例えばmov a, bを考えると、aの1の位はbの1の位で上書きされ、10の位は10の位で上書きされる。 つまりmov命令は各桁毎に独立に実行される。 これを実現するには、昨日の回路と全く同じものを並べればいい。 当然だが、マルチプレクサに入る線Sx, Syは各

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の4日目の記事です。 一昨日はトランジスタでNANDゲートを作り、昨日はDフリップフロップを作った。 今日はいよいよCPUを導入する。 昨日はややこしかったけど、今日は簡単だ。しかし今後1週間の中で最も重要な内容だと思う。 Dフリップフロップの復習 昨日登場したDフリップフロップだが、名前は長いし回路はややこしいしで、馴染めなかったと思う。 回路の詳細はぶっちゃけ理解できなくても問題ないのだが クロックが上がる瞬間に、入力(D)が出力(Q)にコピーされる その瞬間以外は、入力を変えても出力は変わらない この2つの機能だけはしっかり押さえておく必要がある。 今後は、以下の長方形記号でDフリップフロップを表す。 左図が正式なのだが、クロックに繋ぐのは当然なので省略し、右図のように描くこともある。

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の3日目の記事です。 昨日はnMOSトランジスタの動作原理を説明し、NANDゲートを作り、さらにANDゲートやORゲートも作った。 今日のメインテーマはDフリップフロップ(DFF)だ。こいつはNANDゲートを元に作られている。 彼こそがCPUの本体であり、CPUそのものだ。 順序回路と組み合わせ回路 我々は情報を記録したい。 ノートに数字を書き込むかのごとく、電子の力で回路に数字を書き込みたい。 しかし、例えばORゲートを考えてみると 入力が変わると出力も変化してしまう。 「記録」を回路の言葉に言い換えると、入力が変わっても出力は変わらないということだ。 ただのORゲートでは、入力が変わると出力も変わるので、情報は記録できない。 そこで、ORゲートの出力を入力に繋いでみると 時刻 入力 出力

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の2日目の記事です。 今日はトランジスタのスイッチング機能と、それを用いた論理ゲートの実装をまとめる。 トランジスタ この世には半導体と呼ばれる物質があり、n型とp型に分類されている。 n型半導体は電子をたくさん含み、p型半導体にはあまり含まれていない。 半導体と金属と絶縁体を以下のように接合したデバイスは、(nMOS型)トランジスタと呼ばれている。 一番目の図1を見て欲しいのだが、これは3本の金属線の生えた半導体デバイスだ。 上段と下段の金属は、桃色で描かれたn型半導体に繋がっている。 2つのn型半導体の間にはp型半導体が存在するが、こいつは電子が少ない(あるいは、電子はp型半導体中に存在できない)ため、このままでは上段下段間に電子は流れない。 また中段の金属は絶縁体に繋がっているので、上下

この記事はひとりでCPUとエミュレータとコンパイラを作る Advent Calendar 2017の1日目の記事です。 自己紹介 はじめまして。都内のIT屋で働いている解答略という者です。 去年の冬まで物理系の大学院博士課程に在籍していて、情報系とは無縁でした。 大学を離れる間際に、何の知識も無いままIT業界に入ると怖い人に怖い事を言われると思い、情報科学科の後輩を訪ねたところ「低レイヤを知れ」というアドバイスをもらい、 大急ぎでエミュレータとコンパイラとCPUを作りました。 時系列で振り返ると 2017年1月下旬、1週間弱かけてx86のニーモニックを調べ、しょぼいエミュレータを作った 次の2週間でC言語のサブセットのしょぼいコンパイラを作った その後、3月上旬までFPGAと格闘し、マジでしょぼいCPUを作った 大急ぎで作ったのでマジでくそしょぼいやつしかできませんでしたが、「PCの動作原