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イメージ付きのレビュー
FPGAを使って実際に動作するミニマムARMコアを作る醍醐味が味わえます
CPUを自作することをテーマにした本を２冊ほど買っていましたが、この本でやっと実際に動作するCPUをFPGAを使って作ることができました。実際にFPGAを使ってCPUを動作させてみることでより理解が深まりますので、少々お金はかかりますが、是非FPGA開発キットを入手して実際に動くCPUを作ってみることをお勧めします。お手頃なボードとしてはAltera社のCyclone Vを搭載したDE0-CVがお勧めです。Amazonでもマルツオンラインの出展品が買えますが、マルツオンラインから直接買った方が安いです。さて中身ですが、１章・2章はディジタル回路の基礎で、ある程度は分かっていた内容なのでざっと読み飛ばしました。ブール代数を使った論理圧縮の手法は知っておいた方が良いのですが、今時ならHDLのコンパイラで最適化ができると思い、この辺りも読み飛ばしてしまいました。4章のハードウェア記述言語(HDL)の解説は非常に分かりやすく、じっくりと読み込みました。これまでVerilog HDLを少しかじったことがある程度の予備知識はありましたが、組み合わせ回路や順序回路の記述など、後の章で実際にFPGAを使ってCPUを作るのに必要な知識が一通り取得できます。本書はHDLとしてSystem VerilogとVHDLの二本立てで解説がなされていますが、System VerilogではVerilogの分かりづらかった部分が明快になり（例えば、regとwireの使い分けがlogicで一元化されたり、フリップフロップや組み合わせ回路を明示的に記述できるなど）実際にFPGAで回路を記述する際に役立ちました。まだ参考書を探すとVerilogの本が主流でSystem Verilogに関する書籍は少ないですが、この章だけでかなりのことが学べます。５章はまたざっと読み飛ばして、６章のARM CPUのアーキを概観した後、７章で実際にHDL（私はSystem Verilogを使いました）を使ってCPUの回路を記述します。ここはじっくりと時間をかけて読み進めました。CPUを構成するビルディングブロックを、プログラムカウンター・命令フェッチ・レジスタファイル・ALU・データメモリー/レジスタへのライトバックと順を追って丁寧に解説してあり、CPUを構成するビルディングブロックがどのように構成されているかがよく分かります。実際に７種類（ADD/SUB/AND/OR/LDR/STR/BL）の命令を実行できるARMコアを作るのですが、以下に示す３つ実装例が具体的な動作ロジックの説明や図解で丁寧に解説されています。1) もっとも単純な順序回路をベースとしたシングルサイクル動作の実装（１クロックで、命令のフェッチ・デコード・演算までを行い、次のクロックで結果のライトバックと次命令のフェッチを並列して行うため、実質的に１クロックで１命令が実行できる）。この実装はHDLのコードが書籍に記載されているので実際に手入力で打ち込んで動作させてみました。Alteraの開発環境(Quartus Prime)は初めて使うため、開発環境への習熟期間もかかりましたが、入力ミスで思い通り動かない回路を論理シミュレーションでデバックすることで実際の動作がより理解できました。2) 次に、ステートマシンを使ったマルチサイクル動作のCPUに関する解説があります。こちらは命令フェッチ・デコード・実行・ライトッバクをシーケンス動作で実行するモデルに従った実装を行います。ロジックの考え方やブロック図の記載はありますが、HDLを使った実装は演習問題となっており、本書には記載がありません。最初は自力でコーディングしてみたのですがうまく動かせず、奇数番号の演習問題は回答がネットで公開されているため、（この演習は奇数番号なので）ネットの回答をカンニングして動かしてみました。基本的な考え方は間違っていなかったのですが、ステートマシンの状態記述に網羅性がなく状態の定義に漏れがあったことが回答を見て分かりました。是非、まずは自力で動かしてみることにチャレンジすると理解が深まります。3) 最後は、パイプライン動作の実装を行います。こちらも基本的な考え方やブロック図の記載はありますが、実装は演習問題になっておりHDLコードの記載はありません。また、この演習問題は偶数番号でネットの回答例もないため、頑張って自力で実装して動作させることができました。パイプライン動作の基本は知っていましたが、依存性のある連続した命令（一つ前の演算結果を次の命令で使用する場合など）の解決方法としてフォワーディングというテクニックが記載されており、これはこの本で初めて知りました。あと、分岐命令でパイプラインがストールした際の制御に関しても解説があり、実際にFPGAで動作させることによって理解が深まります。このように、FPGAを使って実際に動くCPUを作るステップを詳細に記載した稀少かつ非常に有意義な書籍です。コンピューターアーキテクチャーには元々興味があったのですが、実際に動くCPUを作ることでアーキテクチャーの理解がより深まりました。FPGA開発キットと合わせると少々お高いですが、その価値は十分あります。元々大学の教科書として作られているため演習問題がたくさんありましすが、上記2)3)のCPUを動作させる演習問題以外はほとんど出来ていません。今時のコンピューターサイエンスを専攻している学生さんは、学生時代に自分で動くCPUが作れるなんてすごい時代になったなと思いました。写真は、実際にパイプライン動作（ループのため分岐が多く、ストールしまくっていますが）で動かしているDE0-CVで作ったCPUの動作イメージです。
上位レビュー、対象国： 日本
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2016年7月22日に日本でレビュー済み
CPUを自作することをテーマにした本を２冊ほど買っていましたが、この本でやっと実際に動作するCPUをFPGAを使って作ることができました。実際にFPGAを使ってCPUを動作させてみることでより理解が深まりますので、少々お金はかかりますが、是非FPGA開発キットを入手して実際に動くCPUを作ってみることをお勧めします。お手頃なボードとしてはAltera社のCyclone Vを搭載したDE0-CVがお勧めです。Amazonでもマルツオンラインの出展品が買えますが、マルツオンラインから直接買った方が安いです。
さて中身ですが、１章・2章はディジタル回路の基礎で、ある程度は分かっていた内容なのでざっと読み飛ばしました。ブール代数を使った論理圧縮の手法は知っておいた方が良いのですが、今時ならHDLのコンパイラで最適化ができると思い、この辺りも読み飛ばしてしまいました。
4章のハードウェア記述言語(HDL)の解説は非常に分かりやすく、じっくりと読み込みました。これまでVerilog HDLを少しかじったことがある程度の予備知識はありましたが、組み合わせ回路や順序回路の記述など、後の章で実際にFPGAを使ってCPUを作るのに必要な知識が一通り取得できます。本書はHDLとしてSystem VerilogとVHDLの二本立てで解説がなされていますが、System VerilogではVerilogの分かりづらかった部分が明快になり（例えば、regとwireの使い分けがlogicで一元化されたり、フリップフロップや組み合わせ回路を明示的に記述できるなど）実際にFPGAで回路を記述する際に役立ちました。まだ参考書を探すとVerilogの本が主流でSystem Verilogに関する書籍は少ないですが、この章だけでかなりのことが学べます。
５章はまたざっと読み飛ばして、６章のARM CPUのアーキを概観した後、７章で実際にHDL（私はSystem Verilogを使いました）を使ってCPUの回路を記述します。ここはじっくりと時間をかけて読み進めました。CPUを構成するビルディングブロックを、プログラムカウンター・命令フェッチ・レジスタファイル・ALU・データメモリー/レジスタへのライトバックと順を追って丁寧に解説してあり、CPUを構成するビルディングブロックがどのように構成されているかがよく分かります。
実際に７種類（ADD/SUB/AND/OR/LDR/STR/BL）の命令を実行できるARMコアを作るのですが、以下に示す３つ実装例が具体的な動作ロジックの説明や図解で丁寧に解説されています。
1) もっとも単純な順序回路をベースとしたシングルサイクル動作の実装（１クロックで、命令のフェッチ・デコード・演算までを行い、次のクロックで結果のライトバックと次命令のフェッチを並列して行うため、実質的に１クロックで１命令が実行できる）。この実装はHDLのコードが書籍に記載されているので実際に手入力で打ち込んで動作させてみました。Alteraの開発環境(Quartus Prime)は初めて使うため、開発環境への習熟期間もかかりましたが、入力ミスで思い通り動かない回路を論理シミュレーションでデバックすることで実際の動作がより理解できました。
2) 次に、ステートマシンを使ったマルチサイクル動作のCPUに関する解説があります。こちらは命令フェッチ・デコード・実行・ライトッバクをシーケンス動作で実行するモデルに従った実装を行います。ロジックの考え方やブロック図の記載はありますが、HDLを使った実装は演習問題となっており、本書には記載がありません。最初は自力でコーディングしてみたのですがうまく動かせず、奇数番号の演習問題は回答がネットで公開されているため、（この演習は奇数番号なので）ネットの回答をカンニングして動かしてみました。基本的な考え方は間違っていなかったのですが、ステートマシンの状態記述に網羅性がなく状態の定義に漏れがあったことが回答を見て分かりました。是非、まずは自力で動かしてみることにチャレンジすると理解が深まります。
3) 最後は、パイプライン動作の実装を行います。こちらも基本的な考え方やブロック図の記載はありますが、実装は演習問題になっておりHDLコードの記載はありません。また、この演習問題は偶数番号でネットの回答例もないため、頑張って自力で実装して動作させることができました。パイプライン動作の基本は知っていましたが、依存性のある連続した命令（一つ前の演算結果を次の命令で使用する場合など）の解決方法としてフォワーディングというテクニックが記載されており、これはこの本で初めて知りました。あと、分岐命令でパイプラインがストールした際の制御に関しても解説があり、実際にFPGAで動作させることによって理解が深まります。
このように、FPGAを使って実際に動くCPUを作るステップを詳細に記載した稀少かつ非常に有意義な書籍です。コンピューターアーキテクチャーには元々興味があったのですが、実際に動くCPUを作ることでアーキテクチャーの理解がより深まりました。FPGA開発キットと合わせると少々お高いですが、その価値は十分あります。元々大学の教科書として作られているため演習問題がたくさんありましすが、上記2)3)のCPUを動作させる演習問題以外はほとんど出来ていません。今時のコンピューターサイエンスを専攻している学生さんは、学生時代に自分で動くCPUが作れるなんてすごい時代になったなと思いました。
写真は、実際にパイプライン動作（ループのため分岐が多く、ストールしまくっていますが）で動かしているDE0-CVで作ったCPUの動作イメージです。
さて中身ですが、１章・2章はディジタル回路の基礎で、ある程度は分かっていた内容なのでざっと読み飛ばしました。ブール代数を使った論理圧縮の手法は知っておいた方が良いのですが、今時ならHDLのコンパイラで最適化ができると思い、この辺りも読み飛ばしてしまいました。
4章のハードウェア記述言語(HDL)の解説は非常に分かりやすく、じっくりと読み込みました。これまでVerilog HDLを少しかじったことがある程度の予備知識はありましたが、組み合わせ回路や順序回路の記述など、後の章で実際にFPGAを使ってCPUを作るのに必要な知識が一通り取得できます。本書はHDLとしてSystem VerilogとVHDLの二本立てで解説がなされていますが、System VerilogではVerilogの分かりづらかった部分が明快になり（例えば、regとwireの使い分けがlogicで一元化されたり、フリップフロップや組み合わせ回路を明示的に記述できるなど）実際にFPGAで回路を記述する際に役立ちました。まだ参考書を探すとVerilogの本が主流でSystem Verilogに関する書籍は少ないですが、この章だけでかなりのことが学べます。
５章はまたざっと読み飛ばして、６章のARM CPUのアーキを概観した後、７章で実際にHDL（私はSystem Verilogを使いました）を使ってCPUの回路を記述します。ここはじっくりと時間をかけて読み進めました。CPUを構成するビルディングブロックを、プログラムカウンター・命令フェッチ・レジスタファイル・ALU・データメモリー/レジスタへのライトバックと順を追って丁寧に解説してあり、CPUを構成するビルディングブロックがどのように構成されているかがよく分かります。
実際に７種類（ADD/SUB/AND/OR/LDR/STR/BL）の命令を実行できるARMコアを作るのですが、以下に示す３つ実装例が具体的な動作ロジックの説明や図解で丁寧に解説されています。
1) もっとも単純な順序回路をベースとしたシングルサイクル動作の実装（１クロックで、命令のフェッチ・デコード・演算までを行い、次のクロックで結果のライトバックと次命令のフェッチを並列して行うため、実質的に１クロックで１命令が実行できる）。この実装はHDLのコードが書籍に記載されているので実際に手入力で打ち込んで動作させてみました。Alteraの開発環境(Quartus Prime)は初めて使うため、開発環境への習熟期間もかかりましたが、入力ミスで思い通り動かない回路を論理シミュレーションでデバックすることで実際の動作がより理解できました。
2) 次に、ステートマシンを使ったマルチサイクル動作のCPUに関する解説があります。こちらは命令フェッチ・デコード・実行・ライトッバクをシーケンス動作で実行するモデルに従った実装を行います。ロジックの考え方やブロック図の記載はありますが、HDLを使った実装は演習問題となっており、本書には記載がありません。最初は自力でコーディングしてみたのですがうまく動かせず、奇数番号の演習問題は回答がネットで公開されているため、（この演習は奇数番号なので）ネットの回答をカンニングして動かしてみました。基本的な考え方は間違っていなかったのですが、ステートマシンの状態記述に網羅性がなく状態の定義に漏れがあったことが回答を見て分かりました。是非、まずは自力で動かしてみることにチャレンジすると理解が深まります。
3) 最後は、パイプライン動作の実装を行います。こちらも基本的な考え方やブロック図の記載はありますが、実装は演習問題になっておりHDLコードの記載はありません。また、この演習問題は偶数番号でネットの回答例もないため、頑張って自力で実装して動作させることができました。パイプライン動作の基本は知っていましたが、依存性のある連続した命令（一つ前の演算結果を次の命令で使用する場合など）の解決方法としてフォワーディングというテクニックが記載されており、これはこの本で初めて知りました。あと、分岐命令でパイプラインがストールした際の制御に関しても解説があり、実際にFPGAで動作させることによって理解が深まります。
このように、FPGAを使って実際に動くCPUを作るステップを詳細に記載した稀少かつ非常に有意義な書籍です。コンピューターアーキテクチャーには元々興味があったのですが、実際に動くCPUを作ることでアーキテクチャーの理解がより深まりました。FPGA開発キットと合わせると少々お高いですが、その価値は十分あります。元々大学の教科書として作られているため演習問題がたくさんありましすが、上記2)3)のCPUを動作させる演習問題以外はほとんど出来ていません。今時のコンピューターサイエンスを専攻している学生さんは、学生時代に自分で動くCPUが作れるなんてすごい時代になったなと思いました。
写真は、実際にパイプライン動作（ループのため分岐が多く、ストールしまくっていますが）で動かしているDE0-CVで作ったCPUの動作イメージです。
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