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コンピュータアーキテクチャとは、より良いコンピュータの構成を模索し、設計し、実現するための方式です。学習には、重要概念の理解とハードウェアの設計、実装、そのシミュレーションによる動作確認と性能評価、また、FPGAなどにハードウェアを実装し、動作・検証・性能確認することが大切です。本書は、これらを通じてコンピュータアーキテクチャの本質を学ぶことを目指します。特に、オープンな命令セットアーキテクチャとして注目されているRISC-Vの採用、Verilog HDLによるハードウェアの記述、FPGAによるハードウェア動作まで、広い範囲を扱っている点が特徴です。

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第1章　イントロダクション
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1-1　コンピュータの基本構成
1-2　コンピュータの性能
1-3　特定用途向け半導体とFPGA

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第2章　ディジタル回路の基礎
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2-1　組み合わせ回路
2-2　順序回路
2-3　やわらかいハードウェアとしてのFPGA

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第3章　ハードウェア記述言語Verilog HDL
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3-1　ANDゲートのモジュール記述
3-2　記述したモジュールのインスタンス化とシミュレーション
3-3　文字列を表示するシステムタスク$display
3-4　ブロックの指定
3-5　指定した時間が経過するまで待たせる命令#
3-6　システムタスク$finishと$time
3-7　不定値xとハイインピーダンスz
3-8　複数本の信号線、数値の表現、default_nettype
3-9　三項演算子とマルチプレクサ
3-10　ビット選択
3-11　ビットの連結と複製
3-12　論理演算子と算術演算子
3-13　関係演算子
3-14　論理シフト、算術シフトの演算子
3-15　リダクション演算子
3-16　if文とcase文
3-17　クロック信号とカウンタ回路
3-18　シフトレジスタと波形ビューア
3-19　一定の間隔で生じる動作の記述とdefine文
3-20　ランダムアクセスメモリ（RAM）とinclude文
3-21　いくつかの代入の違い

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第4章　RISC-V命令セットアーキテクチャ
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4-1　RISC-V RV32I命令セットアーキテクチャの概要
4-2　データ形式、負の整数の表現
4-3　命令形式
4-4　R形式の算術演算命令、論理演算命令、シフト命令
4-5　I形式の算術演算命令、論理演算命令、シフト命令
4-6　ロード命令、ストア命令、エンディアンと整列
4-7　条件分岐命令とプログラムカウンタ
4-8　lui、auipc、jal、jalr命令とその他の命令

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第5章　単一サイクルのプロセッサ
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5-1　単一サイクルのプロセッサの設計方針
5-2　最初の版のプロセッサを設計するための構成要素
5-3　add命令を処理するx1のみの単一サイクルのプロセッサ
5-4　add命令を処理する単一サイクルのプロセッサ
5-5　addとaddi命令を処理する単一サイクルのプロセッサ
5-6　add、addi、lw、sw命令を処理する単一サイクルのプロセッサ
5-7　add、addi、lw、sw、bne命令を処理する単一サイクルのプロセッサ
5-8　シミュレーションの工夫と例題

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第6章　プロセッサの高性能化の手法
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6-1　回路の動作周波数とパイプライン処理
6-2　パイプライン処理（2段）のプロセッサの設計と実装
6-3　パイプライン処理（3段）のプロセッサの設計と実装
6-4　パイプライン処理（4段）のプロセッサの設計と実装
6-5　パイプライン処理のプロセッサと同期式メモリ
6-6　パイプライン処理（5段）のプロセッサの設計と実装
6-7　ここまでのプロセッサの性能

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第7章　分岐予測
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7-1　分岐予測の枠組み
7-2　分岐先バッファ
7-3　分岐の成立／不成立の予測
7-4　bimodal分岐予測
7-5　gshare分岐予測

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第8章　キャッシュメモリ
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8-1　メインメモリとキャッシュ
8-2　容量が大きくて遅いメモリ
8-3　プロセッサのストール
8-4　ダイレクトマップ方式のキャッシュメモリ
8-5　マルチワードのダイレクトマップ方式のキャッシュメモリ
8-6　セットアソシアティブ方式のキャッシュメモリ
8-7　データキャッシュ

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第9章　FPGA評価ボードを利用した動作の確認
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9-1　ファイルの準備
9-2　Vivadoで論理合成、配置・配線してFPGAで動作確認

著：吉瀬 謙二
東京工業大学教授。アダプティブコンピューティング研究推進体の代表、ACRiブログの編集長を務める。コンピュータアーキテクチャとFPGAシステムの研究と教育に従事している。