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CPUをつくってみたい1

こんばんは。今宵は良い満月が出ていて、不思議な気分にさせられますね。

大学では「電子工学演習第二」なるものがあって、CMOSで物理的に論理回路を設計するということをやっています。発表に備えて私も夜通しワークステーションと睨めっこしました……

そこかしこで評判になっている『CPUの創りかたCPUの創りかた』を生協で買い、「せっかくのこの機会だからCPUをつくろう!」と意気込んでいたんですが、そんなに甘くはないですね。

この本では既に製品として売り出されているパッケージ化された集積回路汎用ロジック集積回路)を配線することで4ビットのCPU「TD4」を作っています。

で、私の「演習」では、NAND, NOR, NOTといった要素要素をちゃんとトランジスタひとつひとつ置いて作っていき、その配線を考えた上でようやく論理回路となる……というものでして、複雑な回路をつくろうものなら途方もなく時間がかかってしまうわけです。

二年生冬学期に「ディジタル回路」、三年生夏学期に「コンピュータアーキテクチャ」で勉強してきたので、一応はCPUの基礎知識はもっていました(坂井修一/五島正裕研究室)。それで今回の挑戦、というわけです。しかしデジタル回路を配置・配線(回路のレイアウト)するのは簡単なことじゃない!

TD4を組み合わせ回路の要素に分割してみれば、それなりの種類が必要になるわけです。4ビットといっても、MOSトランジスタがぎっしり並んでくると、これはもう私のような初心者が手を出せるレベルではなくなってくる……感じです。ま、時間がもっとたくさんあれば別なんですが、発表会の期日が迫っているのでそうもいかないわけです。

この演習のおかげで最近はかなり勉強になっています。もともと論理回路の設計とか全然できなくて(「ディジタル回路」は良なのでイマイチ)、一年前に買った教科書もいまになってから熟読するようになりました。

その甲斐あってか、デジタル回路の知識は一定程度身についてきました。アーキテクチャの本も眺めているので、CPUの基本的な仕組みも押さえつつあります。

4ビットCPUは今回の演習ではつくれそうにないです。が、1ビットでいいからCPU的なものはつくりたい!というのが切実な願いになっています。

今回の記事はこのあたりまでにしておいて、続きはまた後ほど。最後に私が役に立つなと思ったウェブページをまとめておきます。

[カルノー図の解説]
実用的にカルノー図を使う方法がまとめてあります。二年生のときに一応使い方はわかっていたんですが、それとちゃんと設計ができることはまた別物。
[4ビットCPU]
TD4よりも単純な仕組みの4ビットCPUを作っています。もしCMOSでこれが作れれば、それでも十分すごいと思います。
[Wikipedia - 論理回路]
充実した内容です。これでデジタル回路の要素となる回路が見渡せますね。


コメント

2bit

命令をある程度実装しなければならないので、1bitでCPUを構成するのは難しそうですね。
CMOSを並べていくなんて、とても面白そうですね。検証が大変そうではありますけど。

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