作ろう!CPU(ツクロウ　シーピーユー)

69 行のソースコードで設計する、超単純な 4bit CPU

[作ってはじめてわかる CPU のしくみと動き]

小学校で習ったことのある回路図から出発。計算のかわりに回路図に「矢印を描く」という方法で電気を理解します。ひたすら矢印を描くうちに、 CPU のしくみが理解できるようになります。
そして「ハードウェア記述言語」を使って CPU を完成させます。記述コードはパソコン上のシミュレーターで動かすことができますが FPGA 評価ボードがあれば作った回路を実際に動かすことができます。

本書は CPU の正体について説明し、さらにその周囲のモジュールとの関係性についても説明します。そうしてコンピューター全体の回路を見通しよく整理できるようになります。物理と情報科学のギャップを埋めることが、本書の真の目的です。

読者の皆様の頭の中で、学校で習った豆電球の回路図と情報処理装置としての CPU が繋がっていれば嬉しく思います。
学生・エンジニアに向けたコンピューターのしくみの解説書。

0 章 はじめに
Part 1 回路の基礎
1 章 電池と抵抗の論理回路
2 章 トランジスタと論理ゲート
3 章 ゲートの回路
4 章 ハードウェア記述言語
Part 2 CPU の材料
5 章 組合回路
6 章 真理値表のコーディング
7 章 D フリップフロップ
8 章 状態遷移の一般論
Part 3 CPU を作る
9 章 LED チカチカ回路
10 章 1bit のコンピューター
11 章 多重ワイヤー
12 章 TD4
Part 4 TD4 の先へ
13 章 コードの抽象化
14 章 高度なトピック
付録 力学系としての論理回路
0 章 はじめに

Part 1 回路の基礎
1 章 電池と抵抗の論理回路
2 章 トランジスタと論理ゲート
3 章 ゲートの回路
4 章 ハードウェア記述言語

Part 2 CPU の材料
5 章 組合回路
6 章 真理値表のコーディング
7 章 D フリップフロップ
8 章 状態遷移の一般論

Part 3 CPU を作る
9 章 LED チカチカ回路
10 章 1bit のコンピューター
11 章 多重ワイヤー
12 章 TD4

Part 4 TD4 の先へ
13 章 コードの抽象化
14 章 高度なトピック

付録 力学系としての論理回路

ソフトウェアを書いていると、その下で命令を実行している CPU の中身は抽象化の向こう側に隠れたままです。本書はその抽象の壁を取り払い、論理ゲートの組み合わせから CPU を自分で設計・組み立てる体験を提供します。加算器、レジスタ、命令デコーダといった構成要素を一つずつ積み上げていく過程で、「プログラムが動く」とはどういうことかを物理層の手触りで理解できるようになります。

対象としているのは、プログラミングの経験はあるがハードウェアには馴染みが薄い層です。電子工作の前提知識は最小限に抑えられており、論理回路の基礎から解説が始まります。完成する CPU は命令セットが限定された教育用の設計ですが、だからこそ全体像を一人で把握でき、「なぜコンピュータは二進数で動くのか」「クロックとは何か」といった根本的な疑問に自分の手を通じて答えが出ます。

実用的な CPU を設計する本ではありませんが、コンピュータサイエンスの土台を実感として掴むための教材として独自の位置を占めています。パタヘネ (コンピュータの構成と設計) のような教科書を読む前の準備体操として、あるいは純粋な知的好奇心に応える工作として、どちらの動機でも楽しめる一冊です。