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自作CPU入門：コンピュータの頭脳を理解する


AIやロボットの頭脳はこうなっている

コンピュータの中身と動き

図1　CPUを自作することは，単なる知識の習得を超えて，コンピュータの本質を理解するための実践的なアプローチ．CPU，メモリ，I/Oの連携を学ぶことで，コンピュータの動作原理が明確になる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］森岡 澄夫

コンピュータのしくみを知る

CPUはコンピュータの頭脳です．普段使っているスマートフォンやパソコンの内部では，CPUが膨大な計算を行いながらデータを処理しています．CPUを自作することで，コンピュータの動作原理が直感的に理解できます．次のようなポイントが実感できます．

  1. コンピュータにできることとできないことが明確になる．
  2. コンピュータの動作スピードを体感できる．
  3. マイコン・システムやパソコンを自由にカスタマイズできる．

単にプログラムを書くのとは異なり，CPUを作ることでコンピュータがどのように動作するかを本質的に理解できます．これにより，より最適な設計や効率的なアルゴリズムを考える力が養われます．

CPUを自作する楽しさ

CPUを自作することには，実利的な面と楽しさの両方があります．特に，自分の設計したCPUが動作する瞬間には大きな達成感があります．

  1. 中身のわからないブラックボックスとしてのCPUではなく，自分の手で作ったものとして理解できる．
  2. 動作原理を把握することで，ハードウェアとソフトウェアの最適な組み合わせを考えられる．
  3. オリジナルのCPUを開発し，特定の用途に特化した設計ができる．

宇宙開発の分野では，特定の環境に適応したカスタムCPUが必要とされます．そのため，CPUの自作技術は単なる趣味ではなく，実際の技術開発にも応用されています．

キーワード

CPUを理解するためには，コンピュータの基本構成を押さえておくことが重要です．コンピュータは以下の3つの主要回路で構成されています．

  1. CPU（中央処理装置）:データの処理を行う．
  2. メモリ:データの一時保存を行う．
  3. I/O（入出力）:外部デバイスとのやりとりを行う．

これらが連携することで，コンピュータは動作します．たとえば，プログラムを実行する際には，メモリからデータを読み取り，CPUが計算を行い，結果を再びメモリに格納し，必要に応じてI/Oを介して外部に出力します．

コンピュータの基本動作を理解することは，CPUを自作する上での基礎になります．このしくみを把握することで，CPU設計の最適化や，専用用途に合わせたカスタム化が可能になります．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

チャプタ・リスト

  • 0:36 自己紹介
  • 1:59 なぜ自作するのか
  • 4:02 今回の内容
  • 4:54 例1：パソコンやスマホで動画再生
  • 5:41 コンピュータの構成要素
  • 4:41 つけて消す？
  • 13:16 例2：マイコンでLチカ
  • 17:13 おまけ：自作CPU派に！お勧め開発キット
  • 18:10 次回予告

著者紹介

  • NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

  1. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/Pi KIT］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
  9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
  10. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
  13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．