CPU+コンパイラ自作キャンプの手引き

ComProcWorkshopは半日～1日を想定したイベント

「CPU+コンパイラ自作キャンプ」は数ヶ月の事前準備+数日の泊まり込みを想定したイベント

本ページは自作キャンプの全行程を案内することを目的とする

事前準備

Verilogの練習

6ビットのLEDを好きなビットパターンで光らせる

1秒程度の間隔で点滅させる

脱線ネタ：PWMを使って滑らかに明るさを変えて明滅させる

線形帰還シフトレジスタ（LFSR）で疑似乱数生成器を作り、ボタンを押す度に乱数を生成する

ボタンを押すたびに1ビットずつ乱数を生成する

logic [15:0] lfsr;

6ビットのLEDを1ビットずらし、空いた1ビットに乱数を入れる

メタステーブル

チャタリング

Gowin Analyzer Oscilloscopeを使えるようにする

UART受信回路を書き、受信した8ビット（の下位6ビット）をLEDに表示させる

オンボードUSB-UARTを使えば、変換モジュールを配らなくて済む

FPGA_TX：PIN17

FPGA_RX：PIN18

UART送信回路を書き、エコーバック（PCへ送り返す）

単にエコーバックする

脱線ネタ

何らかの変換をしてエコーバックする

a～zをA～Zに変換して送り返す

文字コードを1だけずらして送り返す（Aを送ったらBを返す）

UARTで送りつけた2つの8ビット値を加算する仕組みを作る

例：0A 05 を送ると 0F が返ってくる

出力先はUART

脱線ネタ

加算器をゲートロジックで組む

XORで半加算器を作り

2個の半加算器で全加算器を作り

7個の全加算器と1個の半加算器で8ビットの加算器を作る

加算と減算を選択できるようにする

「整数」「整数」「演算命令」という3バイトを続けて送る

「演算命令」を受信したら、すでに受信した2つの整数を用いて計算し、結果を出力する

コラム：減算と2の補数

演算結果の出力先としてUARTかLEDを指定する仕組みを作る

「整数」「整数」「演算命令」「書き込み命令」という4バイトを続けて送る

「整数」と「命令」を混同しないための仕組みを考える

例えば「整数」は最上位ビット（bit7）を1、「命令」は最上位ビットを0とする、など。

こうすると、整数の幅が7ビットになってしまうが、仕方ない

プログラムをBRAMに貯めて一気に実行するようにする

命令用のBRAMを導入

BRAMに命令列をため、命令列を受信し終えたら一気に実行する

「命令列の受信完了」を知るための仕組みを考える

例えばこんなやり方がある

A. 命令列の後に送信完了マークを送る

B. 命令列を送る前に命令数を送る

C. 一定時間受信がなければそこで終わったと見なす

何度も加算と減算を繰り返せるようにする

1～10の総和を求めてみる

整数1、整数2、…、整数10、加算命令、出力命令　という命令列を送る

加減算のコンパイラを作る

ここで作るコンパイラは、直接機械語（16進数の文字列）を生成すれば良い

一般的にはコンパイラとアセンブラ（とリンカ）を別々に作ることが多い

コンパイラがアセンブリ言語を出力し、アセンブラが機械語を出力する

乗算をサポートする

演算子の優先順位を意識する

1 + 2 * 3 は (1 + 2) * 3 ではなく 1 + (2 * 3) である

乗算の優先順位を保つ仕組みを考える

途中状態を保存しておく必要性

一般の電卓は前から順に計算してしまう（1+2*3と入力すると結果が9になる）

スタック型か、レジスタ型か

スタックの枯渇に対するケア（枯渇したらどうなるか）

デバッガ（GDBなど）を使ってコンパイラの処理を追いかける

ここまでが事前準備の目安

タクタイルスイッチの読み取りに対応

特別な変数 _SW2 を用意

LEDの表示を変数化

特別な変数 _LED を用意

複文に対応

send文に対応

C言語にはないが、UARTにデータを送る専用の構文として send <expr>; を導入する

変数の読み書きに対応

データ用BRAM

ノイマン型かハーバード型か

命令長の自由度

セキュリティ

動的プログラム生成

暗黙に定義される1文字変数

ベースボードが手に入ってからやる

自動テストを導入

外付けUSB-UART変換モジュールが欲しいのでベースボード入手後にやる

何をテストしているか・していないかを理解する

if文に対応

CPUにどの命令を追加するか、しないか

LTに加えてGTは必要か？