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本書では、UCバークレーで開発されたオープンソースの命令セット（ISA）「RISC-V」を用いて、CPUの作り方を解説します。コンピュータアーキテクチャ、ハードウェアに関する知識があまりない方にも理解できるように基礎からわかりやすく学んでいきます。CPUとコンピュータアーキテクチャのしくみを解説したうえで、基本整数命令の実装から、CPUの高速化で活躍するパイプラインの実装、スーパーコンピューターでも活躍するベクトル拡張命令(SIMD)、さらに、汎用CPUでは負荷の高い処理をより高速に実行するためにCPUへ追加可能なカスタム命令の実装までを行います。CPU設計に用いる基本言語としては、Velilogを抽象化したHDL（ハードウェア記述言語）であるChiselを利用しています。
CPUの自作範囲に関して、手順が煩雑なFPGAでの動作確認は行わず、ソフトウェア上でエミュレーションをゴールとしているので、ソフトウェアエンジニアの方にも取っ付きやすいものとなっています。
巻末には、昨今RISC-Vが注目されている理由を整理するため、RISC-Vのもたらす価値についてまとめています。

目次
まえがき
第Ⅰ部　CPU自作のための基礎知識
第1章　CPUとは何か
1-1　電子回路が論理を表現できる理由
1-1-1　デジタル信号への変換
1-1-2　論理演算を表現する回路
1-1-3　いかなる真理値表も表現できる基本論理回路
1-2　基本論理回路がCPUを実現できる理由
1-2-1　順序論理回路：ラッチ回路
1-2-2　有限状態機械
1-2-3　クロック信号による同期
1-3　CPUの製造プロセス
Column　バイポーラトランジスタとCMOS

第2章　コンピュータ・アーキテクチャ
2-1　メモリ
2-1-1　レジスタ
2-1-2　メインメモリ
2-2　コンピュータの基本的な処理の流れ
2-2-1　命令フェッチ（IF：Instruction Fetch）
2-2-2　命令デコード（ID：Instruction Decode）
2-2-3　演算（EX：Execution）
2-2-4　メモリアクセス（MEM：Memory Access）
2-2-5　ライトバック（WB：Write Back）
Column　デコード処理の簡略化
Column　RISCとCISC
Column　レジスタとメモリの扱い

第3章　ハードウェア記述言語Chiselの基本
3-1　Chiselとは
3-2　オブジェクト指向とは
3-2-1　クラスとインスタンス
3-2-2　継承
3-3　Scalaの基本文法
3-3-1　変数varとval
3-3-2　メソッド：def
3-3-3　コレクション：Seq
3-3-4　for式
3-3-5　オブジェクト
3-3-6　名前空間
3-4　Chiselの基本文法
3-4-1　bit値を表す基本型
3-4-2　演算子
3-4-3　Module
3-4-4　IO
3-4-5　Flippedオブジェクト
3-4-6　配線の接続
3-4-7　組み合わせ論理回路：Wire/WireDefault
3-4-8　順序論理回路：RegInit
3-4-9　Memによるレジスタファイル定義
3-4-10　制御回路
3-4-11　bit操作
3-4-12　printfによるデバッグ
Column　あらゆるものがオブジェクト

第Ⅱ部「簡単なCPUの実装」
第4章　環境構築
4-1　chisel-templateのダウンロード
4-2　Dockerによる実行環境の構築
4-2-1　Dockerのインストール
4-2-2　Dockerfileの作成
4-2-3　イメージの作成
4-2-4　コンテナの作成
4-3　命令bit列および定数ファイル
4-3-1　Instructions.Scala
4-3-2　Consts.scala
4-4　第Ⅱ部で実装する命令とChiselコード全体

第5章　命令フェッチの実装
5-1　Chiselコードの概要
5-2　Chiselの実装

第6章　ChiselTestによる命令フェッチテスト
6-1　ChiselTestのインストール
6-2　テストの流れ
6-3　Chiselテストコードの作成
6-3-1　trait
6-3-2　peekメソッド
6-3-3　clock.stepメソッド
6-4　メモリ用hexファイルの作成
6-5　printfを活用したデバッグ信号の出力
6-6　テストの実行
6-7　Dockerコンテナのcommit

第7章　命令デコーダの実装
7-1　Chiselの実装
7-1-1　レジスタ番号の解読
7-1-2　レジスタデータの読み出し
7-1-3　デバッグ用信号の出力
7-2　テストの実行

第8章　LW命令の実装
8-1　RISC-VのLW命令定義
8-2　Chiselの実装
8-2-1　①命令bitパターンの定義
8-2-2　②CPUとメモリ間のポート定義
8-2-3　③CPU内の処理実装
8-2-4　④メモリのデータ読み込み実装
8-3　テストの実行
8-3-1　命令ファイルlw.hexの作成
8-3-2　メモリにロードするファイル名の変更
8-3-3　テスト終了条件の変更
8-3-4　デバッグ信号の追加
8-3-5　テストの実行

第9章　SW命令の実装
9-1　RISC-VのSW命令定義
9-2　Chiselの実装
9-2-1　①命令bitパターンの定義
9-2-2　②CPUとメモリ間のポート定義
9-2-3　③CPU内の処理実装
9-2-4　④メモリのデータ書き込み実装
9-3　テストの実行
9-3-1　命令ファイルsw.hexの作成
9-3-2　メモリにロードするファイル名の変更
9-3-3　テスト終了条件の変更
9-3-4　デバッグ用信号の追加
9-3-5　テストの実行

第10章　加減算命令の実装
10-1　RISC-Vの加減算命令定義
10-2　Chiselの実装
10-2-1　命令bitパターンの定義
10-2-2　加減算結果の接続@EXステージ
10-2-3　加減算結果のレジスタライトバック@WBステージ

第11章　論理演算の実装
11-1　RISC-Vの論理演算命令定義
11-2　Chiselの実装
11-2-1　命令bitパターンの定義
11-2-2　論理演算結果の接続@EXステージ
11-2-3　論理演算結果のレジスタライトバック@WBステージ

第12章　デコーダの強化
12-1　ALU用デコード
12-1-1　デコーダの強化@IDステージ
12-1-2　デコード信号を活用したALU簡略化@EXステージ
12-2　MEM用デコード
12-2-1　デコーダの強化@IDステージ
12-2-2　命令デコードの不要化@MEMステージ
12-3　WB用デコード
12-3-1　デコーダの強化@IDステージ
12-3-2　命令デコードの不要化@WBステージ

第13章　シフト演算の実装
13-1　RISC-Vのシフト演算命令定義
13-2　Chiselの実装
13-2-1　命令bitパターンの定義
13-2-2　デコード信号の生成@IDステージ
13-2-3　シフト演算結果の接続@EXステージ

第14章　比較演算の実装
14-1　RISC-Vの比較演算命令定義
14-2　Chiselの実装
14-2-1　命令bitパターンの定義
14-2-2　デコード信号の生成@IDステージ
14-2-3　比較演算結果の接続@EXステージ

第15章　分岐命令の実装
15-1　RISC-Vの分岐命令定義
15-2　Chiselの実装
15-2-1　命令bitパターンの定義
15-2-2　PCの制御@IFステージ
15-2-3　即値およびデコード信号の生成@IDステージ
15-2-4　分岐可否、ジャンプ先アドレスの計算@EXステージ

第16章　ジャンプ命令の実装
16-1　RISC-Vのジャンプ命令定義
16-2　Chiselの実装
16-2-1　命令bitパターンの定義
16-2-2　デコードおよびオペランドデータの読み出し@IDステージ
16-2-3　JALR用演算の追加@EXステージ
16-2-4　PCの制御@IFステージ
16-2-5　raのライトバック@WBステージ

第17章　即値ロード命令の実装
17-1　RISC-Vの即値ロード命令定義
17-2　Chiselの実装
17-2-1　命令bitパターンの定義
17-2-2　デコードおよびオペランドデータの読み出し@IDステージ
Column　LI（Load Immediate）命令

第18章　CSR命令の実装
18-1　RISC-VのCSR命令定義
18-2　Chiselの実装
18-2-1　命令bitパターンの定義
18-2-2　即値およびデコード信号の生成@IDステージ
18-2-3　op1_dataの接続@EXステージ
18-2-4　CSRの読み書き@MEMステージ
18-2-5　CSR読み出しデータのレジスタライトバック@WBステージ

第19章　ECALLの実装
19-1　RISC-VのECALL命令定義
19-2　Chiselの実装
19-2-1　命令bitパターンの定義
19-2-2　PCの制御@IFステージ
19-2-3　デコード信号の生成@IDステージ
19-2-4　CSR書き込み@MEMステージ

第20章　riscv-testsによるテスト
20-1　riscv-testsのビルド
20-2　ELFファイルをBINファイルへ変換
20-3　BINファイルのhex化
20-4　riscv-testsのパス条件
20-5　riscv-testsの実行
20-5-1　Chiselの実装
20-5-2　テストの実行
20-6　一括テストスクリプト
20-6-1　hexファイルの一括生成：tohex.sh
20-6-2　riscv-testsの一括実行：riscv_tests.sh

第21章　Cプログラムを動かしてみよう
21-1　Cプログラム作成
21-2　コンパイル
21-3　リンク
21-4　機械語のhex化とdumpファイルの生成
21-5　テストの実行
Column　コンパイルとアセンブル

第Ⅲ部　パイプラインの実装
第22章　パイプラインとは
22-1　パイプライン処理の意義
22-2　CPU処理のパイプライン化
22-3　第Ⅲ部で完成するChiselコード

第23章　パイプラインレジスタの実装
23-1　レジスタ定義
23-2　IFステージ
23-2-1　命令フェッチおよびPC制御
23-2-2　IF/IDレジスタへの書き込み
23-3　IDステージ
23-3-1　①レジスタ番号のデコードおよびレジスタデータの読み出し
23-3-2　②即値のデコード
23-3-3　③csignalsのデコード
23-3-4　④オペランドデータの選択
23-3-5　⑤csr_addrの生成
23-3-6　⑥ID/EXレジスタへの書き込み
23-4　EXステージ
23-4-1　①alu_outへの信号接続
23-4-2　②分岐命令の処理
23-4-3　③EX/MEMレジスタへの書き込み
23-5　MEMステージ
23-5-1　①メモリアクセス
23-5-2　②CSR
23-5-3　③wb_data
23-5-4　④MEM/WBレジスタへの書き込み
23-6　WBステージ

第24章　分岐ハザード処理
24-1　分岐ハザードとは
24-2　Chiselの実装
24-2-1　IFステージの無効化
24-2-2　IDステージの無効化
24-2-3　デバッグ用信号の追加
24-3　分岐ハザードのテスト
24-3-1　テスト用Cプログラムの作成
24-3-2　hexおよびdumpファイルの生成
24-3-3　分岐ハザード対応前CPUでのテスト
24-3-4　分岐ハザード対応後CPUでのテスト
Column　静的分岐予測と動的分岐予測

第25章　データハザード処理
25-1　データハザードとは
25-2　フォワーディングのChisel実装
25-3　ストールのChisel実装
25-3-1　stall_flg信号の追加@IDステージ
25-3-2　ストール処理@IFステージ
25-3-3　BUBBLE化@IDステージ
25-3-4　デバッグ用信号の追加
25-4　データハザードのテスト
25-4-1　①ID/WB間のデータハザードをフォワーディングするパターン
25-4-2　②ID/EX間のデータハザードによるストール→ID/MEM間でフォワーディングするパターン
25-4-3　riscv-testsテスト

第Ⅳ部　ベクトル拡張命令の実装
第26章　ベクトル命令とは
26-1　SIMDとは
26-2　既存のベクトルアーキテクチャ
26-3　RISC-Vのベクトル命令とSIMD命令の相違点
26-3-1　SIMD命令のベクトルレジスタ長
26-3-2　RVV命令のベクトルレジスタ長
26-4　第Ⅳ部で完成するChiselコード
Column　スーパーコンピュータ「富岳」

第27章　VSETVLI命令の実装
27-1　RISC-VのVSETVLI命令定義
27-2　VTYPE
27-2-1　SEWとLMUL
27-2-2　vill、vta、vma
27-3　Chiselの実装
27-3-1　命令bitパターンの定義
27-3-2　デコード信号の生成@IDステージ
27-3-3　ベクトルCSRへの書き込み@MEMステージ
27-3-4　VLのレジスタライトバック@WBステージ
27-4　テストの実行
27-4-1　e32/m1テスト
27-4-2　e64/m1テスト
27-4-3　e32/m2テスト

第28章　ベクトルロード命令の実装
28-1　unit-stride形式のベクトルロード命令定義
28-1-1　SEWとEEW
28-1-2　bit配置
28-2　Chiselの実装
28-2-1　命令bitパターンの定義
28-2-2　DmemPortIoの拡張
28-2-3　ベクトルレジスタの追加
28-2-4　デコード信号の生成@IDステージ
28-2-5　ベクトルロードデータのレジスタライトバック@WBステージ
28-2-6　メモリからベクトルデータの読み出し@Memoryクラス
28-2-7　デバッグ用信号の追加
28-3　テストの実行
28-3-1　e32/m1テスト
28-3-2　e64/m1テスト
28-3-3　e32/m2テスト

第29章　ベクトル加算命令VADD.VVの実装
29-1　RISC-VのVADD.VV命令定義
29-2　Chiselの実装
29-2-1　命令bitパターンの定義
29-2-2　ベクトルレジスタの読み出し@IDステージ
29-2-3　デコード信号の生成@IDステージ
29-2-4　ベクトル加算器の追加@EXステージ
29-2-5　加算結果のレジスタライトバック@WBステージ
29-2-6　デバッグ用信号の追加
29-3　テストの実行
29-3-1　e32/m1テスト
29-3-2　e64/m1のテスト
29-3-3　e32/m2のテスト

第30章　ベクトルストア命令の実装
30-1　unit-stride形式のベクトルストア命令定義
30-2　Chiselの実装
30-2-1　命令bitパターンの定義
30-2-2　DmemPortIoの拡張
30-2-3　デコード信号の生成、ストアデータの読み出し@IDステージ
30-2-4　ストアデータの接続@MEMステージ
30-2-5　ベクトルデータのメモリへの書き込み@Memoryクラス
30-3　テストの実行
30-3-1　e32/m1テスト
30-3-2　e64/m1テスト
30-3-3　e32/m2テスト

第Ⅴ部　カスタム命令の実装
第31章　カスタム命令の意義
31-1　シングルコアの性能向上と限界
31-1-1　ムーアの法則
31-1-2　デナード則
31-1-3　デナード則の崩壊
31-2　マルチコアによる並列処理の効率化と限界
31-2-1　マルチコアへの移行
31-2-2　並列処理の効率化の限界
31-3　DSAの可能性
31-3-1　ASIC
31-3-2　FPGA
31-3-3　DSAのデメリット
31-4　DSAとRISC-V
31-4-1　自由なアーキテクチャ設計
31-4-2　カスタム命令
Column　消費電力対策
Column　アクセラレータ

第32章　ポピュレーションカウント命令の実装
32-1　ポピュレーションカウント命令とは
32-2　カスタム命令を実装しない場合のポピュレーションカウントプログラム
32-3　カスタム命令用のコンパイラ（アセンブラ）実装
32-3-1　GNU Assemblerの概要
32-3-2　PCNT命令をGASへ追加
32-3-3　コンパイラの再ビルド
32-3-4　PCNT 命令のコンパイル
32-4　Chiselの実装
32-4-1　命令列の定義
32-4-2　デコード信号の生成@IDステージ
32-4-3　ALUの追加@EXステージ
32-5　テストの実行

付録　RISC-Vの価値
A-1　オープンソースISAの必要性
A-2　RISC-Vが実現するもの
A-2-1　①高性能・低コストを両立するDSA
A-2-2　②安価な汎用CPU
A-2-3　③誰でも気軽に勉強・実装ができる教育環境
A-3　チップ製造コストの壁とその将来性

もっと深く学びたい人へのお勧め書籍