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ゼロから始める自作 CPU 入門

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セキュリティ・キャンプフォーラム2015 ローレイヤー勉強会で発表した内容です。

Publié dans : Ingénierie
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ゼロから始める自作 CPU 入門

  1. 1. ゼロから始める自作 CPU 入門 セキュリティ・キャンプフォーラム2015 ローレイヤー勉強会
  2. 2. お前だれよ ● 川田 裕貴 @hktechno o 筑波大学 システム情報工学研究科 コンピュータサイエンス専攻 M1 o セキュリティ&プログラミングキ ャンプ 2008 プログラミングコース参加  2009, 10, 12 OS 組チューター
  3. 3. とても、ローレイヤーな話をします
  4. 4. 低レイヤとは システムソフトウェア VM OS Kernel アセンブラ バイナリ CPU CPUマニアが考 えるローレイヤ
  5. 5. 自作PC != 自作コンピュータ 本格的自作コンピューター 自作コンピューターというのであれば、CPU から作らなければ! ・命令セット ・MMU ・IOコントローラ 全部作る
  6. 6. Open Design Computer Project ● オリジナル ”コンピューター” を作った o CPU だけじゃない o 基板から、CPU から、ペリフェラルまで ● 2011年度 IPA未踏 IT 人材発掘育成事業採択 ● http://open-arch.org/ ● ↓一緒にやってる人 @cpu_labs
  7. 7. mist32 プロセッサ ● 名前の由来はわからないw ● 32bit RISC アーキテクチャ ● 2オペランド ● Out of order 実行 ● レジスタリネーミング ● 投機的実行 ● オープンソース
  8. 8. CPU も自作できる ● がんばれば。
  9. 9. CPU 自作って楽しいの? ● 楽しい。 ● 作りながら学べる。 ● 理由: o やってる人が少ない o なんかかっこいい o 自分の好きなように設計できる o 上から下まで全部自由
  10. 10. 自作 CPU で広がる夢 ● CPU を自作することで.... o こんな命令があればセキュアになるのに o こんな機能があればセキュアになるのに o こんな命令セットもうイヤだ! o ぼくのかんがえたさいきょうの CPU!
  11. 11. 自作 CPU を作ってどうする? ● 考えてはいけない。 ● とりあえず作ってみると楽しい ● 期待してはいけないこと: o 既存の CPU より性能の良い物ができる o 誰かに使ってもらえる o 実用性 o 就活の役に立つ
  12. 12. CPU 自作のメリット ● 得ることができる特殊能力 o C のコードから吐かれるアセンブラがわ かるようになる o アセンブラからバイナリが想像できるよ うになる o アセンブラの命令列から、命令がどうや って実行されるかがわかる
  13. 13. とりあえず、自作 CPU の民を増やしたい!
  14. 14. そもそも CPU とは ● 何が違うか o アセンブラが違うだけ? ● Intel x86 ● Power PC ● SPARC ● ARM Cortex-A ● ARM Cortex-M ● AVR ● PIC
  15. 15. CPU の分類?
  16. 16. CPU 自作の構成要素 ● ISA (命令セットアーキテクチャ) ● プロセッサコア ● ペリフェラル o MMU o 割り込み o タイマー o など... ● ソフトウェア o アセンブラ, コンパイラ, OS...
  17. 17. ISA (命令セット) ● 自作 CPU の唯一?見える部分 o バイナリ、アセンブラは見ることが可能 ● ISA の設計は楽しい ● バグが発生しない! ● バイナリアンの君なら、きっと既存の ISA への不満もたまってるはず
  18. 18. ISA (命令セット) ● 命令フォーマット o 種類、オペランドの数、どうやってバイ ナリに詰め込むかなど... ● ニーモニック o add, sub, shr, sar, jxx… ● どんな命令を用意するか o 変態命令をつけるとか o 例えば、”短歌” に最適化された命令
  19. 19. ISA の例 ● 固定長 4byte ● 半固定長 2byte, 4byte ● 可変長 ● 変種 o BPT(Byte Per Tanka)世界一の命令セット o 絶対 ASCII が現れない命令セット o 全部 ASCII で書ける命令セット
  20. 20. プロセッサコア ● 命令の実行ユニットを何かしらで作る ● 一番の肝 o 工夫をたくさん入れる o 先人たちの知識を利用する o または、全く新しいものを作る
  21. 21. 4bit CPU の回路
  22. 22. どうやってコアを書くか ● FPGA を使う o 回路を動的に構成できる魔法の LSI o Verilog HDL とか VHDL を使って書く ● FPGA は速い!は間違い o 実際の素子と比べると、とても遅い。 o 特別な処理を回路に起こすと、速い (ただし、専用の IC よりはずっと遅い)
  23. 23. 基本的なパイプライン ● Instruction Fetch ● Instruction Decode ● Execution o Memory Access ● Write Back
  24. 24. ● Instruction Fetch ● Instruction Buffer ● Instruction Decode ● Dispatch ● Execution MIST32 (In-order: MIST1032ISA) IB
  25. 25. 実行ポート 4個 OoOな領域 2命令同時 Fetch Decode … (Super- Scalar)
  26. 26. ● ほとんどのプロセッサでは、 アセンブラの通りには実行されていない o 高速化のため o ハードウェアが実行しやすいように実行 したほうが速い ● ソフトウェアで頑張ればよいのでは? o 夢の VLIW... アセンブラと実行順序
  27. 27. Out of Order Execution (例) mov eax, [eax] xor ebx, ebx add ebx, eax inc ecx add eax, ecx Load (遅 い) ↑の命令とは依存がない ↑の命令とは依存がない 1 1 2 1 2 命令の順番を入れ替えても構わない しかも、開いてるポートに並列に実行できる
  28. 28. Out of Order Execution ● Register Renaming o 物理レジスタを仮想レジスタにリネーム o 命令の依存をより少なくできる mov eax, [eax] inc eax mov [eax], eax mov eax, ebx mov eax, [eax] 同じ eax レジスタ だが、依存はない ← 先に実行可能
  29. 29. http://arstechnica.com/business/2010/09/intels-next-must-have-upgrade-a-look-at-sandy-bridge/
  30. 30. プロセッサコアの設計 ● レジスタ o 何 bit でいくつ用意するか ● パイプライン o どういう構成で、何段にするか ● 実行ユニット o 何個用意するか、並列化させるか ● その他もろもろ o 分岐予測、投機的実行など...
  31. 31. プロセッサコアと ISA ● 便利な命令や、複雑な命令をたくさん積め ばいいじゃないか? o そういうわけにも行かない ● 回路規模 o 複雑な実行ユニットは、回路規模が大き くなる、クリティカルパスが長くなる o クロックが上がらなくなる
  32. 32. MMU とか ● 作らなくても良い ● ただし、OS を動かすには普通は必要 ● 実は作るのが結構大変 o ページテーブルを考えたり、 TLB の事を考えたり...
  33. 33. シミュレータ ● 実機より信頼の置けるシミュレータ o シミュレータが信頼出来ないと デバッグで死ぬ! ● 簡単なものでもいいからつくろう o cycle-accurate でなくてもよい ● シミュレータの高速化も、また楽しい
  34. 34. アセンブラ・コンパイラ ● コアだけでは、プログラムは書けない o ハンドアセンブルで書く人は除く ● アセンブラやコンパイラが必要 o 一般的には binutils, gcc を使うが? o 簡単なものなら自作も可能
  35. 35. オペレーティングシステム ● OS も自作可能、だが... ● mist32 向けには xv6 を移植した o Unix V6 っぽい何か o その上で mruby もうごく o http://www.slideshare.net/hktechno/xv6-mist32-mruby
  36. 36. OS を移植すると... ● OS のことも学べる o どうやって起動するのか o OS を動かすにはどんな機能が必要か o どうすれば、もっと速く OS を実行でき るか...
  37. 37. まとめ CPU を自作すると... 低レイヤーな知識が大体学べる。超楽しい。 ソフトウェアの高速化、OS の作り方、コンパ イラ・アセンブラ、CPU のパイプラインの中 身、などを学びたいなら CPU を作ろう。

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