自作CPU入門5：ミニマムCPUの命令セット

回路をシンプルに，かつプログラムを記述しやすく

最小限必要な3つの命令


図1　CPUの命令セットを設計するときは，データの入出力，ジャンプ，レジスタの活用を考慮し，回路をシンプルに，そしてプログラムを記述しやすくする必要がある．画像クリックで動画を見る．または記事を読む

CPUの命令セットを設計する際には，データの入出力，ジャンプ，レジスタの活用といった要素を考慮し，かつ，回路をシンプルに，そしてプログラムを記述しやすくする工夫が求められます．特に，自作CPUではソフトウェアの記述負担を軽減するため，適切な命令処理回路を組み込むことが重要です．

CPUを自作する際には，まず命令セット（インストラクション・セット）を決めることが重要です．命令セットとは，CPUが実行できる基本的な動作の集合であり，プログラムの動作を決定します．特に最小限の命令セットを考えることで，シンプルな回路設計と効率的なプログラミングが可能になります．

CPUを設計するうえで，最低限必要な命令は以下の3種類です．

これら3つの命令があれば，基本的な計算処理が可能です．データの入出力を行い，条件によって処理を分岐させることができます．逆に，この3つの命令がなければ，CPUとしての機能を果たすことができません．

CPUの動作を効率化するために，レジスタを適切に配置することが重要です．レジスタとは，CPU内部にある高速な記憶装置で，データの一時的な保存に用いられます．レジスタを活用することで，以下のメリットがあります．

レジスタの数が増えると，CPUの回路が複雑になりますが，ソフトウェアの記述が容易になります．そのため，自作CPUではバランスを考慮しながら適切なレジスタ数を決めることが重要です．

アキュムレータ型CPUとは，1つのレジスタ（アキュムレータ）を中心に処理を行うシンプルなCPUアーキテクチャです．一般的な特徴は以下のとおりです．

初期のコンピュータや教育用CPU設計では，この方式がよく用いられます．〈著：ZEPマガジン〉

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