Turing Complete【Turing Complete編】

2023年8月24日2023年8月25日

Turing Completeステージ

Turing CompleteステージはCPU ARCHITECTUREセクションの最終ステージであり、ステージのゴールはCPU回路を完成させることです。

Conditionモードがまだ実装されておらず、過去にアンロックしたCONDコンポーネントを組み込むことになります。

※ここをクリアすると、コンピューターがアンロックされて、以降はPROGRAMMINGセクションに進みます。

Conditionモードを実現するCONDコンポーネント

Instructionビット列の上位2桁が11bならConditionモード

例えば、Instructionビット列が1100 0011bだった場合は、Conditionモードで処理されます。

下3桁で条件式を区別します。

Conditionモードが指定された場合は、REG 3のバイトデータを対象に条件式を満たすかを判定し、満たしたらREG 0のバイトデータをプログラムカウンターに上書きします。

Conditionモードの目的

通常プログラムカウンターはインクリメントした値を出力し、その結果プログラムメモリーを1番地ずつずらしながらバイトデータを取り出し、CPU回路（のコア部分）に送り出していきます。

Conditionモードは条件が満たされると、プログラムカウンターの値が上書きされるといいました。上書きされるということは、プログラムメモリーにおいて隣の番地ではなく、別の番地にジャンプしてバイトデータが取り出されます。つまり、プログラムは通常逐次的に処理されますが、条件によって処理が分岐して、処理先が飛ぶ場合があります。これを実現するための回路なのです。

※アセンブリ言語の世界では、比較命令と条件ジャンプ命令をセットで使います。比較命令を実行すると、フラグレジスター内の一部のフラグが切り替わります。次の条件ジャンプ命令によって、フラグの状態を見てジャンプして処理を進めるか、そのまま逐次的に処理に進めるかが決まります。

CONDコンポーネントの入出力

入力	・Conditionピン･･･8ビット。Instuctionビット列。 ・Inputピン･･･8ビット。（0との大小比較を比較する）対象バイトデータ。
出力	・Resultピン･･･1ビット。比較結果。大小比較の条件式が真（True）ならON、それ以外ならOFF。 ※常にONやOFFになるパターンもある。

CONDコンポーネントが内部で判定している条件式

Instructionビット列の下3桁	条件式（満たせばResultからONを出力）
000b	常にOFFを出力
001b	「REG 3 = 0」ならONを出力
010b	「REG 3 ＜ 0」ならONを出力
011b	「REG 3 ≦0」ならONを出力
100b	常にONを出力
101b	「REG 3 ≠ 0」ならONを出力
110b	「REG 3 ≧ 0」ならONを出力
111b	「REG 3 ＞ 0」ならONを出力

※Conditionsステージの記事を読み直すと、CONDコンポーネントやConditionモードの理解を深められるはずです。

Turing Completeステージを解く

1：CONDコンポーネントの入力をワイヤリングする

REG 3の右側にCONDコンポーネントを配置します。

CONDコンポーネントはREG 3が保持するバイトデータを対象とするので、入力として受け取る必要があります。そこで、「CONDコンポーネントのInputピン」と「REG 3のAlways outputピン」をつなげます。

どういった条件で判定するのかはInstructionビット列に含まれているので、これも入力として受け取らなければなりません。ALUのInstructionピンまでInstructionビット列が届いていますので、ここからワイヤーを伸ばして、「CONDコンポーネントのConditionピン」につなげます。

※当該ステージのワイヤーとして黄色を採用しました。

2：CONDコンポーネントの出力をワイヤリングする

CONDコンポーネントの出力であるOutputピンは条件判定の結果が流れます。条件式が満たされればONが出力されますが、そのときだけ、プログラムカウンターの上書きを有効にします。

ここで、プログラムカウンターを実現している8 Bit Counterコンポーネントの入出力を見ておきます。

プログラムカウンターの出力は接続済みですが、入力はまだ何もつながっていません。

「プログラムカウンターのIncrement / Overwriteピン」と「CONDコンポーネントのOutputピン」を接続します。

ただし、Conditionモード以外のときは「Increment / Overwriteピン」につながるワイヤーが常にOFFになるようにします。そのためには、DECコンポーネントで制御します。DECコンポーネントの3番ピンの接続がまだであり、このピンがONになるのはConditionモードとして解読できた場合になります。

次のように8 Bit Switchコンポーネントを挟むことにしました。

プログラムカウンターのOverwrite valueピンには、上書きするためのバイトデータが入ります。

REG 0のAlways outputピンからバイトデータを持ってくるようにワイヤリングします。

3：テストする

テストに通過すると、Turing Completeコンポーネントがアンロックします。

おわりに

ここまでのクリアしてきたステージは次の通りです。