PHPer Book Revue: CPUの創りかた / How to Build a CPU

PHPerKaigi 2026
PHPer Book Revueの資料です

Transcript

1. 長谷川智希 𝕏 @tomzoh 2026/03/21 PHPerKaigi 2026 PHPer Book Revue CPUの創りかた
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4. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 4 PHPer Book Revue CPUの創りかた
5. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた CPUの創りかた • 個人でも比較的簡単に買える汎用ICだけを使って CPU（物理）を作る本 • 1冊で完結する「CPU作る本」 • CPU特有の解説だけでなく、 電子回路の基礎から解説されている • この1冊と部品があればCPUを作れる • 多少の手先技術と根気も… 5
6. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた CPUでのプログラム実行 • 我々が作ったプログラムは（最終的には）CPUで実行されている • これはなんとなくわかる • 速いCPUに変えればプログラムも速く動くし • 一方、PHPみたいなVM型の言語だとPHPプログラムはVMで実行される • PHPのVMはCで書かれてる • パーサとかASTとかオペコードとか • パーサがプログラムの上から順にパースしてASTにしてASTを解決していく • プログラム実行、と言われるとこういうのを想像しがち • CPUはそれとは大きく違う方法でプログラムを「実行」している 6
7. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた CPUでのプログラム実行 • ピタゴラスイッチ的な仕組み • 玉が経路を転がっていって、玉自身が経路にも影 響を与えるやつ • CPUが実行できる唯一の言語 機械語 • 玉が通る経路を切り替える方向を決める • CPUの動作クロック • クロックのタイミングにあわせて玉が通る経路が 切り替わる • この話は過去にしているので興味ある方は… • Speaker Deck の @tomzoh にあります 7 https://www.mouse-jp.co.jp/store/g/ggtune-fzi7g80g8bfdw102dec/
8. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter1, 2 • 電子工作の基礎の話から • IC以外の電子部品 • LEDを光らせる方法 8
9. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter 3, 4 • 電子回路で1と0を表現する方法 • 電子回路で論理演算する方法 • NOT, AND, OR, NAND (NOT + AND) • PHPで言えば ! A, A && B, A || B, !(A && B) • アナログ回路とデジタル回路の境界 • 電気回路でスイッチを扱う時に必ず直面する チャタリング • キーボードとかマウスでも故障するとなる • クロックの作り方 • 01010101って規則的な信号を作る装置 9
10. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter 5, 6 • ROMとは何か • メモリーセル • CPUの設計 • 何を決めればCPUが作れるか • 機械語の基礎知識 10
11. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter 7, 8 • フリップフロップ • CPUを実現する上での最重要コンポネント • ピタゴラ装置実現のコア • ALU （Arithmetic and Logic Unit / 算術論理演算装置） • 二進数の演算（ここでは足し算）をする装置 • 演算に必須なフラグの概念 • プログラムカウンタ • 「いまメモリ上のここを実行しているよ」 を指しているレジスタ • I/Oポート • 文字通り入出力: キーボードとかディスプレイとか 11
12. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter 9, 10 • 命令デコーダ • 一番興奮するところ • 順次実行されるプログラムをピタゴラ装置に落とし 込むキモ • 全体の回路図 • これを見ながら1本1本配線していけばCPUになる 12
13. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 13
14. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 話の流れ Chapter 11 • 動作確認 • コンポネントごとに正しく動いているか確認 • 仕様を知りそれをベースにした検証方法 • 自作CPUでのプログラム実行 • ついに…！ • 高機能化 14
15. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた この本を読んで変わったこと • コンピュータを上から下まで理解できた • NANDがあればコンピュータを作れる（気がする）ようになった • CPUのアーキテクチャのメリット/デメリットを少し深く理解できる様になった • 例えば: Cとかで int の値を long int の変数に入れる処理 • 符号拡張 or ゼロ拡張 • 「ゼロ拡張はそこらへんにあるゼロを使えば良いが、符号拡張は配線負荷が高い」 • CPUが好きになった 15
16. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた おすすめ書籍: CPUの創りかた • 1冊で完結する「CPU作る本」 • この1冊と部品があればCPUを作れる • 自分で作らないまでも読むだけでも楽しめる • 作るCPUが高度なものでないので手軽 • CPUからテトリスまでの nand2tetris とか、自 作OSを動かすことを目的とすると難しくなる • 「汎用ICだけで作る」が良い制約になっている • ハマると人生変わる（変わった） • 読んでみて！ 16 長谷川 智希 @tomzoh
17. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた おまけ 17
18. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 18 その他しばらく積んで 2019年に読みました
19. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 19
20. 長谷川智希 @tomzoh PHPer Book Revue: CPUの創りかた 本書で作るCPU TD4の構成 電子回路のピタゴラスイッチ 20 命令 デコーダ 演算器 セレクタ IN ポート レジスタ OUT ポート プログラム カウンタ ROM ROMが返した 機械語が… 演算器に 演算の種類を… セレクタに どれとどれを演算するかを… 演算結果を どこに保存するかを… プログラムカウンタが 示すアドレスのデータ が出てくる