動かしてわかる CPU の作り方 10 講(ウゴカシテワカルシーピーユーノツクリカタジュッコウ)

■野村達雄氏 (『ポケモン GO 』開発者) 推薦!!
「簡潔明瞭な文章でソフトウェアからトランジスタまで漏れなく解説。
CPU をゼロから設計して FPGA で実装する、
僕の人生を変えた井澤先生の講義がパワーアップして本になった!」
■シンプルな CPU を例に、エミュレータの作成、 FPGA 上への実装、実用的な応用までを、やさしくていねいに解説します。 10 講で、基礎から応用までしっかり動かして実感できる、 CPU 設計の紙上講義です。
【第 I 部 シンプルな CPU を作ってみよう!】
第 1 講 ソフトウェアから CPU の動作をイメージする
第 2 講 シンプルな CPU のアーキテクチャを決定する
第 3 講 C 言語を用いて CPU の動作をエミュレートする
第 4 講 論理回路の基礎を復習する
第 5 講 ハードウェア記述言語の VHDL を用いて回路を表現する
第 6 講 FPGA 評価ボード上で簡単な回路を動作させる
第 7 講 VHDL を用いて CPU を設計する
第 8 講 FPGA 評価ボード上で CPU を動作させる
【第 II 部 より実用的な CPU を目指して!】
第 9 講 プログラムを独立化しメモリを実装する
第 10 講 パイプライン処理により高速化する

ソフトウェアエンジニアにとって CPU は究極のブラックボックスです。命令がどう取り出され、演算器で処理され、結果がレジスタに書き戻されるのか。本書は井澤裕司氏が、その過程を論理回路レベルから 10 講で積み上げて CPU を自作する体験を提供します。加算器・マルチプレクサ・レジスタファイルといった基本要素から出発し、最終的に命令フェッチからライトバックまでを行う簡易プロセッサを構築します。

FPGA (MAX10) 上で実際に動作させることを前提とした構成のため、シミュレーションだけで終わらず、自分が設計した回路が物理的に動く実感を得られます。論理回路やブール代数の基礎が分かっていれば読み始められますが、デジタル回路の学習経験がまったくない場合は、組み合わせ回路と順序回路の基本を別途押さえてから取り組むとスムーズです。

本書で作る CPU は教育目的の簡易設計であり、パイプラインやキャッシュ、分岐予測といった実用プロセッサの機構は範囲外です。しかし、「命令セットの設計が回路構成をどう制約するか」「クロックの概念がなぜ必要か」を自分の手で確かめたという経験は、コンピュータアーキテクチャの教科書を読む際の解像度を格段に上げてくれます。