RAM【Turing Complete編】

2023年9月12日

RAMステージ

RAMステージのゴールは、我々のコンピューターにRAMを組み込むことです。

RAMコンポーネント

RAMはコンポーネントとして用意されています。「IO」＞「RAM」からRAMコンポーネントを選択できます。

RAMコンポーネントの入出力は次の通りです。

左のSettingsでRAMのサイズとデータ幅を設定できます。デフォルトでは256バイト、データ幅は8ビットになっています。本ステージはこのままで問題ありません。

RAMは256バイトのメモリーであり、どのバイトデータを扱うかアドレス指定します。RAMにロードあるいはセーブする場合は、RAMアドレスをレジスターにコピーします。

本ステージのテスト

[Next]ボタンや[Run]ボタンを押してみてください。Programコンポーネントから4バイトごと出力されていきます。

Programコンポーネントにはゼロ初期化されており、すべてが00hで埋まっています。つまり、毎回00 00 00 00hが処理されます。

・1バイト目が00h⇒オペコードはADD

・2バイト目が00h⇒計算対象（転送元）がREG 0の内容

・3バイト目が00h⇒計算対象（転送元）がREG 0の内容

・4バイト目が00h⇒計算結果（転送先）がREG 0

つまり、「REG 0←REG 0＋REG 0」を実行しています。REG 0には最初0しか入っていないので、このADD演算を繰り返しても、結局0のままです。

ずっと変化しない処理を繰り返して、処理が終わりません。[Reset]ボタンを押して、テストを手動で停止させてください。

テストパターン

本ステージのテストでは、32回バイトデータが入力されるので、それを同じ順序で出力することがゴールとなります。

RAMに入力データを順番に記憶しておき、それを順番に出力するような回路とプログラムを作ることになります。

ただし、すべての入力を読み取る前に出力すると、テストは失敗するので注意してください。

RAMステージを解く

1：ナンバーフォーマットを符号なしに切り替える

流れているデータを見やすいように「Toggle number format」のアイコンを押して、ナンバーフォーマットを切り替えます。「+255」になると0～255で表現されます。

2：メモリーへのロード・セーブのオペコードを決める

メモリーへのロード・セーブのオペコードを自作することになります。

既存のオペコードについて復習しておきます。$x, y \in \{0,1\}$であり、1だと即値になります。

モードでいうと、Calulationモード、Conditionモード、Immediateモードは実装済みです。残っているのは、Copyモードになります。Copyモードがあれば、入力端子から与えられたバイトデータをレジスターに直接記憶させられます。しかし、「CalulationモードのADD」と「即値の00h」を組み合わせれば、実質的に同様のことを実現できてしまいます。

例えば、入力端子からくるバイトデータをREG 5に保存したければ、次の命令をProgramコンポーネントに書き込めばよいのです。

同様にして、出力端子から送出することもできます。

本ステージは、Programコンポーネントの「Edit memory」ボタンを押すと、アセンブリーエディターが立ち上がります。左の"Assembly codes"の下の[Add]ボタンを押すと、命令を定義できます。

本ステージのテストをパスするためには、入力端子から来たバイトデータをレジスターにいったん記憶して、それをメモリーにセーブすることになります。すべてのデータを読み込んだら、順番通りにロードして、出力端子から送出します。

「入力をレジスターに保存する処理」「レジスターから出力する処理」については既存のオペコードで実現できることは説明しました。

残されているのは、「レジスターのバイトデータをRAMにセーブする」「RAMのバイトデータをレジスターにロードする」という2つの処理になります。

ここではRAMにセーブ・ロードするためのレジスターは、REG 5固定とします。

※固定にすることで、プログラムの柔軟性は失われますが、回路が簡単になります。

既存のオペコードと被らないここと、回路を設計しやすくすることを考慮して、次の2つのオペコードを追加します。

メモリーのアドレスを指定する必要があります。

本ステージの一番のテーマであるRAM用のセーブ命令とロード命令については以上になります。

3：RAMを組み込む

RAMコンポーネント周辺を実装します。その結果が次の通りです。

RAMコンポーネントのLoadピンとSaveピンは3 Bit decoderの出力ピンから取ります。3 Bit decoderの出力ピンはどれか1つだけONになります。つまり、RAMコンポーネントにLaodピンとSaveピンの両方がONになることはありません（両方がOFFになることはある）。

RAMコンポーネントのAddressピンは、REG 5のOutputピンと直結します。途中にスイッチは不要です。

RAMコンポーネントのSave valueピンは4つありますが、今回は1バイトずつ扱うので、1つのピンしか使いません。命令語の2バイト目に対応するワイヤーとつながります。その際、8 Bit Muxコンポーネントの後で接続しました。

RAMコンポーネントのOutputピンは4つありますが、これについても1つのピンしか使いません。レジスターの入力側のワイヤーに接続します。ただし、直結してしまうとショートするので、途中にスイッチを入れます。LoadピンがONのときだけスイッチをONにするわけです。

4：バグを修正する

Conditionモードのとき、ジャンプ先アドレスとして7d以下が指定される可能性があります。Conditionモードではカウンターから入力してアドレスを上書きすべき状況であり、レジスターの内容は変わる必要はありません。

次に示す回路が完成版になります。「Conditionモードでない」かつ「4バイト目に7d以下」の場合に、レジスターのSaveが動作するようにしています。

※本当はこのステージではなく、Conditionalsステージで気づくべきでしたが、テストにパスしてしまいました。

5：RAMをリンクする【省略可】

Programコンポーネントの「Link components」アイコンを押して、8番にRAMをリンクします。

アセンブリーエディターのLinked componentsのところに、「8 RAM」が追加されました。

6：プログラムを実装する

回路はできあがったので、RAMに連続でセーブしてから、連続でロードするプログラムを実装します。

5：プログラムを入力する

作ったプログラムをアセンブリーエディターで入力します。2進数で入力するので少々手間がかかりますが、逆にこれが自作CPUの醍醐味でもあるので楽しんでください。

1行に1バイトごと10進数を入力しておきます。

# 命令1
192
0
32
4

# 命令2
17
7
255
255

# 命令3
64
5
1
5

# 命令4
34
5
4
4

# 命令5
5
5
5
5

# 命令6
16
255
255
7

# 命令7
64
5
1
5

# 命令8
34
5
4
20

6：テストする

アセンブリーエディター上で[Next]ボタンを使って、ステップ実行してください。特にループ処理がうまくいっているかが肝となります。

右下のLinked componentsには、接続したレジスターやカウンターが保持する現在の値が表示されます。ステップ実行するたびに値が変わっていく様子がわかります。期待通りに動作しないときは、デバッグすることになりますが、その際に活躍します。

テストにパスすると、ステージクリアになります。