Verilogで学ぶCPU自作入門.pdf

2026年9月23日、KC3で実施した「Verilogで学ぶCPU自作入門」の講義資料です。公開にあたり、一部修正・補足しています。

「CPUを自作した！」という経験を持ち帰ることを目標に、論理回路・DFF・クロックから1bit CPU、4bit CPU「TD4」へと順番に説明します。

ハンズオンでは、用意されたCPUのひな形に、命令に応じて次の値を決める組み合わせ回路をSystemVerilogで記述し、ブラウザ上で動作を確認します。

※タイトルはVerilogですが、使用する言語はSystemVerilogです。

■ Webハンズオン
https://uyuki234.github.io/KC3-2026-cpu/

■ ソースコード
https://github.com/uyuki234/KC3-2026-cpu

■ 講義の振り返り・資料づくりの工夫
https://uyuki234.hatenablog.com/entry/2026/09/24/203544

■ イベントページ
https://kc3.me/study/4246/

Transcript

1. Verilogで学ぶCPU自作入門 uyuki234 2026/09/23 KC3 2026
2. SystemVerilog Verilogで学ぶCPU自作入門 uyuki234 2026/09/23 KC3 2026
3. About me • uyuki / uyuki234 • 興味: セキュリティ / 低レイヤー / ネットワーク • 自作OS、自作CPU、FPGA… • https://scrapbox.io/uyuki234/ • https://uyuki234.hatenablog.com/ • https://x.com/uyuki234 3
4. 講義内容について • • 今回の内容はほとんど独学です 独学の際、主に利用した書籍・サイト ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 無から始める自作 CPU ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ（論理回路まで） 超入門！FPGAスタータ・キット DE0で始めるVerilog HDL コンピュータシステムの理論と実装 第2版（5章まで） 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ CPUの創りかた デジタル電子回路（中部大学） 4
5. 講義内容について • • 今回の内容はほとんど独学です 独学の際、主に利用した書籍・サイト ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ • 無から始める自作 CPU ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ（論理回路まで） 超入門！FPGAスタータ・キット DE0で始めるVerilog HDL コンピュータシステムの理論と実装 第2版（5章まで） 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ CPUの創りかた デジタル電子回路（中部大学） 独学した内容↑を1時間で皆さんに流し込みます🤩 5
6. 講義内容について • • 今回の内容はほとんど独学です 独学の際、主に利用した書籍・サイト ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ • 無から始める自作 CPU ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ（論理回路まで） 超入門！FPGAスタータ・キット DE0で始めるVerilog HDL コンピュータシステムの理論と実装 第2版（5章まで） 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ CPUの創りかた デジタル電子回路（中部大学） 独学した内容↑を1時間で皆さんに流し込みます🤩 流石に厳しい 6
7. 講義内容について • • 今回の内容はほとんど独学です 独学の際、主に利用した書籍・サイト ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ • 無から始める自作 CPU ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ（論理回路まで） 超入門！FPGAスタータ・キット DE0で始めるVerilog HDL コンピュータシステムの理論と実装 第2版（5章まで） 1時間で「 CPUを自作した！」になれるように、 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ 極限まで内容を吟味しました CPUの創りかた デジタル電子回路（中部大学） 独学した内容↑を1時間で皆さんに流し込みます🤩 流石に厳しい 7
8. 講義の目標 • 「CPUを自作した！」という経験を持ち帰る！ ◦ CPUの自作→物事を順序だてて理解し、全体を理解して実装する経験 極限まで内容を吟味したので、目標は 1つ 8
9. 講義の流れ • CPUの仕組みを知る ◦ 論理回路とDFFから、CPUが動く仕組みを学ぶ • CPUの命令処理を作って動かす • まとめ 「CPUを自作した！」になる 9
10. 講義の流れ • CPUの仕組みを知る ◦ 論理回路とDFFから、CPUが動く仕組みを学ぶ • CPUの命令処理を作って動かす • まとめ 「CPUを自作した！」になる 10
11. 論理回路 回路には電圧の高低があります。 • 電圧が 低い → 0 高い → 1 として扱う 高い 低い 0と1のデータを表現できる →バイナリデータが扱える 正論理：Highに1を割り当てる←今回 負論理：Lowに1を割り当てる 11
12. 論理回路 12
13. 論理回路 • 組み合わせ回路の入出力は真理値表で表せる。 XOR：入力が異なると 1になる 組み合わせ回路：出力が現在の入力信号の組み合わせだけで決まる論理回路 13
14. 論理回路 • 組み合わせ回路の入出力は真理値表で表せる。 回路はHDLという言語で記述できる！ XOR：入力が異なると 1になる 組み合わせ回路：出力が現在の入力信号の組み合わせだけで決まる論理回路 14
15. HDL • • HDL（Hardware Description Language） 電子回路の動作や構造をテキスト（コード）で表現するための専用言語 HDLの例 ◦ ◦ ◦ Verilog HDL ▪ 1984年 SystemVerilog ←今回はこれを使う ▪ 2005年：IEEE標準化 Verilog HDLを拡張した言語 Veryl ▪ 2022年 最近できた言語で、勢いがある 15
16. HDL • • HDL（Hardware Description Language） 電子回路の動作や構造をテキスト（コード）で表現するための専用言語 HDLの例 ◦ ◦ ◦ Verilog HDL ▪ 1984年 SystemVerilog ←今回はこれを使う ▪ 2005年：IEEE標準化 Verilog HDLを拡張した言語 Veryl ▪ 2022年 最近できた言語で、勢いがある SystemVerilogのコードを見てみよう 16
17. HDL AND 入出力ポートを宣言 input → 入力 output → 出力 （どの順番で書いても OK） 17
18. HDL AND 入出力ポートを宣言 input → 入力 output → 出力 （どの順番で書いても OK） always_comb： 組み合わせ回路の動作を記述するためのブロック 入力が変わると、それに応じて出力も変わる 18
19. HDL AND 入出力ポートを宣言 input → 入力 output → 出力 （どの順番で書いても OK） always_comb： ここの記述は真理値表に対応している。 論理ゲートで構築するのはコンパイラの仕事 always_comb： 組み合わせ回路の動作を記述するためのブロック 入力が変わると、それに応じて出力も変わる 19
20. HDL AND 入出力ポートを宣言 input → 入力 output → 出力 （どの順番で書いても OK） always_comb： ここの記述は真理値表に対応している。 論理ゲートで構築するのはコンパイラの仕事 always_comb： 組み合わせ回路の動作を記述するためのブロック 入力が変わると、それに応じて出力も変わる 20
21. HDL AND 入出力ポートを宣言 input → 入力 output → 出力 （どの順番で書いても OK） always_comb： ここの記述は真理値表に対応している。 論理ゲートで構築するのはコンパイラの仕事 always_comb： 組み合わせ回路の動作を記述するためのブロック 入力が変わると、それに応じて出力も変わる 21
22. HDL AND 入出力ポートを宣言 ざっくり、理解できてますか？ input → 入力 わからないところがあっても、 output → 出力 まずは講義全体を受け切ることを目標にして頑張ってください！ （どの順番で書いても OK） always_comb： ここの記述は真理値表に対応している。 論理ゲートで構築するのはコンパイラの仕事 always_comb： 組み合わせ回路の動作を記述するためのブロック 入力が変わると、それに応じて出力も変わる 22
23. HDL AND OR 23
24. HDL AND OR NOT 24
25. HDL Half Adder 25
26. HDL Half Adder 26
27. HDL Half Adder ここまでで、入力に対してある出力を返す回路ができた！ じゃあ、計算結果を覚えておきたい 27
28. HDL Half Adder ここまでで、入力に対してある出力を返す回路ができた！ じゃあ、計算結果を覚えておきたい →DFFを使う 28
29. DFF・クロック • DFF（Dフリップフロップ） ◦ 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 29
30. DFF・クロック • DFF（Dフリップフロップ） ◦ 今回、内部の実装は扱わない DFFはこういう動作をしてくれると いう信頼のもと、続けていく 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 30
31. DFF・クロック • 今回の講義では他にも 「信頼」する部分が あります DFF（Dフリップフロップ） ◦ 今回、内部の実装は扱わない DFFはこういう動作をしてくれると いう信頼のもと、続けていく 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 31
32. DFF・クロック • DFF（Dフリップフロップ） ◦ 今回、内部の実装は扱わない DFFはこういう動作をしてくれると いう信頼のもと、続けていく 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 CLKが0→1になるときに値を取り込む 0と1を周期的に繰り返す波形 32
33. DFF・クロック • DFF（Dフリップフロップ） ◦ 今回、内部の実装は扱わない DFFはこういう動作をしてくれると いう信頼のもと、続けていく 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 CLKが0→1になるときに値を取り込む 0と1を周期的に繰り返す波形 33
34. DFF・クロック • DFF（Dフリップフロップ） ◦ 今回、内部の実装は扱わない DFFはこういう動作をしてくれると いう信頼のもと、続けていく 1bit（0, 1）の値を保持できる 取り込む値 記憶している値 取り込む タイミング を 決める信号 CLKが0→1になるときに値を取り込む 0と1を周期的に繰り返す波形 何らかの方法で実装できる （今回は触れない） 34
35. DFF・クロック 初期状態は不定 35
36. DFF・クロック 初期状態は不定 CLK:0→1の時、 Dが1なので Qは1 36
37. DFF・クロック Dが1なので Qは1 初期状態は不定 CLK:0→1の時、 Dが1なので Qは1 37
38. DFF・クロック Dが1なので Qは1 初期状態は不定 CLK:0→1の時、 Dが1なので Qは1 Dが0なので Qは0 38
39. DFF・クロック Dが1なので Qは1 初期状態は不定 CLK:0→1の時、 Dが1なので Qは1 Dが0なので Qは0 立ち上がり（ 0→1）以外では、 Dが変わっても Qは前の値を保持する 39
40. ここからは図が複雑になるので、 Astraにスライド作成してもらいました 内容自体は自分が指示出しした &追記・修正したので許してください！ 40
41. 全部作り直しました 🤩 人間による温かみのあるスライド！！！ ここからは図が複雑になるので、 Astraにスライド作成してもらいました 内容自体は自分が指示出しした &追記・修正したので許してください！ 41
42. 全部作り直しました 🤩 人間による温かみのあるスライド！！！ ここからは図が複雑になるので、 Astraにスライド作成してもらいました 内容自体は自分が指示出しした &追記・修正したので許してください！ 42
43. 初期化済みで、 Q＝0から始める DFF・クロック D Q D DFF DFF D CLK Q DFF CLK Q DFF CLK Q CLK D DFF CLK D Q D Q DFF CLK 43
44. DFF・クロック D Q D DFF DFF D CLK Q DFF CLK Q DFF CLK Q CLK D DFF CLK D Q D Q DFF CLK 44
45. DFF・クロック D 切り替わってる 最中 CLKが0→1 Q D DFF Q D DFF CLK Q DFF CLK CLK 切り替わってる 最中 D Q DFF CLK D Q DFF CLK D 一瞬を すごく ゆっくり 見る Q DFF CLK 45
46. DFF・クロック D Q D DFF DFF D CLK Q DFF CLK Q DFF CLK Q CLK D DFF CLK D Q D Q DFF CLK 46
47. DFF・クロック D Q D DFF DFF D CLK Q DFF CLK Q DFF CLK Q CLK D DFF CLK D Q D Q DFF CLK 47
48. DFF・クロック D 1周した Q D DFF Q D DFF CLK Q DFF CLK CLK CLKが0→1 D Q DFF CLK D Q DFF CLK D Q DFF CLK 48
49. DFF・クロック D Q D DFF Q D DFF CLK Q DFF CLK CLK ここは一瞬 D Q DFF CLK D Q DFF CLK D Q DFF CLK 49
50. DFF・クロック D Q D DFF Q D DFF CLK Q DFF CLK CLK 一瞬の部分を ここは一瞬 飛ばして見てみる D Q DFF CLK D Q DFF CLK D Q DFF CLK 50
51. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 51
52. DFF・クロック LEDの様子 D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 52
53. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 53
54. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 54
55. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 55
56. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 56
57. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 57
58. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 58
59. DFF・クロック D Q D DFF DFF CLK D CLK Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 59
60. DFF・クロック D Q D DFF CLK DFF CLK Lチカができた 🤩 D Q DFF CLK Q D Q DFF CLK 60
61. DFF・クロック D Q D DFF Q DFF CLK CLK 「この回路が 0と1を繰り返す」 ということを覚えてください！ D Q DFF CLK D Q DFF CLK 61
62. DFF・クロック D Q D DFF Q DFF CLK CLK これに、マルチプレクサを用いる D Q DFF CLK D Q DFF CLK 62
63. 補足：マルチプレクサ • 2つの入力p, qを、 sの0, 1で選択できる 63
64. 1bit CPU さっきのLチカ回路 D Lチカに マルチプレクサを追加 Q DFF CLK next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 64
65. 1bit CPU sの論理値（0／1）を命令とし て使う next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 65
66. 1bit CPU sが1なら… next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 66
67. 1bit CPU sが1なら… s next_a ~a a D CLK DFF Q 67
68. 1bit CPU sが0なら… next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 68
69. 1bit CPU sが0なら… s next_a ~a a D CLK DFF Q 69
70. 1bit CPU sの論理値（0／1）を 命令として使う next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 70
71. 命令を表す 0／1を、opcode（オペコード）と呼ぶ。 （Opcode：operation code） 1bit CPU sの論理値（0／1）を 命令として使う next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 71
72. 1bit CPU aは反転する（NOT） sが1なら… s next_a ~a a D CLK DFF Q 72
73. 1bit CPU aはそのまま（ NOP） sが0なら… s next_a ~a a D CLK DFF Q 73
74. 1bit CPU 2種類の命令を、 1bitで区別できている sが0→何もしない（ NOP） sが1→値を反転する（ NOT） next_a MX s opcode a 命令名 （命令） (現在の値) ~a a D CLK DFF next_a (次の値) 0 NOP 0 0 0 NOP 1 1 1 NOT 0 1 1 NOT 1 0 Q 74
75. 1bit CPU 2種類の命令を、 1bitで区別できている NOPとNOTは 人間が勝手に 定義しているだけ sが0→何もしない（ NOP） sが1→値を反転する（ NOT） next_a MX s opcode a 命令名 （命令） (現在の値) ~a a D CLK DFF next_a (次の値) 0 NOP 0 0 0 NOP 1 1 1 NOT 0 1 1 NOT 1 0 Q 75
76. 1bit CPU 復習 always_comb内は 真理値表に対応する コードを書けばいい 76
77. 1bit CPU 復習 always_comb内は 真理値表に対応する コードを書けばいい opcode 命令 next_a 0 NOP a 1 NOT ~a 77
78. 1bit CPU 復習 always_comb内は 真理値表に対応する コードを書けばいい opcode 命令 next_a 0 NOP a 1 NOT ~a 78
79. 1bit CPU 復習 always_comb内は 真理値表に対応する コードを書けばいい opcodeを含む命令セットを記述する時は、 C言語では悪名高い？ case文を使うと記述しやすい opcode 命令 next_a 0 NOP a 1 NOT ~a 79
80. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい next_a MX s ~a a D CLK DFF Q 80
81. 1bit CPU → 命令ポインタ s next_a MX ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい ~a a D CLK DFF Q 81
82. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ 82
83. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ DFFを利用して、 クロックごとに値 （addr）を+1する。 83
84. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ DFFを利用して、 クロックごとに値 （addr）を+1する。 今回、実装には触れない 84
85. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ 実行する命令を並べて置いてある 85
86. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ 実行する命令を並べて置いてある 命令ポインタが 2bitなら、 4つの番地を指定できる 86
87. 1bit CPU ・実行する命令を並べて置く場所 → ROM ・↑のために、今どの命令を実行するかを示す値 がほしい → 命令ポインタ 1bit→4bitのCPUを作る！ 実行する命令を並べて置いてある 命令ポインタが 2bitなら、 4つの番地を指定できる 87
88. TD4 1bitの記憶 4bitの記憶（レジスタ） D DFF D[3] 1 clk DFF D[2] 0 DFF D[1] 1 DFF D[0] 0 DFF 1 clk 0 または 1 表せる値は 0〜15 88
89. TD4 • Toriaezu Dousasuru 4bit CPU（とりあえず動作する4ビットCPU） ◦ 「CPUの創りかた」で紹介された ▪ LEDの点滅や簡単なタイマーなどの制御プログラムを動かして遊べる opcode 4bit＋即値4bit＝1命令8bit • • 後で解説します 1命令は8bit（opcode 4bit＋即値4bit）。A・Bレジスタは4bit。 加算結果の下位4bitを保存し、桁上がりはCFに保存する。 ROMに16命令まで置ける できること 命令の役割 加算 レジスタの値に数値を⾜す 値の転送 レジスタに値を⼊れる‧別のレジスタへ写す ⼊⼒‧出⼒ スイッチの値を読む‧LEDに値を出す 分岐 次に実⾏する命令の番地を変える 89
90. 講義の流れ • CPUの仕組みを知る ◦ 論理回路とDFFから、CPUが動く仕組みを学ぶ • CPUの命令処理を作って動かす • まとめ 「CPUを自作した！」になる 90
91. 実際にCPUを作る流れ • • • • • • CPUで実現したい機能を考える オートマトンとして描く 回路図に変換 HDLで記述 コンパイル 動作確認 91
92. 実際にCPUを作る流れ • • • • • • CPUで実現したい機能を考える オートマトンとして描く 回路図に変換 HDLで記述 コンパイル 動作確認 ここをやる 92
93. TD4ハンズオン • 1bit CPUでの動作を確認した。 ◦ 計算部分はopcodeと真理値表をもとに HDLで記述できた 93
94. TD4ハンズオン • 1bit CPUでの動作を確認した。 ◦ 計算部分はopcodeと真理値表をもとに HDLで記述できた opcode 命令 next_a 0 NOP a 1 NOT ~a 94
95. TD4ハンズオン • 1bit CPUでの動作を確認した。 ◦ 計算部分はopcodeと真理値表をもとに HDLで記述できた opcode 命令 next_a 0 NOP a 1 NOT ~a ここができたら、 「CPUを自作した！」になれる 95
96. TD4ハンズオン • • TD4の計算部分で使われる主なワイヤー、値 imm（immediate value）= 即値 信号 幅 役割 a b out ip cf 4bit 4bit 4bit 4bit 1bit 計算に使う値（Aレジスタ） 計算に使う値（Bレジスタ） LEDに出す値 実⾏する命令の番地（0〜15） 加算で桁上がりがあったか 96
97. TD4ハンズオン ROMの中身 16行まで、任意の順番で 命令と即値を並べられる 97
98. 基本、A・B・OUTはそのまま、IPは＋1、CFは0になる。 opcodeに応じて、case文で必要なnext_*だけを上書きする。 ※見やすさのため、一部のワイヤーを非表示にしている。 98
99. 信号 幅 役割 a b out ip cf 4bit 4bit 4bit 4bit 1bit 計算に使う値（Aレジスタ） 計算に使う値（Bレジスタ） LEDに出す値 実⾏する命令の番地（0〜15） 加算で桁上がりがあったか 99
100. ROMのdata ROMのdataの上位4bitはopcode、下位4bitはimm 100
101. TD4ハンズオン • TD4の命令セット 難易度の高いものは★をつけました opcode 命令 動作（次に記憶する値） 0000 0101 0011 0111 0001 0100 1111 1110 0010 0110 1001 1011 ADD A, Imm ADD B, Imm MOV A, Imm MOV B, Imm MOV A, B MOV B, A JMP Imm JNC Imm IN A IN B OUT B OUT Imm Aに A + Imm の下位4bit、CFに桁上がりを⼊れる Bに B + Imm の下位4bit、CFに桁上がりを⼊れる Aに即値を⼊れる Bに即値を⼊れる JNCはADDの桁上がりで分岐したい時に使う。 AにBの値を⼊れる (直前のADDで桁上がりがなければジャンプする。 ) BにAの値を⼊れる IPにジャンプ先の番地（即値）を⼊れる 現在のCFが0ならジャンプ、1なら次の番地へ Aに⼊⼒スイッチ（switch）の値を⼊れる Bに⼊⼒スイッチ（switch）の値を⼊れる OUTにBの値を⼊れる OUTに即値を⼊れる 101
102. TD4ハンズオン • やってみよう！ ◦ ハンズオン→https://uyuki234.github.io/KC3-2026-cpu/ 102
103. TD4ハンズオン • やってみよう！ ◦ ハンズオン→https://uyuki234.github.io/KC3-2026-cpu/ 組み合わせ回路を記述する 103
104. TD4ハンズオンやり方 HDLを記述する 詰まったら、 ヒントをみましょう 104
105. TD4ハンズオンやり方 実装できたら、テストする 一気にテストもできます 105
106. TD4ハンズオンやり方 最後は動かそう 速さを 変更できる 入力を 変更できる 106
107. 次のページは解答です 107
108. ハンズオンの解答 左辺→次の値を決める信号 右辺→入れたい値 108
109. ハンズオンの解答 加算結果の下位 4bitをnext_a／next_bに、 桁上がりの 1bitをnext_cfに入れる next_ipを変更すると、 次に実行する命令の番地を変えられる（ジャンプ） 109
110. ハンズオンの解答 • 講義で取り扱ったコードはすべてGitHubにあります ◦ ◦ https://github.com/uyuki234/KC3-2026-cpu コードはリポジトリのここにあります ▪ https://github.com/uyuki234/KC3-2026-cpu/tree/main/code 110
111. 講義の流れ • CPUの仕組みを知る ◦ 論理回路とDFFから、CPUが動く仕組みを学ぶ • CPUの命令処理を作って動かす • まとめ 「CPUを自作した！」になる 111
112. まとめ • 論理回路から CPUまで ◦ ◦ ◦ ◦ 論理回路・組み合わせ回路：入力から出力を決める HDL：回路の動作をコードで記述する DFF・クロック：値を記憶し、立ち上がりで更新する CPU：命令に応じて次の値を決め、記憶する 112
113. まとめ • 論理回路から CPUまで ◦ ◦ ◦ ◦ • 論理回路・組み合わせ回路：入力から出力を決める HDL：回路の動作をコードで記述する DFF・クロック：値を記憶し、立ち上がりで更新する CPU：命令に応じて次の値を決め、記憶する 自分の書いた回路で、 CPUが動いた ◦ ◦ 命令セットをもとに、 TD4の命令処理を実装した！ 自分が実装した CPUで、プログラムを動かした！ 113
114. まとめ • 論理回路から CPUまで ◦ ◦ ◦ ◦ • 論理回路・組み合わせ回路：入力から出力を決める HDL：回路の動作をコードで記述する DFF・クロック：値を記憶し、立ち上がりで更新する CPU：命令に応じて次の値を決め、記憶する 自分の書いた回路で、 CPUが動いた ◦ ◦ 命令セットをもとに、 TD4の命令処理を実装した！ 自分が実装した CPUで、プログラムを動かした！ あなたはこの 1時間で「 CPUを自作した！」になれました 114
115. まとめ • 論理回路から CPUまで ◦ ◦ ◦ ◦ • 論理回路・組み合わせ回路：入力から出力を決める HDL：回路の動作をコードで記述する DFF・クロック：値を記憶し、立ち上がりで更新する CPU：命令に応じて次の値を決め、記憶する いろいろ作ってみてください！ 自分の書いた回路で、 CPUが動いた ◦ ◦ 命令セットをもとに、 TD4の命令処理を実装した！ 自分が実装した CPUで、プログラムを動かした！ あなたはこの 1時間で「 CPUを自作した！」になれました 115
116. Verilogで学ぶCPU自作入門 uyuki234 2026/09/23 KC3 2026
117. Appendix 117
118. 講義内容の続きをする • 今回の講義では、1時間に抑えるため、様々な要素が省かれています。 特に、TD4の実装周りを省くのは苦渋の決断でした。 • 自作CPUに興味を持った方は以下の書籍がおすすめです！ この講義で扱いきれなかった部分を学べます！（しかも、わかりやすい） ◦ ◦ 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ CPUの創りかた 118
119. ほかにも作ってみる • CPUに限らず、いろいろ作ってみてください！ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ OS コンパイラ・インタプリタ CPUエミュレータ・仮想マシン ネットワーク関連（ ping、HTTPサーバー、TCP/IPスタックなど） データベース ファイルシステム プログラミング言語・シェル Webサーバー 119
120. この講義のブログもあります 講義の振り返りをブログに書きました！ https://uyuki234.hatenablog.com/entry/2026/09/24/203544 • 内容 ◦ ◦ ◦ 「CPUを自作した！」に込めた思い スライドづくりで意識したこと 参加者の反応と、講義を終えての感想 準備の裏話も書いているので、よければ読んでみてください！ 120
121. 参考文献 • 無から始める自作CPU ◦ • • • • • • • ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ 超入門！FPGAスタータ・キットDE0で始めるVerilog HDL コンピュータシステムの理論と実装 第2版 作ろう！CPU 基礎から理解するコンピューターのしくみ CPUの創りかた デジタル電子回路（中部大学） SystemVerilogの解説 ◦ • 実はContributorの一人（教材のコード例を修正しました！ ） https://sites.google.com/site/dejitarudezainfan/systemverilog/always_comb-always_ff ゼロから始める自作 CPU 入門 121
122. DFF・クロックの HDL always_ff： フリップフロップなどを記述するブロック 122
123. DFF・クロックの HDL posedge clk：クロックの立ち上がり always_ff： フリップフロップなどを記述するブロック 123
124. DFF・クロックの HDL posedge clk：クロックの立ち上がり always_ff： フリップフロップなどを記述するブロック q <= d; そのタイミングで DをQへ取り込む 124
125. Verilogで学ぶCPU自作入門 uyuki234 2026/09/23 KC3 2026