Small Risc Processor (SRP) 説明書
2008/9/13 ver 1.0作成
2012/12/24 ver2.0 作成
琉球大学工学部情報工学科 和田 知久
[０] はじめに
基本課題はたった９個の命令を実行できるマイクロプロセッサです。ただ、何かのプログラム処理ができないと面白くないので、数値列を大きさの順で並べ替えるソーティング（詳細にはバブルソート）が実行できる程度の命令を含んでいます。したがって、高級プログラム言語のforループを実現できるように、無条件JUMP命令と、条件付きJUMP（BRANCH）命令も含んでいます。
以下に、マイクロプロセッサをよく知らない人でも設計できるように、丁寧にアーキテクチャを説明しますので、マイクロプロセッサという言葉を恐れずに、挑戦して頂きたいと思います。
[１] Small RISC Processor SRP アーキテクチャ
図１にSmall RISC Processor SRP アーキテクチャを示します。実は今回のSRPアキテクチャはオリジナルなものではなく、ジョン・ヘネシーとデイビッド・パターソンの有名な図書“COMPUTER ORGANIZATION & DESIGN: the hardware / software interface”で登場するRISCコンピュータの命令を９個に削減したものとなっています。また、情報工学科の講義 「計算機アーキテクチャ」とも同じものです。 したがって、かなり多数の方々が見たことのあるポピュラーな構成かと思います。
図１： Small RISC Processor SRP アーキテクチャ
図１はSRP本体と、２つのメモリから構成されています。しかし、コンピュータを動作させるには、命令とデータが必要ですので、ここでは命令を蓄える命令メモリ（Instruction Memory）、データを蓄えるデータメモリ（Data Memory）を２つの独立したメモリで構成しています。その理由は、この方がメモリの使い方が単純化され、プロセッサの設計が単純になるからです。
後ほどのプログラムの説明で、明らかになるのですが、命令メモリには32ビット（ここではワードと呼ぶ）の大きさの命令が多数蓄えられています。マイクロプロセッサこの命令メモリに蓄えられた命令をひとつずつ読み出し、その32ビット命令が示す演算を実行します。その動作を順に説明します。
① 「命令フェッチ」：マイクロプロセッサにはプログラムカウンター（PC）というカウント機能があります。このPCの値は命令メモリのアドレス信号に対応しており、そのアドレスが示す場所の命令を読みだします。
② 「命令デコード」：上記①で読みだされた命令の内容に従って、必要な動作をするために命令の解読を実施し、必要な制御を行います。図１ではcontrol circuitの仕事となります。
③ 「演算とデータメモリアクセス」：上記命令の解読結果に従って、レジスタファイルから必要な値を読みだし、ALUにて演算します。必要あれば、データメモリに対してアクセスを行い、データメモリにデータを書き込み、もしくは読み出しを行います。
④ 「ライトバック」：最後に、③での演算結果や、データメモリから読みだした値をレジスタファイルに書き込みます。そして、プログラムカウンター（PC）の次のサイクルの値を用意します。
上記①から④の動作でひとつの命令が実行され、繰り返すことで多数の命令を実行することができます。
[２] サポート命令
以下表１に９つのサポート命令を示します。算術演算、論理演算、データ転送、条件分岐、無条件分岐の5種類に区分されています。
R1,R2のような記号はレジスタファイルのアドレスを示しています。Rnではアドレスはnです。SRPでは32ビットレジスタを32個搭載しており、R0からR31が存在します。
［注意］SRPでの通常のRISCコンピュータに従って、R0は特別なレジスタでとしており、書き込みはすることができず、常にALL0の値を保持しています。ALL0すなわち、０は、プログラムでよくつかわれる数値であるので、レジスタファイルの0番地をその特別な数値として使用しています。
表１ サポート命令
|
区分 |
命令 |
アセンブラ例 |
例の意味 |
備考 |
|
算術演算 |
add |
add R1,R2,R3 |
R1 <= R2 + R3 |
加算 |
|
subtract |
sub R1,R2,R3 |
R1 <= R2 - R3 |
減算 |
|
|
論理演算 |
and |
and R1,R2,R3 |
R1 <= R2 and R3 |
各ビットごとにＡＮＤ |
|
or |
or R1,R2,R3 |
R1 <= R2 or R3 |
各ビットごとにＯＲ |
|
|
データ転送 |
load word |
lw R1, 100(R2) |
R1 <= メモリ[R2+100] |
メモリからレジスタへの転送 |
|
store word |
sw R1, 100(R2) |
メモリ[R2+100] <= R1 |
レジスタからメモリへの転送 |
|
|
条件分岐 |
branch on equal |
beq R1,R2,25 |
if (R1=R2) go to PC+4+25*4 |
等しい時にPC相対分岐 |
|
set on less than |
slt R1,R2,R3 |
if (R2<R3) R1<=1 else R1<=0 |
|
|
|
無条件ジャンプ |
jump |
j 2500 |
go to 2500*4 |
絶対アドレスジャンプ |
表１で、R1<=R2+R3 というような表記がありますが、レジスタファイルのアドレス2番地に保持されている値とアドレス3番地に保持されている値をALUにて加算を行い、アドレス１番に書き戻すということを意味しています。
Load word命令はデータメモリ内の32ビットのデータをレジスタファイルに転送する命令です。表の例である“lw R1, 100(R2)”は、レジスタファイルのアドレス2番に保持されている値と命令中に指定された100という整数値の加算をALUにて行い、その結果をデータメモリのアドレス値としてデータメモリから値を読みだします。そして、その値をレジスタファイルのアドレス１番に書き戻すという意味です。
逆に、“sw R1, 100(R2)”で示されるStore word命令は、レジスタファイルのアドレス１番から値を読みだし、レジスタファイルのアドレス2番に保持されている値と命令中に指定された100という整数値の加算をALUにて行い、その結果をデータメモリのアドレス値としてデータメモリに値を書き込みます。命令の違いは最初のswかlwかだけですが、データの転送方向は逆方向です。
次に、branch on equalですが、これはレジスタファイル内の２つの値が同じかどうか比較して（減算してその答えが０かどうか）、同じであれば、分岐を行います。
先に説明しましたが、プログラムカウンタPCが命令メモリ内の実行する命令のアドレス番地を示します。通常分岐がない場合に、メモリ内の次番地にある命令が実行されます。後ほど、図で説明しますが、コンピュータでは一般的に、8ビット単位（バイト単位）のアドレスが付けられています。ここでは、命令もデータも32ビットを想定していますので、4アドレス番地分でひとつの命令もしくはデータが記憶されています。したがって、次の命令の番地は現在実行中の命令のアドレス＋４となります。
さて、branch on equalの説明に戻りますが、” beq R1,R2,25”ではR1レジスタとR2レジスタの値を比較します。同じであれば、次の命令のアドレス（現状のPC+4）値を変更します。この例では命令中に２５という整数がありますが、これは２５先の命令に分岐するという意味です（この数値が負の場合は戻ることになる）。これはアドレスを計算すると、PC+4+25*4となります。1命令の大きさが4アドレス分ですので、4倍が必要なわけです。
” slt R1,R2,R3”はset on less thanという命令で、R2の値＜R3の値であれば、R1の値を“１”にセットし、そうでなければ“０”にリセットするものです。set on less thanとbranch on equaｌをうまく使えば多彩な条件分岐が実現できます。
最後に無条件分岐(jump)命令を説明します。先ほどの条件分岐では、PC+4の値に対して値を加算（負の数の加算も想定）していましたが、”j 2500”はメモリでの絶対的なアドレスで0番地からみて、2500個目の命令への分岐を示しています。先ほども説明しましたが、メモリのアドレスはバイト単位（バイトアドレシング）を想定していますので、実際のメモリのアドレス値では4倍の2500*4=10000番地への無条件のJUMPということになります。
[３] メモリアドレッシング
まず図２にコンピュータでは一般的であるバイト単位でのアドレッシングを示します。
図２ バイトアドレッシング
図の右の四角は8ビットの記憶ブロックを意味しており、いわゆるバイトデータに対応します。SRPではバイトアドレスを用いていますので、1バイト進むごとに、アドレス値が１上昇します。
図３ ワードアドレッシング
本課題で扱う命令のサイズは４バイト（３２ビット）を想定していますので、図２に示すように横方向の４つのブロックが一つの命令の記憶単位となります。したがって、命令を数えるにはワードアドレシングが便利です。このワードアドレスの値を４倍すると、４バイトブロックの左端バイトのアドレスとなります。
図１に示したSRPアーキテクチャでは２つの外部メモリがありますが、これらのメモリは３２ビット単位でアドレスが振られており、メモリをアクセスする場合にはワードアドレスへの変更が必要です。
[４] 命令フォーマット
さて、これまでの話でひとつの命令は３２ビットであることは理解済みであると思います。また、命令には算術演算、論理演算、分岐など色々な種類があることも説明しました。またそれだけでなく、命令にはレジスタファイルのアドレスや、メモリのアドレスの一部を示す必要もあります。
通常は上記で述べた多数の意味を示すために、３２ビットを分割して使用します。その分割された部分をフィールドと言います。このようなビットでの命令の表現をアセンブラー表現もしくは、機械語表現と言います。以下表２を用いて命令の機械語表現を説明します。
表２ 命令フォーマット（各フィールドの値は10進数で示してある。）
|
命令 |
フォーマット名 |
例 |
備考 |
|||||
|
6ビット |
5ビット |
5ビット |
5ビット |
5ビット |
6ビット |
|||
|
add |
Ｒ形式 |
0 |
2 |
3 |
1 |
0 |
32 |
add R1, R2, R3 |
|
sub |
0 |
2 |
3 |
1 |
0 |
34 |
sub R1, R2, R3 |
|
|
and |
0 |
2 |
3 |
1 |
0 |
36 |
and R1, R2, R3 |
|
|
or |
0 |
2 |
3 |
1 |
0 |
37 |
or R1, R2, R3 |
|
|
slt |
0 |
2 |
3 |
1 |
0 |
42 |
slt R1, R2, R3 |
|
|
lw |
Ｉ形式 |
35 |
2 |
1 |
100 |
lw R1, 100(R2) |
||
|
sw |
43 |
2 |
1 |
100 |
sw R1, 100(R2) |
|||
|
beq |
4 |
1 |
2 |
25 |
beq R1, R2, 25 |
|||
|
j |
Ｊ形式 |
2 |
2500 |
j 2500 |
||||
まず、３２ビットを表２のように分割しますが、その前に９つの命令を３つの形式に分類しています。R形式はレジスタアドレスを３つ示す必要のある命令用の形式で、add, sub, and, or, sltがこの形式を用います。レジスタは０番から３１番の３２種類があるので、５ビットを用いてレジスタのアドレスを示しています。また、R形式では左端の６ビットがすべて０であり、これがR形式であることを示しています。add, sub, and, or, sltの区別は右端の６ビットの値で区別されています。また、右から２つめの５ビットフィールドは用いられていません。
次にI形式ですが、これはレジスタアドレスを２つと、数値（２の補数表現を用いて、正もしくは０もしくは負の数を示す）を示しています。数値はなるべく大きな数値を示すことができる方が良いのですが、トータル３２ビットの制限で、数値は１６ビットです。２の補数表現を用いていますので、表３が表現可能な数値の範囲となります。
表３ １６ビット（２の補数）の表現範囲
|
|
２進数（２の補数表現） |
１０進数 |
|
最大値 |
0111 1111 1111 1111 |
32767 |
|
0 |
0000 0000 0000 0000 |
0 |
|
最小値 |
1000 0000 0000 0000 |
-32768 |
この１６ビットフィールドはlw, swではデータメモリアドレスの計算（バイト単位）に用いられており、beqでは命令ワードの分岐数を示しています（ワード単位）。
最後にJ形式ですが、J形式でレジスタアドレスを示す必要がないので、２６ビットの数値が用いられています。この数値を４倍すると、絶対メモリアドレスとなるので、負の数を表現する必要はなく、符号なし数で正または０が表現範囲です。
備考に、表１に対応する命令の例があり、表２に実際のフィールドの値（１０進数表示）があり、機械語（表２）でのフィールドの順序が異なることに注意が必要です。
各フィールドには名前があり、それを表４に示す。
表４ フィールド名
|
フォーマット名 |
6ビット |
5ビット |
5ビット |
5ビット |
5ビット |
6ビット |
備考 |
|
Ｒ形式 |
op |
ｒｓ |
rt |
rd |
- |
func |
|
|
Ｉ形式 |
op |
rs |
rt |
offset |
|
||
|
Ｊ形式 |
op |
address |
|
||||
opフィールドとfuncフィールドが操作を指定している。rsはソースレジスタ、rtも通常はソースレジスタ、rdはデスティネーションレジスタと呼ぶ。
[５] 命令ROMとデータRAMのサイズに関して
図１で２つのメモリを示したが、今回の課題では与えられたプログラムを実行することを想定し、以下の図４に示すメモリ構成を想定する。
命令ROMは６４ワードX３２ビット構成であり、２５６バイトの大きさを持つ。０番地より２５５番地のアドレスを命令ROMに割り当てる。
データRAMも同じく６４ワードX３２ビット構成であり、２５６バイトの大きさを持つ。２５６番地より５１１番地のアドレスを割り当てる。
５１２番地以上のアドレスは不使用とする。
図４ メモリアーキテクチャ
[６] サポートVHDLコード
検証として、上記SRPプロセッサをHDLにて実現し、８ワード（ワード＝４バイト）のソーティング（バブルソート）を実行します。
バブルソートプログラムが入った命令ROMと初期データが格納されたデータRAMのVHDLモデルを以下に与えます。
Reset_b信号が０->1に解除された後、プログラムカウンタ：PC=0番地として、実行を開始します。
DRAMのデータをモニターし、以下のようなシミュレーション波形を確認できれはバブルソートができています。
使用パッケージ
命令ROM
データRAM
MPU
テストベンチ
図５ バブルソート実行波形例
[７] バブルソートプログラム
バブルソートでは２５６番地から始まる８ワードのアレイに対して値の大きい数値を下位のアドレスからソートする。アレイの先頭番地は３８４番地のワードに記憶されている。アレイの大きさはバイトを単位として３８８番地に記憶されている。ここでは８ｘ４＝３２である。ワードの大きさをバイト単位とすれば、４でありこれが３９２番地に記憶されている。
表５ データRAMの内容
|
|
|
データRAM |
|
ソート後の内容 |
||||||
|
バイトアドレス |
dramのAdd入力 |
００ |
０１ |
１０ |
１１ |
|
００ |
０１ |
１０ |
１１ |
|
256 |
0 |
0 |
-> |
7 |
||||||
|
260 |
1 |
1 |
-> |
6 |
||||||
|
264 |
2 |
2 |
-> |
5 |
||||||
|
268 |
3 |
3 |
-> |
4 |
||||||
|
272 |
4 |
4 |
-> |
3 |
||||||
|
276 |
5 |
5 |
-> |
2 |
||||||
|
280 |
6 |
6 |
-> |
1 |
||||||
|
284 |
7 |
7 |
-> |
0 |
||||||
|
|
|
... |
|
|
||||||
|
384 |
32 |
256 |
|
256 |
||||||
|
388 |
33 |
32 |
|
32 |
||||||
|
392 |
34 |
4 |
|
4 |
||||||
|
|
|
... |
|
|
||||||
表６ 命令ROMの内容（バブルソートのプログラム）
|
|
|
命令ROMの内容 |
|
|||
|
バイトアドレス |
iromのAdd入力 |
００ |
０１ |
１０ |
１１ |
説明 |
|
0 |
0 |
NOP |
|
|||
|
4 |
1 |
NOP |
|
|||
|
8 |
2 |
LW R1, 388(R0) |
R1 <= 32 |
|||
|
12 |
3 |
LW R2, 384(R0) |
R2 <= 256, 先頭番地 |
|||
|
16 |
4 |
LW R3, 392(R0) |
R3 <= 4 |
|||
|
20 |
5 |
ADD R5, R1, R2 |
R5 <= 288, 最終番地の次 |
|||
|
24 |
6 |
SUB R5, R5, R3 |
R5 <= R5 - 4 = 284, 最終番地 |
|||
|
28 |
7 |
ADD R6, R2, R0 |
R6 <= R2 = 256 転送、R0は０固定 |
|||
|
32 |
8 |
ADD R7, R6, R0 |
R7 <= R6、比較するデータ１のアドレス |
|||
|
36 |
9 |
ADD R8, R7, R3 |
R8 <= R7 + 4、比較するデータ２のアドレス |
|||
|
40 |
10 |
LW R10, 0(R7) |
R10 <= 比較するデータ１ |
|||
|
44 |
11 |
LW R11, 0(R8) |
R11 <= 比較するデータ２ |
|||
|
48 |
12 |
SLT R9, R10, R11 |
R10 < R11ならR9 <= 1、違うならR9 <=0 |
|||
|
52 |
13 |
BEQ R9, R0, +2 |
R9が０ならばPC=PC+4+2*4=64へ分岐 |
|||
|
56 |
14 |
SW R10, 0(R8) |
比較データ１をスワップしてメモリへ |
|||
|
60 |
15 |
SW R11, 0(R7) |
比較データ２をスワップしてメモリへ |
|||
|
64 |
16 |
ADD R7, R7, R3 |
R7 <= R7 +4, アレイインデックスを進める |
|||
|
68 |
17 |
BEQ R7, R5, +1 |
インデックスが最終アドレスならLOOP１を抜ける |
|||
|
72 |
18 |
J 9 |
９番地へジャンプ、LOOP1 |
|||
|
76 |
19 |
SUB R5, R5, R3 |
R5 <= R5 - 4, 最終番地を下げる。ここに最小値がある。 |
|||
|
80 |
20 |
BEQ R5, R2, +1 |
最終番地が先頭番地と一致するとLOOP2を抜ける。 |
|||
|
84 |
21 |
J 8 |
８番地へジャンプ、LOOP2 |
|||
|
88 |
22 |
NOP |
|
|||
[８] データRAMの動作
データRAMはデータの読み出しに関しては、アドレス入力信号６ビットに対して、３２ビットデータを出力する組み合せ回路である。
書き込みに対しては、Clock入力の立ち上りエッジでWE信号が’１’の時に書き込みが行われる。
詳細の動作波形を以下に示す。
図６ データRAM動作波形
[９] SRP詳細構成
SRPの設計アーキテクチャの典型的な例を説明する。１命令を１クロックサイクルごとに実現する例である。
命令ROMはワードアドレスを入力されると、命令が読みだされるROMを想定している。SRP内部のレジスタファイルでra1, ra2は２つの読み出し用アドレス信号であり、このアドレスに従って、do1, do2にレジスタの値がそれぞれ読みだされる。waは書き込みアドレス信号であり、書き込むデータはdinに与えられる。writeRF=1で、Clockの立ち上がりエッジでデータがレジスタファイルに書き込まれる。
レジスタファイルへのデータの書き込みが必要な命令はadd, sub, and, or, lw, sltである。表７にまとめる。
表７ レジスタファイルへのデータの書き込みが必要な命令と読み出しデータ数
|
区分 |
命令 |
レジスタファイルへのデータの書き戻し |
レジスタファイルより読みだす値 |
|
算術演算 |
add |
１ |
２ |
|
subtract |
１ |
２ |
|
|
論理演算 |
and |
１ |
２ |
|
or |
１ |
２ |
|
|
データ転送 |
load word |
１ |
１ |
|
store word |
０ |
２ |
|
|
条件分岐 |
branch on equal |
０ |
２ |
|
set on less than |
１ |
２ |
|
|
無条件ジャンプ |
jump |
０ |
０ |
ALUはadd, sub, and, orの演算サポートし、その演算結果(result)が０であるかどうかを調べるフラグ(zero)を計算する。slt命令では、ALUは減算を実行し、zeroフラグを調べることで、実装可能である。
データRAMへの書き込みが必要な命令はsw命令であり、データRAMの読み出しが必要な命令はlwである。
SRPで△マークはClock入力を意味している。クロックの立ち上りエッジで書き込みが発生する順序回路であり、△マークのない他の回路はすべて組合せ回路で構成できる。
”＆”はビット連結、”＋”は加算器、”MUX”はマルチプレクサ、”SE”は符号を保存したビット幅の16ビットから32ビットへの拡張回路である。以下、表8に拡張の例を示す。16ビット表現でのMSBビットを16回左側に延ばせば実現できる。
表８ 符号を保存したビット幅の16ビットから32ビットへの拡張の例
|
|
16ビット（２の補数表現） |
32ビット（２の補数表現） |
|
最大値 |
0111 1111 1111 1111 |
0000 0000 0000 0000 0111 1111 1111 1111 |
|
0 |
0000 0000 0000 0000 |
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 |
|
最小値 |
1000 0000 0000 0000 |
1111 1111 1111 1111 1000 0000 0000 0000 |
図７ SRP構成例
図７の右上の３入力MUXは分岐に関するものである。３入力の一番上が選択される場合は通常の分岐がない場合であり、pc値は４ずつインクリメントしている。３入力の中央は無条件分岐に対応している。その前方の“＆”はビットの接続であり、下記に”00”を連接することにより、４倍を実現している。また、上位のビットの不足分４ビットはもとのPCの上位ビットをコピーしている。３入力の一番下は、条件付き分岐が成立した（TAKEN）場合である。PC+4+offset*4の計算になっている。
図８に、３２番地、３６番地、４０番地を実行中の動作波形を示す。ｐｃの値により、Iaddが生成され、命令Instが命令ROMより取り出されている。命令の各フィールドの値より、ra1, ra2, waが生成されていることがわかる。
図８ SRP動作波形図