マイクロプロセッサの設計と実装

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この Wiki では,

• 電子・情報系 後期実験 課題3「マイクロプロセッサの設計と実装」, および,
• 全学自由研究ゼミナール「電子情報ゼミ : コンピュータを作る」

について解説します.

本課題では, プログラム可能な LSI である FPGA (Field Programmable Gate Array) を用いて, マイクロプロセッサの設計と実装を行います.

右の写真が, 本課題で用いる FPGA ボードです. 中央下の「ALTERA」と書かれた黒い四角が FPGA です.

設計には，論理 CAD を PC にインストールして使います. この CAD 上で作成された設計情報を FPGA にダウンロードすると, FPGA がプロセッサとして動作し, ボードがコンピュータとして動作する訳です.

設計するプロセッサの 命令セット・アーキテクチャ (Instruction-Set Architecture: ISA) としては, いわゆる x86 の サブセット を用います.

電子・情報系 後期実験に関しては, 課題 4 「プログラミング言語処理系」でも同じ ISA を用いています. そのため, 本課題と課題 4 を同時に選択すると, 課題 4 で作成するコンパイラが出力するバイナリを, 本課題で作成したプロセッサ上で実行することができます.

INDEX †

この Wiki の内容は以下のとおりです:

1. 背景知識
   1. FPGA (Field Programmable Gate Array)
2. ISA ― IA-32 サブセット
   1. IA-32
   2. サブセットの概要
   3. サブセットを実現するマクロ
   4. サブセットの命令定義
   5. サブセットのエンコーディング
      1. 4B 命令セット IA-32z のエンコーディング
      2. 6B 命令セット IA-32z6 のエンコーディング
      3. 分岐条件 tttn のエンコーディング
   6. サブセットに関する考察
3. 設計
   1. 設計手順
   2. 仕様書
      1. 方式設計仕様書における目標，方針
      2. ブロック図
      3. フェーズ・フロー・チャート
      4. データ・フロー・チャート
   3. 実装レベル
   4. 設計 Tips
      1. FPGA 内蔵 RAM の使用
      2. 6B 命令をフェッチするメモリ
      3. 外部信号の同期化
      4. テストベンチ
4. 実験環境
   1. FPGA 評価ボード
   2. CAD Quartus II
      1. インストール
      2. プロジェクト起動
      3. ダウンロード (CAD のではなく, 設計データの FPGA へのダウンロード)
      4. 内蔵 RAM の使用
   3. Modelsim
      1. 基本操作
   4. Verilog HDL
      1. HDL
      2. Verilog の概要
      3. クイック・リファレンス
      4. 記述例
5. 実験の流れ
   1. Hello QUARTUS II
6. 資料
   1. 参考文献, ダウンロード と リンク
      1. 限定公開ダウンロード （username/password が必要です.）
   2. 2008年度以前の資料
   3. FAQ
   4. 投稿 （username/password が必要です.）

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