モチベーション

動かしてわかるCPUの作り方10講という本で勉強することになった。せっかくだから学んだことをメモしておきたい。

勉強メモ

第1講

c言語でインラインアセンブラ書ける。拾い物だけど、以下のように書いたら123って出力される(AT&T構文)

#include <stdio.h>
 
int main()
{
  int res = 0;
  __asm__ volatile("movq $0xffffffff0000007b,%%rax"
                  :"=a"(res));
  printf("%d\n", res);
  return 0;
}

GCC : GNU Compiler Collectionの略でで、C、C++、Goとかのコンパイラとかライブラリが入っているもの
gcc hello.cでa.outというバイナリが生成される
gcc -c hello.cとすればhello.oというオブジェクトファイルが生成される
オブジェクトファイルはバイナリの前の中間ファイルで、機械語バイナリ以外にもシンボルテーブルやコメントやメタデータなどが含まれることがある
リンカでオブジェクトファイルどうしをまとめてリンクすると1つのバイナリを生成できる
- a.cとb.cがあり、aがbのメソッドを利用している場合に、a単独ではコンパイルは失敗するが、オブジェクトファイルの生成だけなら失敗しない。その後リンクすればいい。 -アセンブリ言語の文法はシンプル。「命令オペランド1, オペランド2」命令はオペレーションとも呼ばれ、mov、addなど。ニモニック(mnemonic)と呼ばれる。
コンピュータの基本構成はメモリ、CPU、I/O。
コンピュータの5大装置
- 演算装置：CPU
- 制御装置：CPU
- 記憶装置：メモリ
- 入力装置：キーボード
- 出力装置：ディスプレイ
アセンブリ言語は機械語と対応しており、オペレーション(命令)の種類は5大装置と関係がある。演算命令、制御命令などがある。
CPUはALU(Arithmetic Logic Unit)や汎用レジスタなどがか構成される
ALU : 算術論理演算装置。論理演算、加算、減算などを行う。👇はwikipediaの画像。こういうVみたいな記号がちょいちょい出てくる
ALU
レジスタ : CPUなどに入っている記憶素子で、最も高速な記憶装置。機械語を読み込む専用のインストラクション・レジスタ(IR)と汎用レジスタが存在する。

第2講

シンプルな命令セットをもつRISC(Reduced Instruction Set Computer)と複雑なCISC(Complex Instruction Set Computer)がある
- Intel CoreはCISC、Apple SiliconはRISCっぽい
- RISCでは演算命令でメモリにアクセスしないらしい
今回設計するCPUについて
- 命令、オペランドを含めて15bitの固定長命令
  - 命令コードに4bit、オペランド1つに3bit。命令は $2^{4}=16$ 種類、オペランドで汎用レジスタを指定することになるので汎用レジスタの個数は $2^{3}=8$ 個となる。
  - ジャンプ命令の行き先は8bitの絶対アドレスとする。
- データは16bitで表現する。必然的に汎用レジスタやメインメモリのデータ領域のデータ長も16bitになる。ALUも16bitが基本サイズ(?)
- ハーバードアーキテクチャを採用。ノイマン型アーキテクチャは単一メモリ方式（命令とデータをどちらも同じメモリに柔軟に配置）。対してハーバードアーキテクチャでは命令とデータをそれぞれ別のメモリに配置するようにする。（キャッシュへの経路を2つ用意する）参考
- レジスタとメインメモリ間のデータ転送は
  - インストラクションレジスタ↔プログラム領域
  - 汎用レジスタ↔データ領域
  - で行われるが、今回命令長は15bit、データ長は16bitとしてので、1bit違う。なので楽に実装するためにこれらを別のデータバスとして扱うハーバードアーキテクチャにする。
- メモリマップドI/Oを採用。入出力装置のコマンドレジスタとデータレジスタを直接見る（I/Oマップド）のではなく、入出力装置に命令を出す際も他と同様にメインメモリを利用する。メモリマップドI/Oでは、アセンブリ言語で書いた際にI/Oのために特別な命令を使わないのでI/O接続していることがわかりづらい。参考