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VHDLを用いたMIPSプロセッサ実装の基本と活用18選

MIPSプロセッサ 徹底解説 VHDL
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。

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●VHDLとMIPSで始めるプロセッサ設計入門

VHDLとMIPSを用いたプロセッサ設計は、電子工学の醍醐味を存分に味わえる分野です。

皆さんは大学で電気・電子工学を学び、C言語やPythonでプログラミングの基礎を身につけてきたことでしょう。

しかし、ハードウェア記述言語はまだ馴染みが薄いかもしれません。心配する必要はありません。

初めての方でも、段階を追って理解できるよう丁寧に解説していきます。

○VHDLとMIPSの基本概念

VHDLは「VHSIC Hardware Description Language」の略称です。

VHSIC自体は「Very High Speed Integrated Circuit」を意味します。

高速集積回路を記述する言語、つまりハードウェアの設計図を書くための言語と考えるといいでしょう。

一方、MIPSは「Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages」の略称です。

簡素化された命令セットを持つプロセッサアーキテクチャで、教育用途でも広く使われています。

VHDLを使ってMIPSプロセッサを設計することで、ハードウェアとソフトウェアの橋渡しを学べます。

抽象的な命令セットアーキテクチャが、どのように物理的な電子回路として実現されるのか、その過程を体験できるのです。

○プロジェクトの全体像

MIPSプロセッサの設計プロジェクトは、大きく分けて次のような流れになります。

  1. VHDLの基本文法の習得
  2. MIPSアーキテクチャの理解
  3. 各コンポーネント（ALU、レジスタファイル、制御ユニットなど）の設計
  4. コンポーネントの統合
  5. シミュレーションによる動作確認
  6. FPGAへの実装

各段階で、理論と実践を交えながら学習を進めていきます。

最終的には、自分で設計したプロセッサがFPGA上で動作する瞬間を体験できるはずです。

○サンプルコード1：VHDLでHello World!

VHDLに足を踏み入れる最初の一歩として、簡単な「Hello World」相当のコードを見てみましょう。

VHDLでは直接文字列を出力することはできませんが、LEDを点滅させる簡単な回路を作ることで、同様の効果を得られます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity hello_world is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           led : out STD_LOGIC);
end hello_world;

architecture Behavioral of hello_world is
    signal counter : unsigned(24 downto 0) := (others => '0');
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            counter <= counter + 1;
        end if;
    end process;

    led <= counter(24);
end Behavioral;

ここでは、クロック信号を入力として受け取り、LED出力を制御しています。

25ビットのカウンタを使用し、最上位ビットをLED出力に接続することで、約1秒間隔でLEDが点滅します。

コードの実行結果は、実際のハードウェア上で確認する必要がありますが、シミュレーション波形で動作を予測できます。

波形上では、clk信号の立ち上がりに合わせてcounterが増加し、led信号が周期的に変化する様子が観察できるでしょう。

●MIPSアーキテクチャの核心に迫る

MIPSアーキテクチャは、その簡潔さと教育的価値から、多くの大学でコンピュータアーキテクチャの教材として採用されています。

実際の商用プロセッサとしても使用された歴史があり、学習価値が高いと言えるでしょう。

○32ビットMIPS命令セットの詳細

32ビットMIPS命令セットは、固定長の命令形式を採用しています。

命令は大きく3つのタイプに分類されます。

  1. R型命令 -> レジスタ間演算を行う命令
  2. I型命令 -> 即値を使用する命令
  3. J型命令 -> ジャンプ命令

各命令タイプの基本的な形式は次のとおりです。

R型
[opcode(6bit)][rs(5bit)][rt(5bit)][rd(5bit)][shamt(5bit)][funct(6bit)]

I型
[opcode(6bit)][rs(5bit)][rt(5bit)][immediate(16bit)]

J型
[opcode(6bit)][address(26bit)]

例えば、加算命令(add)はR型に属し、次のように表現されます。

add $rd, $rs, $rt

この命令は、レジスタrs、rtの値を加算し、結果をレジスタrdに格納します。

○サンプルコード2：基本的なMIPS命令のVHDL実装

MIPSの基本命令をVHDLで実装してみましょう。

ここでは、加算命令(add)を例に取ります。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity alu is
    Port ( a : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           b : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           alu_control : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           result : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           zero : out STD_LOGIC);
end alu;

architecture Behavioral of alu is
begin
    process(a, b, alu_control)
        variable temp_result : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    begin
        case alu_control is
            when "0000" => -- ADD
                temp_result := std_logic_vector(unsigned(a) + unsigned(b));
            when others =>
                temp_result := (others => '0');
        end case;

        result <= temp_result;
        zero <= '1' when temp_result = x"00000000" else '0';
    end process;
end Behavioral;

この実装では、ALU(Arithmetic Logic Unit)の一部として加算操作を定義しています。

alu_controlSignalが”0000″の場合に加算を行い、結果がゼロの場合はzero信号をアサートします。

実行結果は、a = “00000000000000000000000000000101” (5)、b = “00000000000000000000000000000011” (3)、alu_control = “0000”とした場合、result = “00000000000000000000000000001000” (8)、zero = ‘0’となります。

○サンプルコード3：制御ユニットの設計と実装

制御ユニットは、命令のopcodeを解読し、各コンポーネントに適切な制御信号を送る役割を担います。

MIPSプロセッサの心臓部と言えるでしょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity control_unit is
    Port ( opcode : in STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0);
           reg_dst : out STD_LOGIC;
           branch : out STD_LOGIC;
           mem_read : out STD_LOGIC;
           mem_to_reg : out STD_LOGIC;
           alu_op : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
           mem_write : out STD_LOGIC;
           alu_src : out STD_LOGIC;
           reg_write : out STD_LOGIC);
end control_unit;

architecture Behavioral of control_unit is
begin
    process(opcode)
    begin
        case opcode is
            when "000000" => -- R-type
                reg_dst <= '1';
                branch <= '0';
                mem_read <= '0';
                mem_to_reg <= '0';
                alu_op <= "10";
                mem_write <= '0';
                alu_src <= '0';
                reg_write <= '1';
            when "100011" => -- lw
                reg_dst <= '0';
                branch <= '0';
                mem_read <= '1';
                mem_to_reg <= '1';
                alu_op <= "00";
                mem_write <= '0';
                alu_src <= '1';
                reg_write <= '1';
            when others =>
                reg_dst <= '0';
                branch <= '0';
                mem_read <= '0';
                mem_to_reg <= '0';
                alu_op <= "00";
                mem_write <= '0';
                alu_src <= '0';
                reg_write <= '0';
        end case;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、R型命令とlw(load word)命令に対する制御信号を生成しています。

opcodeに応じて適切な制御信号を設定しています。

実行結果は、opcode = “000000”(R型)の場合、reg_dst = ‘1’, branch = ‘0’, mem_read = ‘0’, mem_to_reg = ‘0’, alu_op = “10”, mem_write = ‘0’, alu_src = ‘0’, reg_write = ‘1’となります。

○サンプルコード4：ALUの設計とテスト

ALU(Arithmetic Logic Unit)は、プロセッサの演算を担当する重要なコンポーネントです。

加算や減算、論理演算などを行います。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity alu is
    Port ( a : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           b : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           alu_control : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           result : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           zero : out STD_LOGIC);
end alu;

architecture Behavioral of alu is
begin
    process(a, b, alu_control)
        variable temp_result : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    begin
        case alu_control is
            when "0000" => -- AND
                temp_result := a and b;
            when "0001" => -- OR
                temp_result := a or b;
            when "0010" => -- ADD
                temp_result := std_logic_vector(unsigned(a) + unsigned(b));
            when "0110" => -- SUB
                temp_result := std_logic_vector(unsigned(a) - unsigned(b));
            when "0111" => -- SLT (Set on Less Than)
                if signed(a) < signed(b) then
                    temp_result := x"00000001";
                else
                    temp_result := x"00000000";
                end if;
            when others =>
                temp_result := (others => '0');
        end case;

        result <= temp_result;
        zero <= '1' when temp_result = x"00000000" else '0';
    end process;
end Behavioral;

このALU設計では、AND、OR、ADD、SUB、SLT(Set on Less Than)の5つの演算を実装しています。

alu_control信号によって実行する演算を選択します。

テストベンチを作成し、ALUの動作を確認しましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity alu_tb is
end alu_tb;

architecture Behavioral of alu_tb is
    component alu
        Port ( a : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               b : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               alu_control : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
               result : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               zero : out STD_LOGIC);
    end component;

    signal a, b, result : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal alu_control : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
    signal zero : STD_LOGIC;

begin
    uut: alu port map (
        a => a,
        b => b,
        alu_control => alu_control,
        result => result,
        zero => zero
    );

    stim_proc: process
    begin
        -- Test ADD
        a <= x"00000005";
        b <= x"00000003";
        alu_control <= "0010";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000008" report "ADD failed" severity error;

        -- Test SUB
        alu_control <= "0110";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000002" report "SUB failed" severity error;

        -- Test AND
        alu_control <= "0000";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000001" report "AND failed" severity error;

        -- Test OR
        alu_control <= "0001";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000007" report "OR failed" severity error;

        -- Test SLT (true case)
        a <= x"00000002";
        b <= x"00000003";
        alu_control <= "0111";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000001" report "SLT (true case) failed" severity error;

        -- Test SLT (false case)
        a <= x"00000003";
        b <= x"00000002";
        wait for 10 ns;
        assert result = x"00000000" report "SLT (false case) failed" severity error;

        wait;
    end process;
end Behavioral;

このテストベンチでは、各演算に対して適切な入力を与え、期待される出力と一致するか確認しています。

シミュレーションを実行すると、各テストケースが正常に通過することを確認できるでしょう。

●基本文法から高度な技術まで

VHDLの分野に足を踏み入れると、まるで新しい言語を学ぶかのような感覚に襲われるかもしれません。

しかし、心配する必要はありません。

VHDLの基本を理解すれば、複雑な回路設計も夢ではありません。

まずは、VHDLの基礎となるデータ型と信号について学んでいきましょう。

○データ型と信号

VHDLにおいて、データ型と信号は回路設計の基礎となる重要な概念です。

デジタル回路を設計する際、様々な種類のデータを扱う必要があります。

VHDLでは、Boolean、Bit、Bit_Vector、STD_LOGIC、STD_LOGIC_VECTORなど、多様なデータ型が用意されています。

例えば、STD_LOGICは’0’、’1’、’Z’（高インピーダンス）、’X’（不定）などの値を取ることができ、実際のハードウェアの挙動をより正確にモデル化できます。

一方、信号（Signal）は、回路内の配線に相当するもので、時間とともに値が変化する可能性があります。

○サンプルコード5：エンティティとアーキテクチャの定義

VHDLでは、回路の外部インターフェースを定義する「エンティティ」と、その内部動作を記述する「アーキテクチャ」という2つの主要な構造があります。

簡単な例として、2入力ANDゲートを実装してみましょう。

-- エンティティの定義
entity and_gate is
    Port ( a : in STD_LOGIC;
           b : in STD_LOGIC;
           y : out STD_LOGIC);
end and_gate;

-- アーキテクチャの定義
architecture Behavioral of and_gate is
begin
    y <= a and b;
end Behavioral;

このコードでは、and_gateという名前のエンティティを定義し、2つの入力ポート（a, b）と1つの出力ポート（y）を持つことを宣言しています。

アーキテクチャ部分では、実際の論理演算（a and b）を記述しています。

実行結果は、入力aとbの値に応じて変化します。

例えば、a=’1’、b=’1’の場合、y=’1’となり、それ以外の組み合わせではy=’0’となります。

○サンプルコード6：プロセスとコンカレント文の使い分け

VHDLには、「プロセス」と「コンカレント文」という2つの主要な記述方法があります。

プロセスは逐次実行される文の集まりで、特定の条件（センシティビティリスト）が満たされたときに実行されます。

一方、コンカレント文は常に並列に実行されます。

ここでは、D型フリップフロップをプロセスで実装した例を紹介します。

entity d_flip_flop is
    Port ( d : in STD_LOGIC;
           clk : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end d_flip_flop;

architecture Behavioral of d_flip_flop is
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            q <= d;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、クロック信号の立ち上がりエッジでデータ入力（d）を出力（q）に転送するD型フリップフロップを実装しています。

プロセスを使用することで、クロックに同期した動作を簡潔に記述できます。

実行結果は、クロック信号のpositive edgeごとに入力dの値が出力qに反映されます。

例えば、clkが’0’から’1’に変化する瞬間にd=’1’であれば、qも’1’になります。

○サンプルコード7：コンポーネントの設計と再利用

大規模な回路を設計する際、コンポーネントを活用することで設計の再利用性と可読性が向上します。

例として、先ほど作成したANDゲートを使用して、3入力ANDゲートを作成してみましょう。

-- 2入力ANDゲートのエンティティ（前述のコードと同じ）
entity and_gate is
    Port ( a : in STD_LOGIC;
           b : in STD_LOGIC;
           y : out STD_LOGIC);
end and_gate;

-- 2入力ANDゲートのアーキテクチャ（前述のコードと同じ）
architecture Behavioral of and_gate is
begin
    y <= a and b;
end Behavioral;

-- 3入力ANDゲートのエンティティ
entity three_input_and is
    Port ( a : in STD_LOGIC;
           b : in STD_LOGIC;
           c : in STD_LOGIC;
           y : out STD_LOGIC);
end three_input_and;

-- 3入力ANDゲートのアーキテクチャ
architecture Structural of three_input_and is
    -- コンポーネントの宣言
    component and_gate is
        Port ( a : in STD_LOGIC;
               b : in STD_LOGIC;
               y : out STD_LOGIC);
    end component;

    -- 中間信号の宣言
    signal temp : STD_LOGIC;
begin
    -- コンポーネントのインスタンス化
    AND1: and_gate port map (a => a, b => b, y => temp);
    AND2: and_gate port map (a => temp, b => c, y => y);
end Structural;

このコードでは、2つの2入力ANDゲートを組み合わせて3入力ANDゲートを作成しています。

コンポーネントを使用することで、既存の設計を簡単に再利用できます。

実行結果は、3つの入力a、b、cがすべて’1’の場合にのみ出力yが’1’になり、それ以外の場合は’0’になります。

●シングルサイクルMIPSプロセッサの実装

シングルサイクルMIPSプロセッサの実装は、コンピュータアーキテクチャ理解の重要なステップです。

各命令が1クロックサイクルで完了するシンプルな設計ですが、基本的なプロセッサの動作原理を学ぶのに適しています。

○サンプルコード8：データパスの設計

データパスは、プロセッサ内でデータが流れる経路を定義します。

主要なコンポーネントとして、レジスタファイル、ALU、メモリなどがあります。

ここでは、レジスタファイルの実装例を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity register_file is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           we : in STD_LOGIC;
           read_reg1 : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
           read_reg2 : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
           write_reg : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
           write_data : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           read_data1 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           read_data2 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end register_file;

architecture Behavioral of register_file is
    type reg_array is array(0 to 31) of STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal registers : reg_array := (others => (others => '0'));
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if we = '1' then
                registers(to_integer(unsigned(write_reg))) <= write_data;
            end if;
        end if;
    end process;

    read_data1 <= registers(to_integer(unsigned(read_reg1)));
    read_data2 <= registers(to_integer(unsigned(read_reg2)));
end Behavioral;

このレジスタファイルは、32個の32ビットレジスタを持ち、2つの読み出しポートと1つの書き込みポートを提供します。

クロックの立ち上がりエッジで、書き込み有効信号（we）が’1’の場合にデータを書き込みます。

実行結果は、read_reg1とread_reg2で指定されたレジスタの内容がread_data1とread_data2に出力されます。

書き込み操作が行われた場合、次のクロックサイクルから新しい値が反映されます。

○サンプルコード9：命令デコーダの実装

命令デコーダは、フェッチされた命令を解析し、適切な制御信号を生成する重要なコンポーネントです。

ここでは、基本的な命令デコーダの実装例を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity instruction_decoder is
    Port ( instruction : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           reg_dst : out STD_LOGIC;
           alu_src : out STD_LOGIC;
           mem_to_reg : out STD_LOGIC;
           reg_write : out STD_LOGIC;
           mem_read : out STD_LOGIC;
           mem_write : out STD_LOGIC;
           branch : out STD_LOGIC;
           alu_op : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
end instruction_decoder;

architecture Behavioral of instruction_decoder is
    signal opcode : STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0);
begin
    opcode <= instruction(31 downto 26);

    process(opcode)
    begin
        case opcode is
            when "000000" => -- R-type
                reg_dst <= '1';
                alu_src <= '0';
                mem_to_reg <= '0';
                reg_write <= '1';
                mem_read <= '0';
                mem_write <= '0';
                branch <= '0';
                alu_op <= "10";
            when "100011" => -- lw
                reg_dst <= '0';
                alu_src <= '1';
                mem_to_reg <= '1';
                reg_write <= '1';
                mem_read <= '1';
                mem_write <= '0';
                branch <= '0';
                alu_op <= "00";
            when "101011" => -- sw
                reg_dst <= '0'; -- don't care
                alu_src <= '1';
                mem_to_reg <= '0'; -- don't care
                reg_write <= '0';
                mem_read <= '0';
                mem_write <= '1';
                branch <= '0';
                alu_op <= "00";
            when "000100" => -- beq
                reg_dst <= '0'; -- don't care
                alu_src <= '0';
                mem_to_reg <= '0'; -- don't care
                reg_write <= '0';
                mem_read <= '0';
                mem_write <= '0';
                branch <= '1';
                alu_op <= "01";
            when others =>
                reg_dst <= '0';
                alu_src <= '0';
                mem_to_reg <= '0';
                reg_write <= '0';
                mem_read <= '0';
                mem_write <= '0';
                branch <= '0';
                alu_op <= "00";
        end case;
    end process;
end Behavioral;

この命令デコーダは、入力された32ビット命令からopcodeを抽出し、適切な制御信号を生成します。

R型命令、load word (lw)、store word (sw)、branch if equal (beq) の4種類の命令に対応しています。

実行結果は、入力された命令のopcodeに応じて、各制御信号が適切に設定されます。

例えば、R型命令（opcode=”000000″）の場合、reg_dst=’1’、alu_src=’0’、mem_to_reg=’0’、reg_write=’1’、mem_read=’0’、mem_write=’0’、branch=’0’、alu_op=”10″となります。

○サンプルコード10：メモリインターフェースの構築

プロセッサとメモリの間のインターフェースは、データの読み書きを管理する重要な役割を果たします。

ここでは、簡単なメモリインターフェースの実装例を見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity memory_interface is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           address : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           write_data : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           mem_read : in STD_LOGIC;
           mem_write : in STD_LOGIC;
           read_data : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end memory_interface;

architecture Behavioral of memory_interface is
    type mem_array is array(0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal memory : mem_array := (others => (others => '0'));
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if mem_write = '1' then
                memory(to_integer(unsigned(address(7 downto 0)))) <= write_data;
            end if;
        end if;
    end process;

    read_data <= memory(to_integer(unsigned(address(7 downto 0)))) when mem_read = '1' else
                 (others => '0');
end Behavioral;

このメモリインターフェースは、256ワード（各32ビット）のメモリを実装しています。

メモリ書き込みはクロックの立ち上がりエッジで行われ、読み出しは非同期で行われます。

実行結果は、mem_write=’1’の場合、指定されたアドレスにwrite_dataが書き込まれます。

mem_read=’1’の場合、指定されたアドレスのデータがread_dataに出力されます。

例えば、address=”00000000000000000000000000000100″（4番地）、write_data=x”ABCD1234″、mem_write=’1’とすると、4番地にx”ABCD1234″が書き込まれます。

その後、同じアドレスでmem_read=’1’とすると、read_dataにx”ABCD1234″が出力されます。

○サンプルコード11：完全なシングルサイクルプロセッサ

ここまで学んだコンポーネントを組み合わせて、シングルサイクルMIPSプロセッサを実装してみましょう。

簡略化のため、一部の命令のみをサポートする基本的な実装を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity mips_processor is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           -- 外部メモリインターフェース
           mem_address : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           mem_write_data : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           mem_read_data : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           mem_write_enable : out STD_LOGIC);
end mips_processor;

architecture Behavioral of mips_processor is
    -- 各種コンポーネントの宣言
    component register_file is
        Port ( clk : in STD_LOGIC;
               we : in STD_LOGIC;
               read_reg1 : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
               read_reg2 : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
               write_reg : in STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
               write_data : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               read_data1 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               read_data2 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
    end component;

    component alu is
        Port ( a : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               b : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               alu_control : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
               result : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               zero : out STD_LOGIC);
    end component;

    component instruction_decoder is
        Port ( instruction : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               reg_dst : out STD_LOGIC;
               alu_src : out STD_LOGIC;
               mem_to_reg : out STD_LOGIC;
               reg_write : out STD_LOGIC;
               mem_read : out STD_LOGIC;
               mem_write : out STD_LOGIC;
               branch : out STD_LOGIC;
               alu_op : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
    end component;

    -- 内部信号の宣言
    signal pc : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0');
    signal instruction : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal reg_dst, alu_src, mem_to_reg, reg_write, mem_read, branch : STD_LOGIC;
    signal alu_op : STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
    signal reg_write_addr : STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0);
    signal reg_write_data : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal reg_read_data1, reg_read_data2 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal alu_in2 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal alu_result : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal alu_zero : STD_LOGIC;
    signal branch_target : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);

begin
    -- PCの更新
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            pc <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            if (branch = '1' and alu_zero = '1') then
                pc <= std_logic_vector(unsigned(pc) + unsigned(branch_target));
            else
                pc <= std_logic_vector(unsigned(pc) + 4);
            end if;
        end if;
    end process;

    -- 命令フェッチ
    mem_address <= pc;
    instruction <= mem_read_data when mem_read = '1' else (others => '0');

    -- 命令デコード
    decoder: instruction_decoder port map (
        instruction => instruction,
        reg_dst => reg_dst,
        alu_src => alu_src,
        mem_to_reg => mem_to_reg,
        reg_write => reg_write,
        mem_read => mem_read,
        mem_write => mem_write_enable,
        branch => branch,
        alu_op => alu_op
    );

    -- レジスタファイル
    reg_file: register_file port map (
        clk => clk,
        we => reg_write,
        read_reg1 => instruction(25 downto 21),
        read_reg2 => instruction(20 downto 16),
        write_reg => reg_write_addr,
        write_data => reg_write_data,
        read_data1 => reg_read_data1,
        read_data2 => reg_read_data2
    );

    reg_write_addr <= instruction(20 downto 16) when reg_dst = '0' else
                      instruction(15 downto 11);

    -- ALU
    alu_inst: alu port map (
        a => reg_read_data1,
        b => alu_in2,
        alu_control => alu_op & "00",  -- 簡略化のため、ALU制御を直接alu_opから生成
        result => alu_result,
        zero => alu_zero
    );

    alu_in2 <= reg_read_data2 when alu_src = '0' else
               std_logic_vector(resize(signed(instruction(15 downto 0)), 32));

    -- データメモリアクセス
    mem_address <= alu_result;
    mem_write_data <= reg_read_data2;

    -- 書き戻し
    reg_write_data <= mem_read_data when mem_to_reg = '1' else alu_result;

    -- 分岐ターゲットの計算
    branch_target <= std_logic_vector(shift_left(resize(signed(instruction(15 downto 0)), 32), 2));

end Behavioral;

このシングルサイクルMIPSプロセッサは、基本的なR型命令、ロード/ストア命令、分岐命令をサポートしています。

各クロックサイクルで、命令フェッチ、デコード、実行、メモリアクセス、書き戻しの5つのステージを1サイクルで処理します。

実行結果は、プログラムカウンタ（PC）の値に応じてフェッチされた命令によって決まります。

例えば、add命令の場合、2つのレジスタの値がALUで加算され、結果が目的のレジスタに書き戻されます。

lw（ロード）命令の場合、ALUで計算されたアドレスからデータがフェッチされ、指定されたレジスタに格納されます。

このシングルサイクルプロセッサは、1命令あたり1クロックサイクルを要するため、性能面では制限がありますが、設計がシンプルで理解しやすいという利点があります。

実際の応用では、パイプライン化やキャッシュの導入などの最適化技術を用いて、より高性能なプロセッサを設計することができます。

●VHDLからハードウェアへ

VHDLで設計したMIPSプロセッサを実際のハードウェアで動作させる段階に到達しました。

抽象的な記述から物理的な回路への変換は、多くのエンジニアにとって感動的な瞬間です。

FPGAという柔軟なプラットフォームを活用し、設計したプロセッサを現実世界で動作させる過程を詳しく見ていきましょう。

○FPGAの基礎知識とツールチェーン

FPGAとはField-Programmable Gate Arrayの略称で、プログラム可能な論理ゲートの集合体です。

VHDLで記述した回路を、実際のハードウェアとして即座に実現できる便利なデバイスです。

FPGAを使用するための主要なツールチェーンには、Xilinx社のVivadoやIntel社のQuartus Primeなどがあります。

開発の流れは通常、HDL設計、シミュレーション、論理合成、配置配線、ビットストリーム生成という順序で進みます。

例えば、Vivadoを使用する場合、プロジェクト作成から始まり、VHDLファイルの追加、合成、実装、ビットストリーム生成までの一連の作業をGUIまたはTcl/tkスクリプトで行うことができます。

○サンプルコード12：FPGAに最適化したVHDLコード

FPGAでの実装を念頭に置いたVHDLコードは、シンプルなソフトウェアシミュレーション用のコードとは少し異なります。

例えば、クロック生成回路の実装を見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity clock_divider is
    Port ( clk_in : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           clk_out : out STD_LOGIC);
end clock_divider;

architecture Behavioral of clock_divider is
    signal counter : unsigned(27 downto 0) := (others => '0');
    signal clk_internal : STD_LOGIC := '0';
begin
    process(clk_in, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            counter <= (others => '0');
            clk_internal <= '0';
        elsif rising_edge(clk_in) then
            if counter = 49999999 then  -- 50MHz入力を1Hzに分周
                counter <= (others => '0');
                clk_internal <= not clk_internal;
            else
                counter <= counter + 1;
            end if;
        end if;
    end process;

    clk_out <= clk_internal;
end Behavioral;

このコードは、FPGAの入力クロック（例えば50MHz）を1Hzに分周する回路を実装しています。

FPGAの豊富な内部リソースを活用し、大きなカウンタを使用しても問題ありません。

実行結果として、clk_outは1秒ごとに0と1を繰り返す信号となります。

FPGAボード上のLEDに接続すれば、1秒間隔で点滅する動作が確認できるでしょう。

○サンプルコード13：タイミング制約の設定

FPGAで設計を実装する際、タイミング制約の設定は非常に重要です。

適切な制約を設定することで、設計した回路が期待通りの速度で動作することを保証できます。

Xilinx FPGAの場合、XDC（Xilinx Design Constraints）ファイルを使用してタイミング制約を指定します。

# クロックの定義
create_clock -period 10.000 -name sys_clk_pin -waveform {0.000 5.000} [get_ports clk_in]

# 入力遅延の設定
set_input_delay -clock [get_clocks sys_clk_pin] -min -add_delay 1.000 [get_ports reset]
set_input_delay -clock [get_clocks sys_clk_pin] -max -add_delay 5.000 [get_ports reset]

# 出力遅延の設定
set_output_delay -clock [get_clocks sys_clk_pin] -min -add_delay 0.500 [get_ports clk_out]
set_output_delay -clock [get_clocks sys_clk_pin] -max -add_delay 2.500 [get_ports clk_out]

# フォルスパスの指定
set_false_path -from [get_ports reset] -to [get_clocks sys_clk_pin]

このXDCファイルでは、システムクロックを10ns周期（100MHz）で定義し、reset信号の入力遅延とclk_out信号の出力遅延を指定しています。

また、reset信号からクロックへのパスをフォルスパスとして指定し、タイミング解析から除外しています。

実行結果として、この制約ファイルを使用することで、合成ツールは指定されたタイミング要件を満たすように回路を最適化します。

タイミングレポートを確認し、全てのパスが制約を満たしていることを確認できます。

○サンプルコード14：FPGA特有の機能を活用した最適化

FPGAには、DSP（Digital Signal Processing）ブロックやBRAM（Block RAM）など、特殊な機能ブロックが搭載されています。

これを活用することで、効率的な回路設計が可能になります。例えば、BRAMを使用したメモリ実装を見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity bram_memory is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           we : in STD_LOGIC;
           addr : in STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
           din : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           dout : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end bram_memory;

architecture Behavioral of bram_memory is
    type ram_type is array (0 to 1023) of std_logic_vector(31 downto 0);
    signal RAM : ram_type;
    attribute ram_style : string;
    attribute ram_style of RAM : signal is "block";
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if we = '1' then
                RAM(to_integer(unsigned(addr))) <= din;
            end if;
            dout <= RAM(to_integer(unsigned(addr)));
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、ram_style属性を使用してBRAMの使用を明示的に指示しています。

FPGAの合成ツールは、この指示に従ってBRAMリソースを割り当てます。

実行結果として、1024ワードの32ビットメモリが効率的にBRAMリソースを使用して実装されます。

通常のLUT（Look-Up Table）ベースの実装と比較して、より多くのメモリを少ないリソースで実現できます。

●よくあるエラーと対処法

VHDLでのFPGA設計において、様々なエラーに遭遇することがあります。

ここでは、頻繁に発生するエラーとその対処法について解説します。

○シンタックスエラーの解決策

シンタックスエラーは、VHDLの文法規則に違反した記述をした際に発生します。

例えば、セミコロンの抜け落ち、キーワードのスペルミス、括弧の不一致などが原因となります。

シンタックスエラーの例

entity example is
    Port ( a : in STD_LOGIC
           b : out STD_LOGIC);  -- セミコロンが抜けている
end example

architecture Behavioral of example is
begin
    b <= not a  -- セミコロンが抜けている
end Behavioral;

解決策としては、エラーメッセージを注意深く読み、指摘された行を確認します。

多くの場合、IDEの支援機能やシンタックスハイライトが役立ちます。

また、インデントを適切に行い、コードの構造を視覚的に明確にすることで、エラーの発見が容易になります。

○タイミング違反の対処方法

タイミング違反は、設計した回路が指定された動作周波数を満たせない場合に発生します。

主な原因として、組み合わせ回路の深さが大きすぎる、クリティカルパスが長すぎるなどが挙げられます。

タイミング違反の例
合成レポートで「Timing constraints are not met」というメッセージが表示される場合。

解決策としては、次のアプローチが効果的です。

  1. パイプライン化 -> 長い組み合わせ回路にレジスタを挿入し、処理を複数のステージに分割します。
  2. リタイミング -> クリティカルパス上のレジスタの位置を最適化します。
  3. 並列化 -> 処理を複数の並列パスに分割し、各パスの遅延を減らします。
  4. 動作周波数の調整 -> 要求される性能を満たせる範囲で、動作周波数を下げることを検討します。

例えば、長い組み合わせ回路をパイプライン化する例を見てみましょう。

-- パイプライン化前
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        result <= a + b + c + d + e;
    end if;
end process;

-- パイプライン化後
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        temp1 <= a + b;
        temp2 <= c + d;
        temp3 <= temp1 + temp2;
        result <= temp3 + e;
    end if;
end process;

パイプライン化により、1クロックサイクルあたりの処理量は減りますが、より高い動作周波数を実現できます。

○シミュレーションと実機の動作の差異

シミュレーションで正常に動作するVHDLコードが、実機のFPGAで期待通りに動作しないことがあります。

主な原因として、初期化の問題、タイミングの問題、非同期リセットの扱いなどが挙げられます。

例えば、シミュレーションでは問題なく動作するが、実機では予期せぬ動作をする例を考えてみましょう。

architecture Behavioral of example is
    signal counter : unsigned(3 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if counter = 15 then
                counter <= (others => '0');
            else
                counter <= counter + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは、シミュレーションでは問題なく動作しますが、実機ではcounterの初期値が不定となり、期待通りに動作しない可能性があります。

解決策として、明示的な初期化を行います。

architecture Behavioral of example is
    signal counter : unsigned(3 downto 0) := (others => '0');
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if counter = 15 then
                counter <= (others => '0');
            else
                counter <= counter + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

また、非同期リセット信号を追加することで、電源投入時の不定状態を回避できます。

architecture Behavioral of example is
    signal counter : unsigned(3 downto 0);
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            counter <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            if counter = 15 then
                counter <= (others => '0');
            else
                counter <= counter + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このように、シミュレーションと実機の動作の差異に注意を払い、適切な初期化とリセット処理を行うことで、信頼性の高い設計が可能になります。

実機での動作確認には、チップスコープやILAなどの内部ロジックアナライザを活用すると効果的です。FPGAの内部信号をリアルタイムで観測し、問題の原因を特定できます。

●MIPSプロセッサの応用例

MIPSプロセッサの設計スキルを身につけた今、様々な応用分野への展開が可能です。

実際のプロジェクトを通じて、知識を実践に移す段階に来ました。

○サンプルコード15：簡単な暗号化アルゴリズムの実装

セキュリティは現代のデジタルシステムにおいて重要な要素です。

MIPSプロセッサを用いて、簡単な暗号化アルゴリズムを実装してみましょう。

ここでは、XOR暗号を例に取り上げます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity xor_cipher is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           key : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end xor_cipher;

architecture Behavioral of xor_cipher is
    signal encrypted_data : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            encrypted_data <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            encrypted_data <= data_in xor key;
        end if;
    end process;

    data_out <= encrypted_data;
end Behavioral;

このXOR暗号モジュールは、入力データと鍵をビット単位でXOR演算することで暗号化を行います。

同じ操作で復号も可能な簡単なアルゴリズムです。

実行結果として、例えばdata_in = “10101010101010101010101010101010”、key = “11111111000000001111111100000000”の場合、data_out = “01010101101010100101010110101010”となります。

○サンプルコード16：画像処理パイプラインの構築

画像処理は、MIPSプロセッサの性能を活かせる応用分野の一つです。

簡単な画像フィルタ処理をパイプライン化して実装してみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity image_pipeline is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           pixel_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           pixel_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end image_pipeline;

architecture Behavioral of image_pipeline is
    type pixel_array is array (0 to 2) of unsigned(7 downto 0);
    signal pixel_buffer : pixel_array;
    signal temp_result : unsigned(9 downto 0);
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            pixel_buffer <= (others => (others => '0'));
            temp_result <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            -- シフトレジスタ
            pixel_buffer(2) <= pixel_buffer(1);
            pixel_buffer(1) <= pixel_buffer(0);
            pixel_buffer(0) <= unsigned(pixel_in);

            -- 3点移動平均フィルタ
            temp_result <= ("00" & pixel_buffer(0)) + ("00" & pixel_buffer(1)) + ("00" & pixel_buffer(2));
        end if;
    end process;

    -- 結果の正規化（3で割る代わりに2ビット右シフト）
    pixel_out <= std_logic_vector(temp_result(9 downto 2));
end Behavioral;

このパイプラインは、入力ピクセルの3点移動平均を計算するシンプルな画像フィルタです。

パイプライン処理により、高いスループットを実現しています。

実行結果として、例えば連続する入力ピクセル値が100, 150, 200の場合、3サイクル後に出力される pixel_out の値は (100 + 150 + 200) / 3 ≈ 150 となります。

○サンプルコード17：IoTデバイス用の低電力MIPSコア

IoT（Internet of Things）デバイスでは、低消費電力が重要です。

省電力設計を意識したMIPSコアを実装してみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity low_power_mips is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           sleep_mode : in STD_LOGIC;
           instruction : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end low_power_mips;

architecture Behavioral of low_power_mips is
    signal pc : unsigned(31 downto 0) := (others => '0');
    signal reg_file : array (0 to 31) of std_logic_vector(31 downto 0);
    signal alu_result : std_logic_vector(31 downto 0);
    signal clock_enable : std_logic;
begin
    -- クロックゲーティング
    clock_enable <= not sleep_mode;

    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            pc <= (others => '0');
            reg_file <= (others => (others => '0'));
        elsif rising_edge(clk) and clock_enable = '1' then
            -- 通常のMIPS処理をここに実装
            -- （簡略化のため詳細は省略）
            pc <= pc + 4;
        end if;
    end process;

    -- 省電力モードの実装
    process(sleep_mode)
    begin
        if sleep_mode = '1' then
            data_out <= (others => 'Z');  -- ハイインピーダンス状態
        else
            data_out <= alu_result;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコア設計では、sleep_mode信号を用いてクロックゲーティングを実装し、不要な動作を停止させることで消費電力を削減しています。

また、スリープモード時にはデータ出力をハイインピーダンス状態にすることで、接続された周辺回路の消費電力も抑えています。

実行結果として、sleep_mode = ‘0’の通常動作時はMIPS命令を実行し、sleep_mode = ‘1’のスリープモード時はクロック停止とデータ出力のハイインピーダンス化により、大幅な省電力化を実現します。

○サンプルコード18：マルチコアMIPSシステムの設計

現代のプロセッサアーキテクチャでは、マルチコア設計が一般的です。

MIPSアーキテクチャを基にした簡単なデュアルコアシステムを実装してみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity dual_core_mips is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           instruction_1 : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           instruction_2 : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_out_1 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
           data_out_2 : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
end dual_core_mips;

architecture Behavioral of dual_core_mips is
    component mips_core is
        Port ( clk : in STD_LOGIC;
               reset : in STD_LOGIC;
               instruction : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
               data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0));
    end component;

    signal shared_memory : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0);
    signal core_1_mem_access, core_2_mem_access : STD_LOGIC;
    signal arbiter_select : STD_LOGIC := '0';
begin
    -- コア1のインスタンス化
    core_1: mips_core
        port map (
            clk => clk,
            reset => reset,
            instruction => instruction_1,
            data_in => shared_memory,
            data_out => data_out_1
        );

    -- コア2のインスタンス化
    core_2: mips_core
        port map (
            clk => clk,
            reset => reset,
            instruction => instruction_2,
            data_in => shared_memory,
            data_out => data_out_2
        );

    -- 共有メモリへのアクセス調停
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            arbiter_select <= '0';
            shared_memory <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            arbiter_select <= not arbiter_select;
            if arbiter_select = '0' and core_1_mem_access = '1' then
                shared_memory <= data_out_1;
            elsif arbiter_select = '1' and core_2_mem_access = '1' then
                shared_memory <= data_out_2;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このデュアルコアシステムでは、2つのMIPSコアが共有メモリを介して通信します。

簡単な調停機構により、各コアが交互にメモリにアクセスできるようになっています。

実行結果として、各コアは独立して命令を実行しつつ、共有メモリを通じてデータを交換できます。

例えば、core_1が計算結果をshared_memoryに書き込み、次のサイクルでcore_2がその値を読み取って処理を行うといった協調動作が可能になります。

まとめ

VHDLを用いたMIPSプロセッサの実装について、基礎から応用まで幅広く学んできました。

ハードウェア記述言語の基本的な概念から始まり、プロセッサアーキテクチャの核心、そしてFPGAへの実装に至るまで、段階的に理解を深めてきました。

今後の展望として、より高度な最適化技術やパイプライン化、キャッシュメモリの実装など、現代のプロセッサアーキテクチャで使われる技術にも挑戦してみるのも良いでしょう。

また、オープンソースのRISC-V arquitectureなど、最新のプロセッサアーキテクチャにも目を向けることで、さらなる知識の拡大が期待できます。