Registers【Turing Complete編】

2023年8月29日

Registersステージ

このステージのゴールは、1バイトデータをレジスター間でコピーする回路を組むことです。

入力からレジスターへ、レジスターから出力へというパターンもあります。

仕様を確認する

左上のアイコン一覧から歯車（Instructions）アイコンを押します。

Instructions画面が表示されます。

Instructionは8ビットですが、このステージではコピー処理をするモードに固定されています。

Instructions画面においてビットを操作することで、どこからどこへのコピーかを調べられます。

上位2桁は使わず、下位6桁のみを使用します。

※厳密には、このステージにおいて上位2桁がONになっても無視されます。それ以外のモードに切り替わることは想定しません。

例えば、全部OFFの状態だと、下に"Copy from REG 0 to REG 0″と表示されます。これはInstructionが0000 0000bなら、REG 0からREG 0にコピーすることを意味します。

皆さんは実際にビットをON・OFFして、挙動を確認してください。以下に、Instructionの表を載せておきます。

※ビット列はよく4桁区切りで表現されますが、ここではInstructionにおけるコピー元とコピー先が明確になるように区切ります。表現を買えただけで、本質的に何かが変わるわけではありません。または「*」は0と1のどちらでもよいことを意味します。

Instruction	コピー元	コピー先
** 000 000b	REG 0	REG 0
** 000 001b	REG 0	REG 1
** 000 010b	REG 0	REG 2
** 000 011b	REG 0	REG 3
** 000 100b	REG 0	REG 4
** 000 101b	REG 0	REG 5
** 000 110b	REG 0	OUTPUT
** 000 111b	REG 0	???
** 001 000b	REG 1	REG 0
** 010 000b	REG 2	REG 0
･･･	･･･	･･･
** 101 000b	REG 5	REG 0
** 110 000b	INPUT	REG 0
** 111 000b	???	REG 0

※ここでは「REG 0⇒＊」「＊⇒REG 0」のパターンだけに注目しましたが、「REG 2⇒REG 3」などのパターンも同様に考えられます。

クリア後にInstructions画面の挙動が変わる

この問題をクリアしてからInstructions画面を表示すると、以降の問題に合わせたInstruction画面になってしまいます。

※おそらくバグです。

上位2桁がImmediateの役割を持つようになります。この問題では上位2桁は使わずに常にコピー処理になりますので、最上位のみをONにしてCopyモードにしてからInstructionビット列を解読してください。

最初から回路に配置されているコンポーネント

位置	コンポーネント	仕様
左上	Instruction端子	【入力用】 8ビット列のInstructionを指定することで、回路に処理を指示できる。 Instructionはどこからどこへコピーするという内容。 具体的なInstructionの定義は前述した。
左下	Level input端子	【入力用】 ・Inputピン：転送対象の1バイトデータ。 ・Disable/Enableピン：1ビット 意味的に考えると、回路内のレジスター間でデータをコピーしている間はOFF（Disable）にする。バイトデータを回路に入力するときだけ、ON（Enable）にする。
右下	Level output端子	【出力用】 ・Outputピン：対象の1バイトデータ。 ・Disable/Enableピン：1ビット 意味的に考えると、回路内のレジスター間でデータをコピーしている間はOFF（Disable）にする。バイトデータを回路から出力するときだけ、ON（Enable）にする。
中央	Registerコンポーネント	8 Bit Registerが6個並んでいる。 一番上がレジスターREG 0、一番下がREG 5に対応する。 8 Bit Registerの入出力は次の通り。 【入力】 ・Loadピン：1ビット。ONなら、記憶しているデータをロードして出力。 ・Saveピン：1ビット。ONなら、データを記憶。 ・Save valueピン：1バイト。コピー対象のバイトデータが扱う。 【出力】 ・Outputピン：1バイト。

Registersステージを解く

1：設計ポイントを再考する

この問題では次の観点に着目すれば、回路の設計がスムーズにいくはずです。

・Instructionの仕様を見ると、2進数が入力先・出力先を決定している。

・入出力の対象として、Level input端子、Level output端子、6個のレジスターが登場する。それぞれにDisable/EnableピンやLoadピン・Saveピンがあるので、これをどうやってつなぐかを考える。

以上の2つから、Instructionのビット列をマルチプレクサーで分離して、対象コンポーネントのDisable/EnableピンやLoadピン・Saveピンにつなげばよさそうです。

2：バイトデータが転送されるワイヤーを配線する

先に簡単なことから解決しておきましょう。

コピー対象のデータは1バイト共通です。つまり、8ビット幅のバスと考えてよく、全コンポーネントを直接接続してもよいことになります。

※つながっていても、ロード状態やセーブ状態でなければ無視されるからです。

3：Instructionを分解して、コピー元とコピー先のワイヤーを確定する

Instruction端子からは1バイトのInstructionが来るので、まずは8 Bit Splitterで分離します。その後、コピー元の3ビット、コピー先の3ビットに対して、3 Bit decoderをつなげます。

4：コピー先の確定処理のためにワイヤリングする

上の3 Bit decoderがコピー先（レジスターあるいはLevel output端子）を決定するものになります。

3 Bit decoderの出力は1ビットが8つありますが、上からREG 0、REG 1、･･･、Level output端子に対応します。

特に、Level output端子のDisable/Enable端子がONになったときに、この端子が有効になります。つまり、3 Bit decorderの7桁目と直結します。

後は、各レジスターのLoadピンとSaveピンのどちらを使うのかという点が問題です。

結論からいうと、Saveピンを使います。コピー先はデータを記憶する側だからです。

以上を踏まえて配線すると次のようになります。

5：コピー元の確定処理のためにワイヤリングする

コピー元の確定処理についても、同様の考えでワイヤリングします。

コピー元はデータをロードする側なので、レジスターのLoadピンが使われます。

6：テストする

テストがパスすると、ステージをクリアします。