第2回 自作CPUを語る会 ComProcプロジェクト進捗報告

ComProcの進捗報告 割込サポート、UARTモジュール内製化、ほか 2023年12月3日 第2回 自作CPUを語る会 サイボウズ・ラボ @uchan_nos 1 /28

自己紹介 ⚫内田公太 @uchan_nos ⚫サイボウズ・ラボ株式会社 ◼ コンピュータ技術エバンジェリスト ◼ 教育用OS・言語処理系・CPUの研究開発 ⚫代表著書「ゼロからのOS自作入門」 ⚫最近の寄稿記事 ◼ Software Design 2023年4月号 第1特集 第2章 コンピュータが計算できる理由 ⚫最近の同人誌 ◼ コンパイラとCPUどっちも作ってみた 2 /28

ComProcプロジェクトとは ⚫ComProc=Compiler+Processor ⚫CPUとコンパイラを自作する、uchan主導のプロジェクト ◼ CPUとコンパイラを作るプロジェクトは珍しくない ◼ ComProcプロジェクトはCPUとコンパイラを同時並行に進化させる点で、 他のプロジェクトとは一線を画す ⚫ComProc CPU Board Rev.4 ⚫FPGAボード「Tang Nano 9K」の I/Oを拡張するマザーボード ◼ 出力：LED、キャラクタ液晶 ◼ 入力：DIPスイッチ ◼ 入出力：UART 3 /28

ComProcプロジェクトの全体像 4 /28

目次 その他の コンパイラの改良 割り込みサポート 割り込み命令 タイマ割り込み インライン アセンブラ グローバル変数の アドレス指定 ISRの指定機能 AST情報の印字 UART割り込み UART回路の内製化 減算の構文解析バグ プログラム転送方式 の改良 ビジュアライザ 低速モード ↑今回は割愛 8 /28

目次 その他の コンパイラの改良 割り込みサポート 割り込み命令 タイマ割り込み インライン アセンブラ グローバル変数の アドレス指定 ISRの指定機能 AST情報の印字 UART割り込み UART回路の内製化 減算の構文解析バグ プログラム転送方式 の改良 ビジュアライザ 低速モード ↑今回は割愛 9 /28

割り込み命令 命令 名前の由来 動作 INT Interrupt 割り込みハンドラにジャンプ & cstackに戻り先アドレスを保存 ISR Interrupt Service Routine スタックトップの値をisrレジスタに転送 IRET Interrupt Return 命令の使い方 cstackに保存されたアドレスにジャンプ & ienをセット void _ISR() { 何らかの処理 } int main() { asm("push _ISR¥n¥t" "isr¥n¥t" "int"); } 割り込みハンドラでは、RETではなくIRET で処理を抜ける ISR命令で割り込みハンドラを登録 INT命令でソフトウェア割り込みを起こす 10 /28

インラインアセンブラ add fp,256 call main st 130 int main() { asm("HELLO"); } fin: jmp fin コンパイル main: cpush fp HELLO cpop fp ret ⚫指定した文字列が出力にそのまま埋め込まれる ⚫引数を埋め込む機能は無い 11 /28

ISRの指定機能
⚫割り込みハンドラでは、RETの代わりにIRETを発行したい
⚫「割り込みハンドラ」のマークが必要
◼ GCCやClangの記法：__attribute__((interrupt))
⚫ComProcでの記法：_ISRxxx
◼ _ISRを冠した名を持つ関数は割り込みハンドラになる
割り込みハンドラを判別するコンパイラのコード

if (strncmp(func_sym->name->raw, "_ISR", 4) == 0) {
ctx->is_isr = 1;
}
…
Insn(ctx, ctx->is_isr ? "iret" : "ret");
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目次 その他の コンパイラの改良 割り込みサポート 割り込み命令 タイマ割り込み インライン アセンブラ グローバル変数の アドレス指定 ISRの指定機能 AST情報の印字 UART割り込み UART回路の内製化 減算の構文解析バグ プログラム転送方式 の改良 ビジュアライザ 低速モード ↑今回は割愛 13 /28

ComProc CPUにおける割り込み処理 ⚫CPUに追加した主な要素 ◼ irq (Interrupt Request): 割込要求入力ポート ◼ ien (Interrupt Enable): 割込許可フラグ ◼ isr (Interrupt Service Routine): 割込ハンドラポインタ ⚫ISR命令によりハンドラ登録 ◼ 1つのハンドラのみ登録可 =PICマイコンと同じ ⚫irq=1 & ien=1 で割り込み発生 CPU RAM irq ISR命令 で設定 ien isr 割り込み要求 main() _ISR() 周辺機能 14 /28

タイマ割り込み ⚫カウントダウンタイマはカウンタ を1ms毎に減らし、0で停止 ⚫0になるとtimeout=1を出力 ⚫IE=1で割り込み許可 void _ISR() { char v = *(char*)0x80; *(char*)0x80 = (v << 1) | (v >> 7); *(int*)2 = 500; } int main() { asm("push _ISR¥n¥tisr"); *(char*)0x80 = 0x37; // LED *(int*)4 = 2; // IE=1 *(int*)2 = 500; // 500ms while (1); } CPU カウントダウン タイマ irq cdtimer_ie & timeout counter 15 0x02 0x04 2 1 0 counter Reserved IE IF カウントダウンタイマのレジスタ構成 15 /28

UART割り込みとUART回路の内製化 ⚫UARTが受信を検知できるようにしたい ⚫従来、UARTはGowin IPコアを用いていた 従来のファイル構成 ⚫Gowin IPが提供するUART モジュールは、仕様が複雑 で扱いが難しいし、 ⚫cpuディレクトリに 入れにくい ⚫扱いやすい回路を自作する 自作モジュール Gowin IP Core src/cpu/ alu.sv cpu.sv … board/rev4_tangnano9k/src/ main.sv uart_master/ uart_master.v ⚫cpuディレクトリに移す 16 /28

自作UART回路の受信動作 rst 0を受信 ~rx1buf WAIT START rxtim_half rx_bit_cnt=8 STOP UART受信端子 1ビット分の時間が経過 rxtim_full DATA 0 1 4段の レジスタ 1 1 ⚫rxtim：1ビット分の時間を数えるタイマ ◼ rxtim_half：0.5ビット経過した瞬間だけ1になる ◼ rmtim_half：カウンタが1周する瞬間だけ1になる 全部0か 全部1？ 1 rx1buf ⚫rx1buf：フィルタを通した後の受信信号 ◼ ノイズ対策 ◼ 過去4つが全部0か全部1になったときだけ、rx1bufは更新される 18 /28

目次 その他の コンパイラの改良 割り込みサポート 割り込み命令 タイマ割り込み インライン アセンブラ グローバル変数の アドレス指定 ISRの指定機能 AST情報の印字 UART割り込み UART回路の内製化 減算の構文解析バグ プログラム転送方式 の改良 ビジュアライザ 低速モード ↑今回は割愛 19 /28

低速モードと謎挙動 ⚫UART回路のデバッグのため、CPUをゆっく り動かしたい ⚫CPUのクロックを2Hzくらいにして動作実験 ⚫ドットマトリクスLEDに表示する値を変える と、挙動が変わる！（泣） stack0 ⚫動画は、stackの値をインクリメントし続け るプログラムを走らせている様子 stack1 ※これは正常な表示 L: PUSH 1 ADD JMP L 20 /28

表示値を変えると、挙動不審に ⚫LEDの1行目に表示していた値を、2行目に 表示するようにしただけで、結果が不正に // LED の各行に情報を表示 function [7:0] led_pattern(input [3:0] row_index); case (row_index) 4'd0: led_pattern = wr_data[15:8]; 4'd1: led_pattern = wr_data[7:0]; stack0 4'd2: led_pattern = cpu_stack0[15:8]; 4'd3: led_pattern = cpu_stack0[7:0]; stack1 4'd4: led_pattern = cpu_stack1[15:8]; 4'd5: led_pattern = cpu_stack1[7:0]; 4'd6: led_pattern = {cpu_load_insn, 3'd0, mem_addr[11:8]}; 4'd7: led_pattern = mem_addr[7:0]; 4'd8: led_pattern = encode_7seg(mem_addr[4:0]); default: led_pattern = 8'b00000000; endcase endfunction 21 /28

苦労した調査と原因 ⚫UART受信のデータは正常で、cpu.insnに取り込まれた命令列が壊 れていることが判明 ◼ 通信ノイズやUART受信回路の問題ではなさそう ⚫推測される原因：BRAMに分周したクロックを供給したこと sys_clk 27MHz 分周器 CPU BRAM プログラム受信時はsys_clk 受信完了後は分周クロック 22 /28

クロック供給を修正 ⚫BRAMにはシステムクロックを入れつつ、タイミング調整回路を 介してCPUに接続するようにした sys_clk 27MHz 分周器 CPU 読み込みタイ ミング調整 BRAM 23 /28

目次 その他の コンパイラの改良 割り込みサポート 割り込み命令 タイマ割り込み インライン アセンブラ グローバル変数の アドレス指定 ISRの指定機能 AST情報の印字 UART割り込み UART回路の内製化 減算の構文解析バグ プログラム転送方式 の改良 ビジュアライザ 低速モード ↑今回は割愛 24 /28

プログラム転送方式の改良 ⚫従来、プログラム転送が主、データ転送が従だった ◼ プログラムはそのまま送信 ◼ CPU上のソフトで読むためのデータは7E XXとして送信 ⚫本格的に自作CPU用プログラムを開発する上で障害となる ◼ データを送る際に7Eを付加しなければならないが、 そんな処理をやってくれるUART通信ソフトは存在しない ⚫データ転送を主、プログラム転送を従にする ⚫プログラム転送のための特別な「マーク」を定義 ◼ 2ms～20msの間隔で「55 AA」を受信→プログラム転送モードに移行 ◼ プログラム転送モードで「7F FF」を受信→通常モードに復帰 25 /28

なぜ2ms～20msにしたのか 55 AAをデータとして送るとき、 誤って「マーク」と認識しないため ツールを使って連続で送る ⚫ 1文字は10ビット ◼ スタート+データ+ストップ ⚫ 115200bps→1文字あたり0.087ms ⚫ 9600bps→1文字あたり1.04ms ⚫ 下限：2ms 12 34 55 AA BE EF … 手動で1文字ずつ送る ⚫ UART通信ソフトで1文字ずつ送る という想定 ◼ 「55」と入力し、Enter ⚫ 人間の操作なので、1文字20ms以 下では送れないだろう ⚫ 上限：20ms 26 /28

マークの送出 uart.pyの実装（抜粋） if args.delim: ser.write(b'¥x55') ser.flush() time.sleep(0.005) ser.write(b'¥xAA') ser.flush() 2ms～20msは、 Windowsなどの汎用OS上で 現実的な待ち時間である 10ms±0.1msとかだと 必要な精度が出ない恐れ 27 /28

今後やりたいこと ⚫CPU ◼ 【完】割り込み機能 ◼ マイクロマウス製作に必要な周辺回路の設計実装 ◼ GDB（OpenOCD）と接続できるように、JTAGのサポート https://www.besttechnology.co.jp/modules/knowledge/?OpenOCD ⚫可視化 ◼ 【完】 CPUが動作する様子のアニメ生成 https://twitter.com/cherry_takuan/status/1647263687307317248?s=20 ◼ MieruCompilerのような可視化 http://www.sde.cs.titech.ac.jp/~gondow/MieruCompiler/ ⚫最適化 ◼ コンパイラにさらなる最適化機能を追加 28 /28

• https://www.besttechnology.co.jp/modules/knowledge/?OpenOCD
• https://twitter.com/cherry_takuan/status/1647263687307317248?s=20
• http://www.sde.cs.titech.ac.jp/~gondow/MieruCompiler/

命令セット（即値あり命令） mnemonic 15 87 0 説明 -----------------------------------PUSH uimm15 |1 uimm15 | uimm15 を stack にプッシュ JMP simm12 |0000 simm11 0| pc+simm12 にジャンプ CALL simm12 |0000 simm11 1| コールスタックに pc+2 をプッシュ、pc+simm12 にジャンプ JZ simm12 |0001 simm11 0| stack から値をポップし、0 なら pc+simm12 にジャンプ JNZ simm12 |0001 simm11 1| stack から値をポップし、1 なら pc+simm12 にジャンプ LD.1 X+simm10 |0010xx simm10 | バイトバージョン ST.1 X+simm10 |0011xx simm10 | バイトバージョン LD X+simm10 |0100xx simm9 0| mem[X+simm10] から読んだ値を stack にプッシュ ST X+simm10 |0100xx simm9 1| stack からポップした値を mem[X+simm10] に書く PUSH X+simm10 |0101xx simm10 | X+simm10 を stack にプッシュ X の選択: 0=0, 1=fp, 2=ip, 3=cstack[0] |011000xxxxxxxxxx| 予約 ADD FP,simm10 |011001 simm10 | fp += simm10 |01101xxxxxxxxxxx| 予約 |0111xxxxxxxxxxxx| 即値なし命令（別表） 29 /28

命令セット（即値なし命令） mnemonic 15 87 0 説明 -----------------------------------NOP |0111000000000000| stack[0] に ALU-A をロードするので、ALU=00h POP |0111000001001111| stack をポップ stack[0] に ALU-B をロードするので、ALU=0fh POP 1 |0111000001000000| stack[1] 以降をポップ（stack[0] を保持） stack[0] に ALU-A をロードするので、ALU=00h INC |0111000000000001| stack[0]++ INC2 |0111000000000010| stack[0] += 2 NOT |0111000000000100| stack[0] = ~stack[0] AND OR XOR SHR SAR SHL JOIN |0111000001010000| |0111000001010001| |0111000001010010| |0111000001010100| |0111000001010101| |0111000001010110| |0111000001010111| stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] &= stack[1] |= stack[1] ^= stack[1] >>= stack[1]（符号なしシフト） >>= stack[1]（符号付きシフト） <<= stack[1] |= (stack[1] << 8) ADD SUB MUL LT EQ NEQ |0111000001100000| |0111000001100001| |0111000001100010| |0111000001101000| |0111000001101001| |0111000001101010| stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] stack[0] += stack[1] -= stack[1] *= stack[1] = stack[0] < stack[1] = stack[0] == stack[1] = stack[0] != stack[1] DUP DUP 1 RET CPOP FP CPUSH FP LDD STA STD |0111000010000000| |0111000010001111| |0111100000000000| |0111100000000010| |0111100000000011| |0111100000001000| |0111100000001100| |0111100000001110| LDD.1 STA.1 STD.1 INT ISR IRET |0111100000001001| |0111100000001101| |0111100000001111| |0111100000010000| |0111100000010001| |0111100000010010| stack[0] を stack にプッシュ stack[1] を stack にプッシュ コールスタックからアドレスをポップし、ジャンプ コールスタックから値をポップし FP に書く コールスタックに FP をプッシュ stack からアドレスをポップし、mem[addr] を stack にプッシュ stack から値とアドレスをポップしメモリに書き、アドレスをプッシュ stack から値とアドレスをポップしメモリに書き、値をプッシュ stack[1] = data, stack[0] = addr byte version byte version byte version ソフトウェア割り込みを発生 stack から値を取り出し、ISR レジスタに書く 割り込みハンドラから戻る 即値なし命令のビット構造 15 12 11 10 8 7 6 5 4 3 0 | 0111 | 0 | 000 | Push | Pop | ALU | | 0111 | 1 | 000 0 0 00 | Func | stack を使う演算系命令 その他の即値無し命令 30 /28