VHDLによるCPUアーキテクチャ学習支援ソフトの開発研究者名サデックモハッマドハニフ  指導教官青山義弘  CPUアーキテクチャと動作 HTML VHDLツール・プログラム・シミュレーション・シンセサイザ学生に分かりやすく説明１．本学科４，５年生対象となる学生 2.情報系以外の生産システム工学科１～２年生 VHDLとは  HDL : Hardware Descriptive Language （ハードウェア記述言語）  VHDL: VHSIC HDL  VHSIC :Very High Speed Integrated Circuit (高速集積回路）例えば、ADDER…FAなんて考えなくても VHDL記述(8bit add)： …．… port ( A , B :in….(7 downto 0); C :in Z :out..(7 downto 0)); 論理合成シミュレーション …… Z <= A+B+C; FPGAボードに実装今回ツールとしてＶＨＤＬを利用した理由:    高級言語であるため、その記述から動作を理解しやすい。記述内の変数名を実際の素子や信号とその動作に合わせて考えることが出来る。難しい論理式を考えず、動作だけ分かればよい。今回の研究では、 CPUの各部分のハードウェア的な動作 CPU全体の動作各部分のシミュレーションからその動作  VHDLの論理合成によって、CPUの部分から全体の回路構成にたどり着く  研究過程  VHDLによる回路設計  HTMLの学習と教材の作成  演習問題の作成  CPU設計 CPU学習教材 VHDLによる回路設計  設計したモジュール • • • • •  1ビットハフアダ16ビット加減算器カウンタ(2ビット16進、 60進） ALU 自動販売機シミュレーション、論理合成、FPGAボードで動作の確認学習ソフトの概要前書き FPGAとは VHDLとは VHDLの基礎 HOME VHDLの応用例演習問題 VHDLの演算子リスト VHDLシミュレーションとFPGAマニュアル CPUアーキテクチャ学習 VHDL記述と設計方法の学習教材開発 1．組み合わせ回路： 16ビット加減算器、4ビット比較器。 2．順序回路： D二安定回路、プッシュボタン回路、 2ビット16進カウンタ。 3．VHDL応用例： 60進カウンタ、自動販売機。演習問題の作成  穴埋め形式  回路の動作を少し変更する問題設計目的のCPU仕様  ❐ メモリアドレス（1２bit）  ❐ 1 ワード(16bit) =命令コード (4bit)+オペランド (12bit).  ❐ 8個レジスター (16bit). ❐命令仕様：基本命令： NOP,LD,ST,SET,JMP,JNZ,JPZ,MV ;  シフト命令： SRL,SLL ;  演算命令 ADD,SUB,AND,OR,XOR,NOT ;  CPUの構成図 ❐components: program counter . memory controller . instruction register . decoder . alu , shifter . flag register . control unit . ＣＰＵ設計上工夫した点  わかり易さを最重視 [階層設計]  各コンポネントを独立に設計しその動作を個別に確認  信号のやり取りとその順番の明確な表示今後の課題: ❐ controller component とmemory部分を設計してCPU全体を完成する。 ❐CPUのシミュレーションとFPGAボードへの実装を行う。 ❐それを元にして、今まで作成した教材に加えその動作をVHDLソフトのシミュレーション，波形観測などのツールを利用して、学生に分かりやすく説明する方法を検討する。研究の内容アニメーションなどを使用したCPU等の教材ソフトは主に CPU動作をシミュレーションなどで見せかけるだけで、一つ一つの部分回路のハードウェア動作からCPUの全体の動作にたどり着くのが難しい。今回の研究では、  VHDLでCPUのモジュール化設計法を利用して、各部分のハードウェア的な動作を理解した上でCPU全体の動作の理解を深めるのを狙いとする。  各部分のシミュレーションからその動作も理解できる。  VHDLの論理合成によって、回路的にも、言わせれば一つ一つのAND,OR素子からCPU全体の構成にたどり着くことが可能となる。研究の目標本研究では、青山研究室のVHDL（ハードウェア記述言語（HDL）の一種である。）合成ツールやシミュレーションツール、そしてFPGA（Field Programmable Gate Array）ボードへの実装によって、コンピュータハードウエアの理解度を深めることを目標とした教材を開発する。システムの作成にはHTML（Hyper Text Markup Language）を使用する。研究過程     これまで、VHDLでコンポネント形式（モジュール）を使って 1ビットハフアダ-から16ビット加減算器、カウンタ、ALU、自動販売機などの設計、シミュレーションと論理合成を行い、シミュレータ、FPGAボードで動作の確認を行った。 HTMLでFPGAとVHDLの基礎、そして、設計したVHDLの記述をもとに簡単なハードウェアの理解を支援する教材を作成した。そこで、学生が自分の理解度を確かめることができるように穴埋めやすでに設計されている回路の動作を少し変更する演習問題を用意した。現在は、最終目標であるCPU設計に取り掛かっている。