自作CPUを電子部品で組み立てて、BASICや自作のOSを動かしてセルフホストのコンパイラでプログラム開発などしています。
・特徴
・構成
メモリの構成
cフィールド
aフィールド
rフィールド
dフィールド
OPコード
・動作
分岐処理
逐次処理
データ転送処理
・プログラミング
アセンブラの命令
演算子
コーディング例
データ転送
単項演算
二項演算
条件分岐
・デバッグツール
・仮想マシン
コンパイラ
BASIC
OS
・回路図
・動画
・各ファイルの説明
・オリジナル6ビットCPU
・データや命令、アドレス等が分離された変形ハーバードアーキテクチャ
・極限まで切り詰めた簡素な構造
・1命令をを１クロックサイクルで動作
・エミュレータやアセンブラ、コンパイラ等の開発ツールが付属
・BASICインタプリタやOS等も付属
CARD6 CPUはプログラムカウンタやALU、シーケンサ等が存在しない極めて特異かつ単純な構成となっています。
CPUのアーキテクチャはおおまかに分けるとプログラムとデータの区別をしないノイマン型と
プログラムとデータを区別するハーバード型に分かれています。
CARD6アーキテクチャではハーバード型をさらに進めて、メモリをc,a,r,dの独立した４つのフィールドに分けて使用します。
このフィールドにはCPUの各レジスタやメモリ、IOポートを制御する信号がをビット単位で格納されます、いわゆるOPコードです。
このフィールドには次に実行するアドレスが格納されます
このフィールドにはOPコードのRETビット(※後述)が有効になったとき
次の次に実行するアドレスが格納されます。
このフィールドにはデータが格納されます。
OPコードの各ビットはメモリのcフィールドあるいはCレジスタの出力端子から出力されて
各レジスタやアドレスセレクタやIOポートを制御します。
そのビット割り当ては次のようになっています。
IO:
このビットが有効なときはメモリではなくIOポートにアクセスします(dフィールドのみ)。
POINTER:
このビットが有効なときはHMLレジスタの出力がメモリアドレスとなり
そうでない場合Aレジスタの出力がメモリアドレスとなります。
RET:
このビットが有効なときは次に実行されるアドレスのaフィールドにRレジスタの値がセットされます。
結果として、このビットが有効になったときに次の命令を実行後、
rフィールドのアドレスにジャンプします。
ST:
このビットが有効なときはメモリのdフィールドにDレジスタの値がセットされます。
LD:
このビットが有効なときはDレジスタにメモリのdフィールドの値がセットされます。
LDH:
このビットが有効なときはHレジスタにメモリのdフィールドの値がセットされます。
LDM:
このビットが有効なときはMレジスタにメモリのdフィールドの値がセットされます。
LDL:
このビットが有効なときはLレジスタにメモリのdフィールドの値がセットされます。
CARD6 CPUは全ての動作を1クロックで完了します。
前半の半サイクルでメモリからレジスタ、後半の半サイクルでレジスタからメモリにデータを移動して完了します。
メモリのaフィールドのアドレスに分岐します。
ただしOPコードのPOINTERビットが有効なときはHMLレジスタの示すアドレスに分岐します。
CARD6 CPUはプログラムカウンタを持っていません。
基本的に逐次処理はメモリのaフィールドに次のアドレスをセットしておくことによりおこなわれます。
１. レジスタにロード
メモリのaフィールドにロードする番地をセットして、rフィールドに次のアドレスをセットして
OPコードのRETビットを有効にするとレジスタに値がセットされて次のアドレスに戻ってきます。
２． dフィールドにストア
メモリのaフィールドにストアする番地をセットして、rフィールドに次のアドレスをセットして
OPコードのSTビットとRETビットを有効にするとDレジスタの値をストアして次のアドレスに戻ってきます。
３． 間接アドレッシング
上記に加えてOPコードのPOINTERビットを有効にすると、メモリアクセスにHMLレジスタの示すアドレスが使われます。
CARD6 CPUは構造が簡単な反面、プログラミング作業は初心者にとって負担が大きくなります
そこで、プログラミングツールとしてアセンブラが用意されています。
page
・・・カレントアドレスをページ(６４バイト)区切りにセットする
section
・・・カレントアドレスをセクション(4096バイト)区切りにセットする
org xxx
・・・カレントアドレスを数値xxxにセットする
equ xxx
・・・ラベルに数値xxxを割り付ける
= xxx
・・・ラベルに数値xxxを割り付ける(equ命令と同等)
read xxx
・・・アドレスxxxのデータを読み出してカレントアドレスのdフィールドにセットする
read@
・・・HMLレジスタで指定されたアドレスのデータを読み出してカレントアドレスのdフィールドにセットする
write xxx
・・・カレントアドレスのdフィールドの内容を指定アドレスxxxのデータフィールドにセットする
write@
・・・カレントアドレスのdフィールドの内容をのHMLレジスタで指定されたアドレスのデータフィールドにセットする
set(h)
・・・カレントアドレスのdフィールドの内容をHレジスタにセットする
set(m)
・・・カレントアドレスのdフィールドの内容をMレジスタにセットする
set(l)
・・・カレントアドレスのdフィールドの内容をLレジスタにセットする
jmp xxx
・・・指定アドレスxxxにジャンプする
jmp@
・・・HMLレジスタで指定されたアドレスにジャンプする
data xxx
・・・数値xxxをカレントアドレスに1バイト(6ビット)セットする
data.b xxx
・・・数値xxxをカレントアドレスに1バイト(6ビット)セットする
data.l xxx(マクロ命令)
・・・数値xxxをカレントアドレスに1ロングワード(18ビット)セットする
move.b xxx,yyy(マクロ命令)
・・・1バイト(6ビット)単位でxxx番地のデータをyyy番地に移動する
move.l xxx,yyy(マクロ命令)
・・・1ロングワード(18ビット)単位でxxx番地のデータをyyy番地に移動する
read @xxx(マクロ命令)
・・・xxx番地に格納されているアドレスのデータを読み込む(マクロ命令)
jmp @xxx(マクロ命令)
・・・xxx番地に格納されているアドレスにジャンプする
set @xxx(マクロ命令)
・・・xxx番地に格納されているアドレスをHMLレジスタにセットする
基本的な演算子の他に以下のような演算子が用意されています。
xxx.h
・・・数値xxxの18ビット中の上位6ビットを与える
xxx.m
・・・数値xxxの18ビット中の中位6ビットを与える
xxx.l
・・・数値xxxの18ビット中の下位6ビットを与える
ppp(h)
・・・アドレスpppの上位6ビットの位置を与える(ppp+2と等価)
ppp(m)
・・・アドレスpppの中位6ビットの位置を与える(ppp+1と等価)
ppp(l)
・・・アドレスpppの下位6ビットの位置を与える(ppp+0と等価)
// アドレスxxxの内容をアドレスyyyにコピーする
read xxx
write yyy
move.b xxx,yyy
move.l xxx,yyy
・
・
・
xxx:
data 0
yyy:
data 1
CARD6 CPUはALUを持っていないので定数テーブル参照を利用することで演算をおこないます。
// アドレスxxxの値を+1する
read inc_table_h
set(h)
read inc_table_m
set(m)
read xxx
set(l)
read@
write xxx
・
・
・
xxx:
data 0
// インクリメント演算用テーブルのアドレス(H)
inc_table_h:
data inc_table.h
// インクリメント演算用テーブルのアドレス(M)
inc_table_m:
data inc_table.m
// アドレス64バイト境界に設定する
page
// インクリメント演算用テーブル
inc_table:
data 1
data 2
data 3
data 4
・
・
・
data 61
data 62
data 63
data 0
二項演算はMレジスタとLレジスタを使って演算処理をおこないます。
// アドレスxxxとyyyの値を加算してxxxにストアする
read add_table_h
set(h)
read xxx
set(m)
read yyy
set(l)
read@
write xxx
・
・
・
xxx:
data 0
// 加算用テーブルのアドレス(H)
add_table_h:
data add_table.h
// アドレス4Kバイト境界に設定する
section
// 加算用テーブル
add_table:
// 0+yyyを計算するテーブル
data 0
data 1
data 2
・
・
・
data 62
data 63
// 1+yyyを計算するテーブル
data 1
data 2
data 3
・
・
・
data 63
data 0
・
・
・
// 63+yyyを計算するテーブル
data 63
data 0
data 1
・
・
・
data 61
data 62
条件分岐も演算同様に分岐先アドレスを格納したテーブルを参照することで条件分岐をおこないます。
// アドレスxxxの内容が0ならyyyにジャンプして1ならzzzにジャンプする
・
・
・
read jump_table_h
set(h)
read jump_table_m
set(m)
read xxx
set(l)
jump@
・
・
・
xxx:
data 0
jump_table_h:
data jump_table.h
jump_table_m:
data jump_table.m
page
jump_table:
jmp yyy
jmp zzz
カレントディレクトリに移動して"./run"と入力するとデバッガが起動します。
CPUのハードウェア制御やエミュレーション、デバッグ、コンパイル等がパソコン上で行えます。
CARD6 CPUボードと接続してハードウェアのデバッグやテストをおこないます。
また、BASICインタプリタを内蔵していて、テスト等を自動で実行することができます。
エミュレーションモードにするとエミュレータが起動して実機がなくてもプログラムを開発・実行することができます。
仮想マシンのエミュレータを起動します、エミュレーションモードよりも高速に動作します。
CARD6 CPUはその構造上、分岐処理とデータ移動処理以外のことはできません。
またハーバードアーキテクチャのため命令とデータを同様に扱うことができません。
そこで、まず仮想マシンを実装して、その仮想マシンを利用することで、ノイマン型のCPUと同様なプログラミングを可能としています。
後述のコンパイラやOS、BASIC等は全てその仮想マシンの命令コードで実装されています。
CARD6 CPUには自作言語のコンパイラが用意されています。
詳細は以下を参照して下さい。
https://github.com/kousoz80/oregengo_R
BASIC言語の仕様は電大版Tiny BASICとほぼ同じです。
https://ja.wikipedia.org/wiki/Tiny_BASIC
RAMディスク上で動作する簡単なOSとそのOSで動くエディタやアセンブラ、コンパイラ等が用意されています。
CARD6 CPUは極めて簡単な構造なのでCPUだけでなくコンピュータ全体が一枚の回路図に収まってしまいます。
動作の様子を動画で公開しています
https://www.youtube.com/watch?v=zzh4TlBwuV4
仮想マシンのイメージファイルです、これがないとエミュレータは動作しません。
アプリケーションのイメージファイルです、コンパイルすると内容は更新されます。
仮想マシンのソースコードが格納されています。
アプリケーションの実行可能ファイルが格納されています。
アプリケーションのソースコード(C言語)が格納されています。
アプリケーション(Java)の実行可能ファイル(jar)が格納されています。
エミュレータまたは実機で動作するアプリケーションのソースコード(自作言語)が格納されています。
アプリケーション等のObjectEditorプロジェクトファイルが格納されています。
※ObjectEditorとは回路図を描くような感覚でプログラムを作成することができる統合開発ツールです。
https://github.com/kousoz80/ObjectEditor
