Basys3-Hack-PC

Basys3 FPGA上で動作するHackコンピュータの実装

本プロジェクトは、「コンピュータシステムの理論と実装（通称: Nand2Tetris）」で定義される Hackコンピュータアーキテクチャ をXilinx Basys3 FPGAボード上に実装したものです。SystemVerilog (IEEE 1800) で記述され、Vivado Design Suite向けに最適化されています。

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📋 目次

• 概要
• 主な機能
• ハードウェア構成
• ソフトウェア仕様
  • 電卓アプリケーション (calculator.hack)
• ディレクトリ構成
• 開発環境
• ビルド手順
• 使用方法
  • 電卓の操作方法
• 技術詳細
• トラブルシューティング
• ライセンス
• 参考文献

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概要

Hackコンピュータは、16ビットのハーバード・アーキテクチャを採用した教育用プロセッサです。本実装では、以下の特徴を持ちます:

• 16ビット CPU: カスタムALU、Dレジスタ、Aレジスタ、プログラムカウンタを搭載
• メモリマップドI/O: スイッチ、ボタン、LED、7セグメントディスプレイを統合
• FPGA最適化設計:
  • ROM → Distributed RAM (LUTRAM) として推論
  • RAM → Block RAM (BRAM) として推論
  • クロック分周回路による12.5MHz動作 (100MHz入力クロックから生成)

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主な機能

✅ 実装済み機能

1. Hack CPU完全実装

   • A命令 (即値ロード)
   • C命令 (ALU演算 + 条件分岐)
   • 7種類のジャンプ条件サポート

2. メモリシステム

   • ROM: 4K words (12-bit アドレス空間) - 命令メモリ
   • RAM: 16K words (14-bit アドレス空間) - データメモリ

3. ペリフェラルI/O

   アドレス	デバイス	方向	説明
   0x6000	SW[15:0]	読取	16個のスライドスイッチ
   0x6001	BTN[4:0]	読取	5個のプッシュボタン (C/U/L/R/D)
   0x6002	7-Segment	書込	4桁7セグメントディスプレイ (BCD変換自動)
   0x6003	LED[15:0]	書込	16個のLED

4. 信号調整機能

   • デバウンス回路 (約10ms安定化)
   • CDC同期回路 (2段FFシンクロナイザ)

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ハードウェア構成

ターゲットデバイス

• FPGA: Xilinx Artix-7 (XC7A35T-1CPG236C)
• 評価ボード: Digilent Basys3

クロック設計

• 入力クロック: 100MHz (XDCで制約定義済み)
• システムクロック: 12.5MHz (1/8分周)
  • タイミング余裕を確保するため低速動作

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ソフトウェア仕様

プロジェクトには3種類のサンプルプログラム (.hack バイナリ) が含まれています:

ファイル名	説明
calculator.hack	加減乗算対応の電卓アプリケーション (メイン成果物)
math.hack	乗算テストプログラム
io_test.hack	I/Oペリフェラル動作確認用

電卓アプリケーション (calculator.hack)

ユーザーインターフェース

デバイス	役割	詳細
SW[13:0]	数値入力	0 ～ 16383 までの即値を14ビットバイナリで指定
SW[15:14]	モード選択	00: 加算 / 01: 減算 / 10: 乗算 / 11: (未使用)
BTN_U	Load A	SW値を Val_A にロード
BTN_D	Load B	SW値を Val_B にロード
BTN_R	Execute	現在のモード設定に従い演算を実行
BTN_L	(予約)	将来の機能拡張用
BTN_C	Reset	システムリセット (CPU初期化)

操作手順例: 123 + 456 を計算

1. 値Aの入力

   • SW[13:0] に 123 (バイナリ: 00000001111011) をセット
   • SW[15:14] を 00 (加算モード) に設定
   • BTN_U を押下 → Val_A に 123 が格納

2. 値Bの入力

   • SW[13:0] を 456 (バイナリ: 00000111001000) に変更
   • BTN_D を押下 → Val_B に 456 が格納

3. 演算実行

   • BTN_R を押下 → 123 + 456 = 579 が計算される
   • 7セグメントディスプレイに 0579 と表示

乗算アルゴリズムの実装

Hack ALUは乗算命令を持たないため、シフト加算アルゴリズム (Shift-and-Add) をソフトウェアで実装しました。

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ディレクトリ構成

Basys3-Hack-PC/
├── rtl/                          # RTL設計ファイル (SystemVerilog)
│   ├── basys3_hack_pc_top.sv    # トップレベルモジュール
│   ├── hack_cpu.sv              # Hack CPU実装
│   ├── hack_alu.sv              # 16ビットALU
│   ├── hack_ram.sv              # データメモリ (16K × 16bit)
│   ├── hack_rom.sv              # 命令メモリ (4K × 16bit)
│   ├── memory_io_bridge.sv      # アドレスデコーダ & I/Oブリッジ
│   ├── seven_seg_driver.sv      # 7セグメントディスプレイドライバ
│   └── debouncer.sv             # ボタンデバウンス回路
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├── tb/                           # テストベンチ (Simulation)
│   ├── system_tb.sv             # システム統合テスト
│   ├── hack_cpu_tb.sv           # CPU単体テスト
│   └── io_test_tb.sv            # I/O検証テスト
│
├── sw/                           # ソフトウェア (Hack Assembly)
│   ├── calculator.hack          # 電卓アプリケーション
│   ├── math.hack                # 乗算テストプログラム
│   └── io_test.hack             # I/Oテストプログラム
│
├── xdc/                          # 制約ファイル (Vivado XDC)
│   └── Basys3_Hack_PC.xdc       # ピン配置 & タイミング制約
│
├── Basys3-Hack-PC.xpr           # Vivado プロジェクトファイル
├── Basys3-Hack-PC.runs/         # ビルド出力ディレクトリ
├── Basys3-Hack-PC.sim/          # シミュレーション作業ディレクトリ
└── README.md                     # このファイル

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