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はるまささかいざわ
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1 1 SimMips/MieruPC ~ システムシミュレータから計算機システムへ ~ 藤枝直輝 ( 東京工業大学 ) 2010/08/05 SWoPP2010 BOF セッションシンプルハードウェアがもたらす計算機システム研究 / 教育の新展開

発表者について 2 東京工業大学吉瀬研究室 D1 2008 年 4 月 ~ MieruPC プロジェクト : 中身がみえる計算機システムを構築する研究教育プロジェクト

2 発表者について 2 東京工業大学吉瀬研究室 D 年 4 月 ~ MieruPC プロジェクト : 中身がみえる計算機システムを構築する研究教育プロジェクトの中心メンバーとして開発に参加 2009 年 2 月 ~ MieruPC 株式会社代表取締役

3 MieruPC Project 3 Computer Science を勉強しているのですが, 計算機システムを製作することは出来ますか? できます! 計算機システムを包括的に学ぶためのプラットフォームとして, 中身がみえる計算機システム MieruPC を開発中 2009 年 8 月 SWEST11 のポスター

4 プロジェクトの目的 4 ハードとソフトのすべてが見えるスタンドアローンで動作する計算機システムを作る! FPGA( あるいはVDECのチップなど ) を活用してCPUの内部も見える修正できる計算機システムを構築する. 大学 2,3 年生が理解できる洗練された計算機システムの実現を目指す. 5 万行以内のテキスト形式で洗練された計算機システムを実装する. 必要最小限のシンプルなハードウェアで実現し, 安価な計算機システムとする. シンプルで洗練されたソフトウェア群を提供する. テキスト版テトリスが動く計算機システムを実現する. エディタでテキストファイルの編集ができる計算機システムを実現する. 新規性がない方が好ましい. 開発は基本的に既存のものを参考にしながらゼロから構築する. 成果はフリーとしてどんどん公開する. 参加したい人は歓迎する. どんどん担当してもらう. 貢献した人を讃える. 論文をたくさん執筆する. ハードウェアを販売する. あまり厚くない本を出版する. 日本の情報工学を活発化する. 日本発の MieruPC を世界に広める.

5 それぞれご紹介 5 SimMips MIPS システムシミュレータ MipsCore MIPSライクソフトプロセッサ (Verilog HDL) SimMipsがベース MieruPC MIPSライク計算機システム MipsCoreをプロセッサコアとして使用

6 SimMips の概要 6 命令セット : MIPS32 R2 のサブセット実装命令数は約 100 種 ( 浮動小数点命令を除くほぼ全て ) コード量 : 7,519 行 (v0.6.6) うち, コア機能が 3,110 行コメント, 空行を含む主要部分 (~v0.4.0) の開発期間 : 約 2 ヶ月半 2008 年 4 月 ~7 月開発は学生 2 名

7 SimMips の構成 7 Board (core/board.cc) Chip (core/board.cc) Mips (core/mips.cc) MipsInst (core/mipsinst.cc) MipsArchstate (core/mips.cc) MipsSimstate (core/mips.cc) MipsCp0 (osmode/cp0.cc) IntController (osmode/device.cc) SerialIO (osmode/device.cc) MemoryController (core/memory.cc) SimLoader (core/simloader.cc) MainMemory (core/memory.cc)

8 SimMips の命令実行 8 命令の実行を複数のステージに分けるパイプライン構造のようにそれぞれのステージは 1 つのメソッドで実行可読性向上 Typical 5 stage Pipeline Fetch Decode Execute Memory Access Write Back SimMips (8 stages) fetch decode regfetch execute mem send mem receive write back setnpc

9 それぞれご紹介 9 SimMips MIPS システムシミュレータ MipsCore MIPSライクソフトプロセッサ (Verilog HDL) SimMipsがベース MieruPC MIPSライク計算機システム MipsCoreをプロセッサコアとして使用

10 MipsCore の概要 10 MIPS ライク ( 互換ではない ) のソフトプロセッサ SimMips を部分的に移植ハードウェアを意識した構成の利点マルチサイクルの実行モデル 9~40 サイクル / 命令 SimMips fetch decode regfetch execute mem send mem receive write back setnpc MipsCore fetch decode regfetch execute mem access (5 Cycles) (1 or 32 Cycle(s)) (5 Cycles) write back

11 Implementation of MipsCore 11 命令実装部分の一例半分以上のコードはこのように機械的に移植 SimMips 1 void MipsInst::decode() 2 { 3 opcode = (ir >> 26) & 0x3f; 4 rs = (ir >> 21) & 0x1f; funct = ir & 0x3f; switch (opcode) { 10 case 0: 11 switch (funct) { case 33: 14 op = ADDU ; 15 attr = READ_RS READ_RT WRITE_RD; 16 break; MipsCore 1 /* MipsInst::decode() */ 2 always@ ( DATA_IN ) begin 3 IDOPCODE = DATA_IN[31:26]; 4 IDRS = DATA_IN[25:21]; IDFUNCT = DATA_IN[ 5: 0]; case ( IDOPCODE ) 10 6 d0: begin 11 case ( IDFUNCT ) d33: begin 14 IDOP = ADDU ; 15 IDATTR = READ_RS READ_RT WRITE_RD; 16 end 17...

12 それぞれご紹介 12 SimMips MIPS システムシミュレータ MipsCore MIPSライクソフトプロセッサ (Verilog HDL) SimMipsがベース MieruPC MIPSライク計算機システム MipsCoreをプロセッサコアとして使用

13 MieruPC 2010 ハードウェア MieruLCD( 独自開発 ) 480x272,VRAM3 画面 FPGACard( 独自開発 ) FPGA Spartan 3E SRAM 4Mbit クリアケース PS/2 キーボード画面はハメコミ合成ではありません MieruMB ( 独自開発 )

14 MieruPC 2010 HDL FPGACard の FPGA MipsCore キーボード, 液晶, マルチメディアカードのコントローラ初期 RAM イメージローダ MieruLCD の FPGA 液晶コントローラキャラクター ROM 全て Verilog HDL, フルスクラッチで記述

15 MieruPC 2010 OS 独自開発の OS が動作 FAT ファイルシステムの操作ユーザプログラムのロード, 起動 ( シングルタスク ) システムコールなど

16 MieruPC 2010 ソフトウェアいろいろ動いてます SDK で効率的に開発

17 デモ 17 SimMips と MieruPC SimMipsについては動画で MieruPCについては実機で

18 つづいて時系列順に 18 MieruPC2008 MieruPC2008 Rev.2 MieruPC2010 year/ month Simulator SimMips v0.5.0 v0.5.5 LCD Simulator Redesign Hardwar e HDL LCD Unit Analysis Prototype MipsCore Mother Board I/O Controller FPGACard CP0 Prototype SRAM I/F LCD Board Graphic Controller Simplified CP0 Software LCD Library Sample Applications C Library Operating System SDK

19 初期検討と SimMips(08/4 08/7) 19 利用するハードウェアの検討 FPGA にアットマークテクノ SUZAKU S を液晶にインテグラル電子 ITC H を可能性検証 SUZAKU S に元々乗っている MicroBlaze+uCLinux 上に液晶のシリアルを操作するデバイスドライバを書いてテキストの時計アプリを動かす SimMips の開発

20 MipsCore と初期 M/B(08/8 08/10) 20 MipsCore と PS/2 液晶の I/O の開発メインメモリは FPGA 内の BRAM を使用マザーボードの試作品の制作動作させるアプリケーションの内容はコンフィグレーションファイルに直書き

21 この頃の全体図 21 コマンドインタプリタ液晶 ITC H SUZAKU S マザーボード前からキーボード (PS2) Happy Hacking Keyboard Light 2 etc 後方の配線

22 MMC 対応 (08/11 09/1) 22 マルチメディアカード (MMC) からのローダ開発動作させるアプリケーションは MMC からロードどこからロードするか? FAT をちゃんと読む? 特定アドレス決め打ち? 決め打ちにしたフォーマットして最初にファイルを置くと書き込まれるだろう位置環境依存マザーボードの制作 PCBE で作成,P 板.com で製造ここまでが MieruPC 2008

23 マザーボードの基板データ 23

24 FPGACard の制作 (09/2 09/7) 24 マザーボードの制作ノウハウをもとに I/Oピンの本数はギリギリ FPGAを小容量実装しやすいパッケージに SRAM 接続だけで利用可能数の半分近い完成品までに 5 回の試作 1~4 回も全て動作したが, 軽微な問題ありここまでが MieruPC 2008 Rev.2

25 液晶 OS の制作 (09/8 10/4) 25 液晶ユニット MieruLCD インテグラル電子との共同開発品がベース FPGA や SRAM といった構成は FPGACard と同じ安価なゲーム機用の液晶を使用独自 OS(MieruOS) 東大東工大のプロジェクト実習の成果がベース MipsCore にもそれに合わせた機能追加制御コアの簡略版 MMC コントローラをロードだけでなく読み書き可能に

26 問題修正まとめ (10/5 10/7) 26 使っていって見つかったバグを修正したり SimMipsを再構成したり各々リファクタリングしたり開発環境をMieruSDKとしてまとめたりここまでが MieruPC 2010 ハードウェアは7/26より販売中 MieruSDKその他は近日公開予定

27 まとめ 27 SimMips,MipsCore,MieruPC の紹介シンプルなハードウェアによるシステム構築低コスト短期間開発のポイントはじめは既製品ベースノウハウを貯えて独自構築それまで作ってきたものの再利用 SimMips MipsCore FPGACard MieruLCD

VGA Output FPGA 7-Segment LED Module MieruPC Fig. 1 The image of MieruPC drawn in April, FPGA Fig. 2 Sample hardware with FPGA used i

VGA Output FPGA 7-Segment LED Module MieruPC Fig. 1 The image of MieruPC drawn in April, FPGA Fig. 2 Sample hardware with FPGA used i MieruPC MieruPC MieruPC A challenge to make a simple and intelligible computer system Kenji Kise The education across layers such as hardware, operating system, and application is important. In order to