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自作CPU入門2：部品どうしをつなぐ「バス」


CPU，メモリ，I/Oが共有する会話用通信路

細切れにされたデータが転送される

図1　CPU，メモリ，I/Oは，相互にデータをやり取りするために同じ通信路を共有し，同時に1つの通信しか発生しないようにルールを決めて利用する．この通信路を「バス」と呼ぶ．通信路で一度に送れるデータ量は，32ビットまたは64ビットのとても小さなものなので，動画や文書などの大きなデータは，細分化して少しずつ転送する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む

部品どうしをつなぐ「バス」とは

CPU，メモリ，I/Oは相互にデータをやり取りするために「バス」と呼ばれる通信路を使用します．バスは複数の部品が同じ通信路を共有し，同時に1つの通信しか発生しないようにルールを決めて利用します．これにより，効率的にデータを送受信することが可能になります．

バスのデータ幅は32ビットや64ビットのように決められており，これにより一度に送れるデータ量が決まります．動画や文書のような大きなデータは，細分化して少しずつ転送されます．たとえば，4GBの動画データ（約32Gビット）を32ビットずつ転送する場合，10億回以上の転送が必要です．CPUはこのような膨大なデータ転送を正確に管理し，メモリやI/Oと連携して処理を行います．

CPUのデータ転送のしくみ

CPUはバスを介してデータをやり取りします．たとえば，CPUがHDDからメモリへデータを送る場合，以下のような手順で進みます．

  1. CPUがHDDに「32ビットのデータを1つメモリに送れ」と指示を出す
  2. HDDは32ビットのデータをメモリに送る
  3. メモリはデータを受け取る
  4. HDDは次の32ビットのデータをメモリに送る
  5. この処理を何億回も繰り返す

4GBの動画データを転送する場合，10億回以上のやり取りが必要です．CPUはこれを高速に繰り返し，データの流れを管理しています．

「バス」の役割

「バス」は，CPU，メモリ，I/Oをつなぐ通信路であり，データの流れを管理する重要な役割を担っています．バスにはいくつかの種類があり，代表的なものとして以下が挙げられます．

  1. データ・バス：CPUとメモリ，I/O間でデータを転送するためのバス
  2. アドレス・バス：メモリやI/Oのどの部分と通信するかを指定するためのバス
  3. 制御バス：データ転送のタイミングや命令を制御するためのバス

バスのデータ幅が大きくなると，一度に送れるデータ量が増え，処理速度が向上します．現在のコンピュータでは，より広いデータ幅をもつバスが採用され，高速な処理が可能になっています．〈著：ZEPマガジン〉

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チャプタ・リスト

  • 0:48 今回の内容
  • 2:02 前回 簡略化して説明した点①
  • 4:45 前回 簡略化して説明した点②
  • 5:53 バスで注意が要ること①
  • 7:35 バスで注意が要ること②
  • 8:38 バスで注意が要ること③
  • 10:14 おまけ：自作CPU派に！お勧め開発キット
  • 11:55 次回予告

動画講師（森岡 澄夫）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（森岡 澄夫）

  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．