VHDLによるCPUの設計(4)

シンプルなCPUを作ってみよう　（その４）

　－より実用的なCPUを目指して－

井澤　裕司　

１．はじめに

第２章と第３章では，極めてシンプルな構成の CPU設計について解説しました．
この設計では，タイミング系が単純になる方針を優先させたため，メモリ（ROMとRAM）を中心に
実用的ではない構成（回路記述）が含まれています．

例えば，フェッチブロックの " fetch.vhd " では，プログラムの ROM（PROM）のデータをVHDLの中で記述しています．
しかし，回路系と ROM のデータは完全に分離し，外部ファイルから ROMデータを組み込むのが一般的な方法です．

VHDLの開発ツールは，FPGAを製品化しているいくつかのメーカーから無償で提供されています．
それらのシステムには，” メガファンクション ”等の名称で， ROM や RAM をはじめとする高度な機能をもつ
ライブラリが数多く用意されています．
このライブラリを使用することにより，外部ファイルからROMデータを組込むことが可能となります．

一方の RAM については，前回の設計ではレジスタと同様に複数の D型フリップフロップを用いました．
すなわち，ライトバックブロックの出力をデコードブロックで選択する構成となっています．
しかし，メモリサイズが増えると， " signal " 文で指定する内部信号の数が指数関数的に増えてしまい，
実用的ではありません．
この RAM には，VHDLの配列（ARRAY）表現を用いることにします．

このような内容を中心に，本章ではより実用的なCPUの設計法について解説します．

２．新しいCPUの構成

下の図に，新たに設計するCPUのブロック構成と各部の信号名を示します．

PROM に「メガファンクション」， RAM に配列を用いている点が，これまでの設計と異なります．

「メガファンクション」は，ALTERA社が提供するVHDL開発ツール「 QuatusⅡ 」が提供するライブラリであり，
PROM のデータを mif形式の外部ファイルからロードすることが可能です．
PROMのブロックでは，2種類のクロック ( CLK_WB_DLY ， CLK_FT ) を用いている点に注意して下さい．
その理由については，本章の3．3で詳しく説明します．

また，RAM部はVHDLの配列（ARRAY）を用いて記述しています．
これにより，従来2つのコンポーネントにより記述していたRAMの回路は，1つのコンポーネント（ram）に統合されます．

３．メガファンクションを用いたROMの構成

本節では，メガファンクションを用いた ROM の記述法について解説します．

このメガファンクションは，VHDLの開発ツールに依存する内容を多く含んでおり，
今回は，ALTERA社が無償で提供している ”QuartusⅡ”（Web Edition）を用いた例を示します．
そのソースコードは，メガファンクション・ウィザードを起動することにより，自動的に生成されます．
下の例は，ALTERA社の FLEX10KE というデバイスを用いた場合のもので，他のデバイスでは
動作しませんので，注意が必要です．

なお，他の開発ツールを用いた場合，別の記述法が必要になりますので，注意して下さい．

３．１　ROMの記述例

ALTERA社の開発ツール”QuartusⅡ”(Web Edition)のメガファンクションを用いて，
ROMの回路とデータを記述することができます．

メガファンクション・ウィザードを立ち上げ，ROMの仕様（アドレスやデータサイズ等）を設定することにより，
以下のようなソースコードが自動的に出力されます．
その具体的な方法は，上記システムのHELPを参照して下さい．

prom.vhd

-- magafunction wizard: %LPM_ROM%
-- GENERATION: STANDARD
-- VERSION: WM1.0
-- MODULE: lpm_rom

-- 　　　(以下略)

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all ;

library lpm;
use lpm.lpm_components.all ;

entity prom is

port (

address : in std_logic_vector(3 downto 0);

inclock : in std_logic;

outclock : in std_logic;

q : out std_logic_vector(14 downto 0)

);

end prom;

architecture SYN of prom is

signal sub_wire0 : std_logic_vector(14 downto 0);

component lpm_rom

GENERIC (

intended_device_family : string;

　　　 (略)

lpm_type : string;

) ;

port (

outclock : in std_logic ;

address : in std_logic_vector(3 downto 0);

inclock : in std_logic ;

q : out std_logic_vector(14 downto 0)

);

end component ;

begin

q <= sub_wire0(14 downto 0);

lpm_rom_component : lpm_rom

GENERIC MAP (

intended_device_family => "FLEX10KE" ,

lpm_width => 15,

lpm_widthad => 4,

lpm_address_control => "REGISTERED" ,

lpm_outdata => "REGISTERED" ,

lpm_file => "prom.mif" ,

lpm_type => "LPM_ROM"

)

port map (

outclock => outclock,

address => address,

inclock => inclock,

q => sub_wire0

);

end SYN;

-- CNX file retrival info
-- 　　　　　　(以下略)

３．２　ROMデータの記述例

ROMのデータは，以下に示すファイル "prom.mif" を用いて記述します．

-- prom.mif
-- 15bit RISC processor
-- cpu15h.vhd
-- Y.Izawa
-- H18.4.10

depth = 16;
width = 15;
address_radix = HEX;
data_radix = Bin;

content

begin

[00..0F] 　　 : 000000000000000;

　 00 : 100000000000000; -- ldl Reg0 0

01 : 100000100000001; -- ldl Reg1 1

02 : 100001000000000; -- ldl Reg2 0

03 : 100001100001010; -- ldl Reg3 10

　 04 : 000101000100000; -- add Reg2 Reg1

05 : 000100001000000; -- add Reg0 Reg2

06 : 101001001100000; -- cmp Reg2 Reg3

07 : 101100000001001; -- je 9

08 : 110000000000100; -- jmp 4

09 : 111000001000000; -- st Reg0 64

0A : 111100000000000; -- hlt

0B : 000000000000000; -- nop

0C : 000000000000000; -- nop

0D : 000000000000000; -- nop

0E : 000000000000000; -- nop

0F : 000000000000000; -- nop

end;

３．３　メガファンクション”ROM”のクロック生成

メガファンクションを用いる際に注意すべき事項があります．

”QuartusⅡ”(Web Edition)のメガファンクションROMの場合，アドレスの書き込みクロックと，
データの読み込みクロックの2種類が必要になります．
これらを同じクロックで実行させると，アドレス入力後さらに１クロック遅延してROMのデータが出力されてしまい，
CPUは正常に動作しません．

フェッチのフェーズで，アドレス入力とデータの読み出しを一括して行うためには，
CLK_FT の立ち上りより，クロックの半周期前で立ち上る，もう1つのクロックを生成する必要があります．
これを実現するため，位相が１つ前にあるクロック CLK_WB を遅延させます．
以下に示す ”clk_dly.vhd” は，入力 Din を基本クロックの半周期だけ遅延して QOUT として出力する回路です．
半周期遅延させるため，基本クロック CLK の立ち下りエッジを用いている点に注意して下さい．

clk_dly.vhd

-- clk_dly.vhd
-- Y.Izawa
-- H18.4.10

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity clk_dly is

port (

CLK : in std_logic;

Din : in std_logic;

QOUT : out std_logic

);

end clk_dly;

architecture RTL of clk_dly is

begin

process (CLK)

begin

if (CLK'event and CLK = '0') then

　　　 QOUT <= Din ;

end if ;

end process ;

end RTL;

４．　RAMの配列（ARRAY）による表現

先に述べたように，RAMは配列を用いて，効率的に記述します．

配列を用いた場合，そのインデックスがRAMのアドレスに対応します．
また，フェッチブロックのアドレス出力を直接RAMのアドレスに入力し，RAMへの書き込みは，
ライトバックのフェーズで行います．

これにより，コンポーネント間の信号の受け渡しが単純化され，大容量化にも対応できます．

配列を用いた一般的なRAMの構成による記述例を以下に示します．
なお，書き込み時以外は常に読み出しモードとなり，アドレスを与えればRAMのアクセス時間の後に
データが出力されることに注意して下さい．

ram.vhd

-- ram.vhd
-- Y.Izawa
-- H18.4.3

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity ram is

port (

CLK_WB : in std_logic ;

RAM_WEN : in std_logic;

ADDR : in std_logic_vector (6 downto 0);

DATA_in : in std_logic_vector (15 downto 0);

DATA_OUT : out std_logic_vector (15 downto 0);

IO65_in : in std_logic_vector (15 downto 0);

IO64_OUT : out std_logic_vector (15 downto 0)

);

end ram;

architecture BEHAVIOR of ram is

subtype RAMWORD is std_logic_vector(15 downto 0);
type RAMARRAY is array (0 to 7) of RAMWORD;

signal RAMDATA : RAMARRAY;
signal ADR_IN 　: integer range 0 to 65;

begin

ADR_IN <= conv_integer(ADDR);

process (CLK_WB)

begin

if (CLK_WB'event and CLK_WB = '1') then

if (RAM_WEN = '1') then

if (ADDR(6) = '0') then

RAMDATA(ADR_IN) <= DATA_in;

elsif (ADR_IN = 64) then

IO64_OUT <= DATA_in;

end if ;

end if ;

end if ;

end process ;

process (RAM_WEN)

begin

if ( RAM_WEN = '0') then

if (ADDR(6) = '0') then

DATA_OUT <= RAMDATA(ADR_IN);

elsif (ADR_IN = 65) then

DATA_OUT <= IO65_in;

else

DATA_OUT <= ( others => '0');

end if;

end if;

end process ;

end BEHAVIOR;

５.　新構成CPUの記述例

前節のROMやRAMを用いると，以下に示すソースコードのように記述することができます．

前章までの記述に対し，どのように変更されているか，注意して眺めて下さい．

新構成CPUのソースコード（ cpu15h.vhd ）

-- cpu15h.vhd
-- Y.Izawa
-- H18.4.10

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity cpu15h is

port
(

CLK : in std_logic;

RESET : in std_logic;

IO65_in : in std_logic_vector (15 downto 0);

IO64_OUT : out std_logic_vector (15 downto 0)

);

end cpu15h;

architecture RTL of cpu15h is

component 　 clk_gen

（略）

end component;

component clk_dly

port

(

CLK : in std_logic;

Din : in std_logic;

QOUT : out std_logic

);

end component;

component 　 prom

port

(

address : in std_logic_vector(3 downto 0);

inclock : in std_logic;

outclock : in std_logic;

q : out std_logic _vector(14 downto 0)

);

end component;

component 　 decode

（略）

end component;

component 　 reg_dc

（略）

end component;

component 　 exec

（略）

end component;

component 　 reg_wb

（略）

end component

component 　 ram

port
(

CLK_WB : in std_logic;

RAM_WEN : in std_logic ;

ADDR : in std_logic_vector (6 downto 0);

DATA_in : in std_logic _vector (15 downto 0);

DATA_OUT : out std_logic_vector (15 downto 0);

IO65_in : in std_logic_vector (15 downto 0);

IO64_OUT : out std_logic_vector (15 downto 0)

);

end component;

signal CLK_FT : std_logic;

signal CLK_DC : std_logic;

signal CLK_EX : std_logic;

signal CLK_WB : std_logic;

signal CLK_WB_DLY : std_logic;

signal P_COUNT : std_logic_vector (7 downto 0);

signal PROM_OUT : std_logic_vector (14 downto 0);

signal OP_CODE : std_logic_vector (3 downto 0);

signal OP_DATA : std_logic_vector (7 downto 0);

signal N_REG_A : std_logic_vector (2 downto 0);

signal N_REG_B : std_logic_vector (2 downto 0);

signal REG_in : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_A : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_B : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_WEN : std_logic;

signal REG_0 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_1 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_2 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_3 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_4 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_5 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_6 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal REG_7 : std_logic_vector (15 downto 0);

signal RAM_in : std_logic_vector (15 downto 0);

signal RAM_OUT : std_logic_vector (15 downto 0);

signal RAM_WEN : std_logic ;

begin

C1 : clk_gen port map (CLK, CLK_FT, CLK_DC, CLK_EX, CLK_WB);

C2 : clk_dly port map (CLK, CLK_WB, CLK_WB_DLY);

C3 : prom port map (P_COUNT(3 downto 0), CLK_WB_DLY, CLK_FT,

PROM_OUT);

C4 : decode port map (CLK_DC, PROM_OUT, OP_CODE, OP_DATA );

C5 : reg_dc port map (CLK_DC, REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,

　　　　　REG_4, REG_5, REG_6, REG_7,

　　　 PROM_OUT(10 downto 8）, N_REG_A, REG_A);

C6 : reg_dc port map (CLK_DC, REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,

　　　　　REG_4, REG_5, REG_6, REG_7,

　　　　　 PROM_OUT(7 downto 5）, N_REG_B, REG_B);

C7 : exec port map (CLK_EX,　RESET, OP_CODE, P_COUNT,

　　　　　REG_A, REG_B, OP_DATA, RAM_OUT, P_COUNT,

　　　　　REG_in, RAM_in, REG_WEN, RAM_WEN);

C8 : reg_wb port map (CLK_WB, N_REG_A, REG_in, REG_WEN,

　　　　　REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,

　　　　　REG_4, REG_5, REG_6, REG_7);

C9 : ram port map (CLK_WB, RAM_WEN, OP_DATA(6 downto 0),

　　　　　RAM_in, RAM_OUT, IO65_in, IO64_OUT);

end RTL;

６．　まとめ

本章では，より実用的な CPUを実現するため，メモリすなわち ROMとRAM の設計法について解説してきました．
設計したVHDLをFPGA上で動作させるため，今回はメモリサイズの上限を ROM，RAMともに 256 ワードとしました．

しかし，実用的なプログラムを動作させるためには，このメモリサイズでは不足するでしょう．
その場合は，命令コードの見直しが必要です．

例えば， ROM のメモリサイズについては，簡単に 8倍の 2048ワードに拡張することが可能です．
命令コードの表より明らかなように， Jump 関連の命令では，15bit のうち 11～8 の 3bit を使用していません．
このため，プログラムカウンタ（PC）で表されるアドレスを 3bit 追加し， 11bit に拡張することができます．

一方， RAM のメモリサイズについては，一工夫必要です．
メモリとレジスタ間の命令は，ロード ( LD ) とストア ( ST ) で， 8個のレジスタを
オペランドの 11～8 の 3bit で指定します．
この部分で，ロードとストア命令のレジスタを，例えば Reg0 に固定してしまえば， ROM と同じように
アドレスは 11bit となり， 8倍の 2048 ワードに拡張することが可能です．

11bit でも足りないという場合は，15bit という命令コード長の見直しが必要となりますが，
RAM の場合は，アドレスの上位bit を別命令もしくは，特定のレジスタで指定する方法もあります．
また，インテルの x86 シリーズのように，セグメントレジスタを新たに設け，オペランドとの和でアドレスを決定する
方法も考えられます．

また，性能が足りない用途では，高速化手法を導入することも可能です．
例えば，各ブロックのタイミングを互いにオーバラップさせる「パイプライン処理」を実現することも可能です．
すなわち，フェッチ，デコード，実行，ライトバックの4つの処理を，ベルトコンベアによる流れ作業により
高速化する手法で，理想的には見かけ上 1クロックで1つの命令を実行することが可能です．
この「パイプライン処理」については，次の第５章で紹介します．

また，アセンブリ言語によるプログラムを開発するツールも用意する必要があるでしょう．
これらについては，第６章で説明します．

=>　「シンプルなCPUを作ってみよう」　トップページに戻る．

entity prom is
	port (
		address	:	in	std_logic_vector(3 downto 0);
		inclock	:	in	std_logic;
		outclock	:	in	std_logic;
		q	:	out	std_logic_vector(14 downto 0)
	);
end prom;

architecture SYN of prom is
	signal sub_wire0 : std_logic_vector(14 downto 0);
	component lpm_rom
	GENERIC (
		intended_device_family			:	string;
		(略)
		lpm_type			:	string;
	) ;
	port (
		outclock	:	in	std_logic ;
		address	:	in	std_logic_vector(3 downto 0);
		inclock	:	in	std_logic ;
		q	:	out	std_logic_vector(14 downto 0)
	);
	end component ;

begin
	q <= sub_wire0(14 downto 0);
	lpm_rom_component : lpm_rom
	GENERIC MAP (
		intended_device_family => "FLEX10KE" ,
		lpm_width => 15,
		lpm_widthad => 4,
		lpm_address_control => "REGISTERED" ,
		lpm_outdata => "REGISTERED" ,
		lpm_file => "prom.mif" ,
		lpm_type => "LPM_ROM"
	)
	port map (
		outclock => outclock,
		address => address,
		inclock => inclock,
		q => sub_wire0
	);
end SYN;

content
	begin
[00..0F]		:	000000000000000;
	00	:	100000000000000;	-- ldl	Reg0	0
	01	:	100000100000001;	-- ldl	Reg1	1
	02	:	100001000000000;	-- ldl	Reg2	0
	03	:	100001100001010;	-- ldl	Reg3	10
	04	:	000101000100000;	-- add	Reg2	Reg1
	05	:	000100001000000;	-- add	Reg0	Reg2
	06	:	101001001100000;	-- cmp	Reg2	Reg3
	07	:	101100000001001;	-- je	9
	08	:	110000000000100;	-- jmp	4
	09	:	111000001000000;	-- st	Reg0	64
	0A	:	111100000000000;	-- hlt
	0B	:	000000000000000;	-- nop
	0C	:	000000000000000;	-- nop
	0D	:	000000000000000;	-- nop
	0E	:	000000000000000;	-- nop
	0F	:	000000000000000;	-- nop
end;

entity clk_dly is
	port (
		CLK	:	in	std_logic;
		Din	:	in	std_logic;
		QOUT	:	out	std_logic
	);
end clk_dly;

begin
	process (CLK)
	begin
		if (CLK'event and CLK = '0') then
		QOUT <= Din ;
		end if ;
	end process ;
end RTL;

entity ram is
	port (
		CLK_WB	:	in	std_logic ;
		RAM_WEN	:	in	std_logic;
		ADDR	:	in	std_logic_vector (6 downto 0);
		DATA_in	:	in	std_logic_vector (15 downto 0);
		DATA_OUT	:	out	std_logic_vector (15 downto 0);
		IO65_in	:	in	std_logic_vector (15 downto 0);
		IO64_OUT	:	out	std_logic_vector (15 downto 0)
	);
end ram;

begin
	ADR_IN <= conv_integer(ADDR);
	process (CLK_WB)
	begin
		if (CLK_WB'event and CLK_WB = '1') then
			if (RAM_WEN = '1') then
				if (ADDR(6) = '0') then
					RAMDATA(ADR_IN) <= DATA_in;
				elsif (ADR_IN = 64) then
					IO64_OUT <= DATA_in;
				end if ;
			end if ;
		end if ;
	end process ;

	process (RAM_WEN)
	begin
		if ( RAM_WEN = '0') then
			if (ADDR(6) = '0') then
				DATA_OUT <= RAMDATA(ADR_IN);
			elsif (ADR_IN = 65) then
				DATA_OUT <= IO65_in;
			else
				DATA_OUT <= ( others => '0');
			end if;
		end if;
	end process ;
end BEHAVIOR;

port (
	CLK	:	in	std_logic;
	RESET	:	in	std_logic;
	IO65_in	:	in	std_logic_vector (15 downto 0);
	IO64_OUT	:	out	std_logic_vector (15 downto 0)
);

component clk_dly
	port
	(
	CLK	:	in	std_logic;
	Din	:	in	std_logic;
	QOUT	:	out	std_logic
	);
end component;

component 　 prom
	port
	(
	address	:	in	std_logic_vector(3 downto 0);
	inclock	:	in	std_logic;
	outclock	:	in	std_logic;
	q	:	out	std_logic _vector(14 downto 0)
	);
end component;

component 　 ram
	port (
		CLK_WB	:	in	std_logic;
		RAM_WEN	:	in	std_logic ;
		ADDR	:	in	std_logic_vector (6 downto 0);
		DATA_in	:	in	std_logic _vector (15 downto 0);
		DATA_OUT	:	out	std_logic_vector (15 downto 0);
		IO65_in	:	in	std_logic_vector (15 downto 0);
		IO64_OUT	:	out	std_logic_vector (15 downto 0)
	);
end component;

signal	CLK_FT	:	std_logic;
signal	CLK_DC	:	std_logic;
signal	CLK_EX	:	std_logic;
signal	CLK_WB	:	std_logic;
signal	CLK_WB_DLY	:	std_logic;
signal	P_COUNT	:	std_logic_vector (7 downto 0);
signal	PROM_OUT	:	std_logic_vector (14 downto 0);
signal	OP_CODE	:	std_logic_vector (3 downto 0);
signal	OP_DATA	:	std_logic_vector (7 downto 0);
signal	N_REG_A	:	std_logic_vector (2 downto 0);
signal	N_REG_B	:	std_logic_vector (2 downto 0);
signal	REG_in	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_A	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_B	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_WEN	:	std_logic;
signal	REG_0	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_1	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_2	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_3	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_4	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_5	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_6	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	REG_7	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	RAM_in	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	RAM_OUT	:	std_logic_vector (15 downto 0);
signal	RAM_WEN	:	std_logic ;

	begin

		C1	:	clk_gen port map (CLK, CLK_FT, CLK_DC, CLK_EX, CLK_WB);
		C2	:	clk_dly port map (CLK, CLK_WB, CLK_WB_DLY);
		C3	:	prom port map (P_COUNT(3 downto 0), CLK_WB_DLY, CLK_FT,
					PROM_OUT);
		C4	:	decode port map (CLK_DC, PROM_OUT, OP_CODE, OP_DATA );
		C5	:	reg_dc port map (CLK_DC, REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,
				REG_4, REG_5, REG_6, REG_7,
				PROM_OUT(10 downto 8）, N_REG_A, REG_A);
		C6	:	reg_dc port map (CLK_DC, REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,
				REG_4, REG_5, REG_6, REG_7,
				PROM_OUT(7 downto 5）, N_REG_B, REG_B);
		C7	:	exec port map (CLK_EX,　RESET, OP_CODE, P_COUNT,
				REG_A, REG_B, OP_DATA, RAM_OUT, P_COUNT,
				REG_in, RAM_in, REG_WEN, RAM_WEN);
		C8	:	reg_wb port map (CLK_WB, N_REG_A, REG_in, REG_WEN,
				REG_0, REG_1, REG_2, REG_3,
				REG_4, REG_5, REG_6, REG_7);
		C9	:	ram port map (CLK_WB, RAM_WEN, OP_DATA(6 downto 0),
				RAM_in, RAM_OUT, IO65_in, IO64_OUT);
end RTL;