コンパイルしたオブジェクトファイルの逆アセンブルリストは以下のとおりです。

これを「ハードウェアインタプリター」にかけたら以下のような実行結果となりました。

addi命令のイミディエイトをゼロにすることでmv命令としたり、逆にレジスタをゼロレジスタとすることでli命令としたり、「インタプリター」の出力を細工し、逆アセンブルリストと合わせています。ただし、PCを実装していないので、PC相対命令のラベルは一致していません。このようにPC相対を除き、逆アセンブル結果とほぼ合わせることができました。

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「ハードウェアインタプリター」に食わせる機械語列が必要です。そこで、この記事を参考に、Fibonacciプログラムをコンパイルし機械語化しました。試みにFibonacciが通るための「インタプリター」を書いていきます。前述のとおりこの「インタプリター」は実行ステージが逆アセンブル相当の表示をするだけのものです。

入力するFibonacciのソースは以下のように短いプログラムです。

fibo.c:

int fib(int n) {
  if(n <= 1) return 1;
  return fib(n-1) + fib(n-2);
}
int main() {
  fib(10);
  for(;;) {}
  return 0;
}

これをクロスコンパイルしてRISC-Vの命令を作成し、BSVの入力とします。シーケンサの自動生成を利用して1サイクル毎に、命令デコーダに命令を供給します。

Stmt main = seq
    instr <= 32'h074000ef;
    instr <= 32'hfe010113;
    instr <= 32'h00112e23;
    instr <= 32'h00812c23;
    instr <= 32'h00912a23;
    instr <= 32'h02010413;
    instr <= 32'hfea42623;
    instr <= 32'hfec42703;
    instr <= 32'h00100793;
    instr <= 32'h00e7c663;
    instr <= 32'h00100793;
    instr <= 32'h0300006f;
    instr <= 32'hfec42783;
    instr <= 32'hfff78793;
    instr <= 32'h00078513;
    instr <= 32'hfc9ff0ef;
    instr <= 32'h00050493;
    instr <= 32'hfec42783;
    instr <= 32'hffe78793;
    instr <= 32'h00078513;
    instr <= 32'hfb5ff0ef;
    instr <= 32'h00050793;
    instr <= 32'h00f487b3;
    instr <= 32'h00078513;
    instr <= 32'h01c12083;
    instr <= 32'h01812403;
    instr <= 32'h01412483;
    instr <= 32'h02010113;
    instr <= 32'h00008067;
    instr <= 32'hff010113;
    instr <= 32'h00112623;
    instr <= 32'h00812423;
    instr <= 32'h01010413;
    instr <= 32'h00a00513;
    instr <= 32'hf7dff0ef;
    instr <= 32'h0000006f;
endseq;

今回はまだデコーダのテストだけなので、PCは実装していません。

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図532.1にBSV版のBitpatのREADMEに掲載されていた使用例を示します。

挙げられた例はちょうどRISC-Vの命令パターンに一致しており、add命令とaddi命令のデコード部分を示したものです。この要領で、次々に他の命令を実装していくことができます。

本ライブラリの動作は以下の2ステップとなっています。

1. whenの中のパターンマッチでは可変部をvで表し、固定部をnとビットパターンで記述します。vの幅を指定しないで良いのは使いやすそうです。whenの最後に識別した機能を解釈するための関数名を記述します。
2. マッチした後に呼ばれる関数では、可変部のみを変数で受け(固定部は捨てる)、処理を実行します。結局vの幅は意識しなければなりません。

このように最初に固定部、次に可変部という考え方に慣れる必要があります。最初は使いにくいと感じましたが、慣れれば気にならないのかもしれません。

プロセッサ設計と言ってもパイプラインでなければ、見方を変えれば、RISC-V機械語のインタプリターをHDLで作成するだけなので、それほど難しいことではありません。ひとつずつデコードし、対応する処理を実装していくだけです。この「ハードウェアインタプリター」の1段目はデコードステップで、2段目は実行ステップになります。

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「はじめてのCPU自作」という本を購入したので、これを参考にRISC-Vプロセッサを設計します。ただし、この本ではChiselベースとなっていますが、本稿ではBSVベースとします。またパイプラインプロセッサの経験があるため、最初からパイプラインプロセッサを設計します。

さて、この本を読んでいたらChisel(だかScalaだか)にはBitpatという便利な機能があるようです。

命令デコーダを書くのに便利そうなので、BSVにもないのか調べたら、GithubにBitpatという似たようなものがありました。これはAlexandre Joannouさんが作成されたものであり、Readmeには以下のように書いています。

BitPat BitPat is a bit-string pattern matching library for Bluespec, inspired by Morten Rhiger's "Type-Safe Pattern Combinators".

BSVにおいてのパターンマッチライブラリとのことです。便利そうなのでRISC-Vの命令デコーダに採用することにします。

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完成したゲームのオープニングからのゲーム開始画面です。動画変換フレームレートの関係で、ゼロの点滅がハッキリと再生されませんが、実際にはきれいに点滅しています。

実行のシーケンス

• 得点表(Score Advance Table)アニメーション表示
• Fボタンを押す
• "PUSH ONLY 1PLAYER BUTTON"を表示、CREDIT=01
• Sボタンを押す
• "PLAY PLAYER<1>"を表示、CREDIT=00、SCORE<1>をゼロにし、規定回数点滅
• ゲームスタート

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Y字リプレースアニメーションのソース

Y字リプレースアニメーションのソースを示します。Y字リプレースアニメーションもFボタンにより中断するため、各所でFボタンを見ています。

function Stmt replaceY;
   return (seq
      // from right to left
      for (i <= 228; i >= 142; i <= i - 2) seq
         copyArea((pack(i)[1] == 1'b1) ? 68 : 84 , 32, i, 67, 10, 8);
         wait_timer(`TICK_WAIT3);
         if (fbutton) break;
      endseq // for
      if (fbutton) break;
      // from left to right
      for (i <= 136; i <= 226; i <= i + 2) seq
         copyArea((pack(i)[1] == 1'b1) ? 75 : 91 , 107, i, 67, 16, 8);
         wait_timer(`TICK_WAIT3);
         if (fbutton) break;
      endseq // for
      eraseArea(226, 67, 16, 8);
      wait_timer(`TICK_WAIT32);
      if (fbutton) break;
      // from right to left
      for (i <= 226; i >= 136; i <= i - 2) seq
         copyArea((pack(i)[1] == 1'b1) ? 77 : 93 , 117, i, 67, 16, 8);
         wait_timer(`TICK_WAIT3);
         if (fbutton) break;
      endseq // for
      wait_timer(`TICK_WAIT32);
      if (fbutton) break;
      eraseArea(141, 67, 9, 8);
      wait_timer(`TICK_WAIT32);
      if (fbutton) break;
   endseq);
endfunction

これだけでなく、タイマールーチンの中でもFボタンによる中断を見ていますが、ちょっとやり過ぎのようです。実際には多少間引いても体感に影響しないと思います。

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オープニングアニメーションのソース

オープニングアニメーションのソースを示します。オープニングアニメーションはFボタン(コイン投入の模擬)により中断するため、各所でFボタンを見ています。

function Stmt openingAnimation;
   return (seq
      // Opening Animation
      foa <= True;
      eraseArea( 0, 41, 255, 199); // erase screen
      eraseArea(25,242, 5, 7); // erase zanki
      stringS1; // PLAY ...
      if (fbutton) break;
      wait_timer(`TICK_WAIT64);
      if (fbutton) break;
      stringS2; // *SCORE ...
      if (fbutton) break;
      wait_timer(`TICK_WAIT32);
      if (fbutton) break;
      stringS3; // =? MYSTERY ...
      if (fbutton) break;
      wait_timer(`TICK_WAIT64);
       if (fbutton) break;
      replaceY; // ^ -> Y
      if (fbutton) break;
      wait_timer(`TICK_WAIT64);
      if (fbutton) break;
      foa <= False;
   endseq);
endfunction

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オープニングアニメーションの追加

テスト用のソースを示します。コンパイル時間短縮のため、ゲーム部分をカットしています。

// メインフロー
Stmt main = seq
   while (True) seq
      while (!fbutton) seq
         openingAnimation; // Fボタンによりブレーク
      endseq // while
      openingDisplay;      // 表示のみ、ボタンを待たない
      await(sbutton);        // Sボタンによりブレーク
      openingDisplay2;    // タイマーによりブレーク
      // game start
   endseq // while
endseq;

// CREDIT 01, "PUSH ONLY 1PLAYER BUTTON"
function Stmt openingDisplay;
   return (seq
      eraseArea( 0, 41, 255, 199); // erase screen
      stringS5; // PUSH ONLY ...
      copyArea(10, 162, 217, 241, 5, 7); // CREDIT 00->01
   endseq);
endfunction

// CREDIT 00, "PLAY PLAYER<1>, 00000"
function Stmt openingDisplay2;
   return (seq
      eraseArea( 0, 41, 255, 199); // erase screen
      stringS6; // PLAY PLAYER<1>
      copyArea(2, 162, 217, 241, 5, 7); // CREDIT 01->00
      for (i <= 1; i < 15; i <= i + 1) seq
         // erase zero
         eraseArea(40, 25, 37, 7);
         wait_timer(`TICK_WAIT4); // wait 66.66msec
         stringS7; // 00000
         wait_timer(`TICK_WAIT4); // wait 66.66msec
      endseq // for
   endseq);
endfunction

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オープニングアニメーションの追加

この動画の最初の部分を参考にして、オープニングアニメーションを作成します。

1. インベーダの種類や点数の紹介、と同時に逆さYを引っ張って行き正立Yに入れ替えます。アニメーションがメインなので、これをopeningAnimationシーケンスと呼び、同名の関数により実行します。Fボタンによりコイン投入を模擬します。 図513.1　openingAnimation画面
2. コインを投入すると、"PUSH ONLY 1PLAYER BUTTON"と表示され、CREDITが+1されます。アニメーションは無いため、これをopeningDisplayシーケンスと呼び、同名の関数により実行します。Sボタンを待ちます。 図513.2　openingDisplay画面
3. Sボタンを押すと、"PLAY PLAYER<1>"と表示され、CREDITが-1されます。同時に得点が"00000"となり、点滅します。これをopeningDisplay2シーケンスと呼び、同名の関数により実行します。 図513.3　openingDisplay画面1 図513.4　openingDisplay画面2
4. ゼロ点滅を規定回数実行すると自動的にゲームを開始します。

図513.5にSボタンとFボタンの配置を示します。

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テストベンチ

テストベンチは変わりません。

Tb.bsv

import StmtFSM::*;
import Uart::*;

(* synthesize *)
module mkTb();
      Uart_ifc uart <- mkUart();

      Stmt s = seq
            delay(8);
            uart.load(8'h55);
            uart.load(8'haa);
            uart.load(8'hc3);
            uart.load(8'h3c);
            await(uart.done());
            $finish;
      endseq;
      
      mkAutoFSM(s);

endmodule
 

Bsimシミュレーション

Bsimシミュレーションのコマンドは次のとおりです。

$ bsc -u -sim Tb.bsv; bsc -sim -e mkTb -o Tb.exec; ./Tb.exec -V bsim.vcd; gtkwave -A bsim.vcd

以下にBsimシミュレーション結果を示します。意外なことに明示的にdone信号を書いたにも関わらず、シミュレーションのダンプの中にdone信号がありませんでした。

テストベンチ内でレジスタにuart.doneを格納するようにしたら、インタフェースにuart.doneが現れました。awaitで使用するくらいでは削除され、レジスタに取って初めて残すようです。

Verilogシミュレーション

Verilogシミュレーションにおいては、モジュール(mkUart.v)、それをドライブするテストベンチ(mkTb.v)の上位に最上位(top.v)を配備します。これはクロックやリセットを供給するモジュールですが、Bsimの場合はシステムから暗黙にクロックやリセットが供給される一方、Verilogでは供給されないためです。

top.v

`timescale 1ns/1ns
module top();
      /*AUTOREGINPUT*/
      // Beginning of automatic reg inputs (for undeclared instantiated-module inputs)
      reg      CLK;        // To mkTb_inst of mkTb.v
      reg      RST_N;        // To mkTb_inst of mkTb.v
      // End of automatics
      /*AUTOWIRE*/
      mkTb mkTb_inst(/*AUTOINST*/
      // Inputs
      .CLK    (CLK),
      .RST_N    (RST_N));

      initial begin
            RST_N = 1'b0;
            #10;
            RST_N = 1'b1;
      end
      initial begin
            CLK = 1'b0;
            forever begin
        #5 CLK = ~CLK;
            end
      end
      initial begin
            $dumpfile("verilog.vcd");
            $dumpvars;
      end
endmodule // top

Verilogシミュレーションのコマンドは次のとおりです。

$ bsc -u -verilog Tb.bsv; iverilog top.v mkTb.v mkUart.v -o ./mkTb.exev; ./mkTb.exev; gtkwave -A verilog.gtkw

Verilogシミュレーションのほうには当然ですが、uart.done信号が存在します。

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