NANDだけを使ってCPUを実装！

コンピュータシステムの理論と実装という、NANDゲートだけを組み合わせて最終的にテトリスを実装するという本があって、それに習ってCPUを実装してみた。以前ALUまで作ったので、その続き（8年越し！）

成果物

ALU（算術論理演算装置）は組み合わせ回路なのである意味シンプルだった。でもそれだけだとデータを記憶させることができないため、計算を積み重ねられない。それを可能にするのが順序回路で、フリップフロップを用いることができる。

実際にはNOR論理ゲートを組み合わせてRSフリップフロップを再現できる。それを使ってDフリップフロップ（レベルトリガ、エッジトリガ）、それを複数にまとめてレジスタやメモリ(RAM)を作る。

レジスタやメモリを扱えるようになったらさらに高度なデバイス、CPU（中央演算装置）を作ることができる。書籍の「５章　コンピュータアーキテクチャ」で紹介されるCPUは以下の通り：

レジスタ：AとDの2つで、各16ビット
プログラムカウンタ：15ビット
命令：A命令とC命令の2つのみ
- A命令：Aレジスタに直値をセット
- C命令：ALU演算した結果を出力先(A|D|M)にセットし、条件によりジャンプ
  - Aレジスタに代えて、Aレジスタが指すメモリ内容(M)をオペランドに変更するフラグあり
命令用のROM領域はコードで読み書きできるRAMとは分かれている

書籍ではざっくりとした図とちょっとした解説だけなので、「これで実装させるのはスパルタだな〜」とちょっと怯んだ。でも命令タイプが2通りしかないためデコードが簡単（デコードと呼べるほどもない）： A命令はAレジスタにセットするだけ。 C命令はALUがそのまま扱えるような構成になっている。

命令長も１ワード固定なので命令のフェッチやプログラムカウンタの増加も固定処理となり、複雑な機構はまったくいらない。無条件・条件付きジャンプは条件が成り立ったらプログラムカウンタに値をセット、そうでなければインクリメントすればよい。

簡単に実装できるようにうまく機能を絞った構成になっている。

ALUの計算結果がゼロか、または負かの判定結果が出力されるのでそれを使う。

0より大きいかどうはか、「ゼロじゃなく、負でもない」で判定できる。で<, =, >の3条件が命令のjump3ビットで有効かどうかをそれぞれ判定して、どれか1つでも成り立つ場合にはPCの値にAをロードさせるようにする。

クロックが立ち上がる際に処理が進む際に、値の更新タイミングとかを気にする必要があるのかどうか心配だったが、実際には必要なかった。

１つ前のクロックを進めた際にPCが次のアドレスに更新される。するとクロックを下ろす前にすでに命令メモリに入るアドレスも変わり、次の命令が読み出されることになり、デコードも処理されてALUも更新された状態になる。で次のクロックの立ち上がりでようやくレジスタやメモリに書き込まれるというわけ。

順序回路なのはレジスタやメモリ（への書き込み）だけで、その他の回路は組み合わせ回路なので即座に反映されていて、クロックを進める前にもすでに次の状態になっているのがミソだった。

コンピュータにはリセット機能がある。しかしリセットを有効にするだけではダメで、クロックを進めない限りプログラムカウンタ(PC)がリセットされないという問題がある。

押した瞬間にリセットしたかったのだけど１ビット記憶にエッジトリガーフリップフロップを使っていること自体が問題なので、対応するにはそこから直す必要がある。

回路のシミュレータは以前と同じsimcirjs（の改造版）を使用。

すべてをNANDから組み立てる、ということでフリップフロップも回路として組むことは一応できたのだけどRAMの容量を増やすととてつもなく処理が遅くなってしまった。 NANDから実現できることはわかったので、カスタムデバイスで実装して速度を稼ぐようにした。

あとは状態を調べられるようにするために生成されたデバイスを取得できるようにして、値が変化した時のイベントリスナーを登録してレジスタの値を見れるようにした。プログラムカウンタから現在実行する命令が得られるので、逆アセンブルしておいた内容と合わせるようにする。レジスタやRAM内容も確認できるよう表示。

書籍ではその後、アセンブラ、バーチャルマシン、高水準言語コンパイラ、OSと、重めの内容が延々と続くんだけど、ソフトウェア部分は他でも経験あるので書籍通りにたどるのはいったん終了ってことでいいかな。

いちおう「CPU」を作ったとはいえ、機能的にはまだまだなのでもう少しなんとかしたい：