Cortex-M0プロセッサから自作して Lチカをやってみた
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mbed祭り＠クリスマスイブの金沢。MakeLSI:、ARM Cortex-M0 DesignStart、Lチカ。参考：「またまた懲りずに再度、LED点滅用のLSIをつくってLチカをやってみた 」https://www.youtube.com/watch?v=Ptb5kcw3QtY
![2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
LSIの進化の歴史：Mooreの法則
ref: http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm
傾き：×約1.5/年
G.Mooreが1965年に論文[1]で述べる→C.Meadが「法則」と命名→「予測」→「指針（目標）」へ
[1] G.E.Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," IEEE Solid-State Circuit Newsletter, Vol.11, No.5, pp.33-35, 1965.](https://image.slidesharecdn.com/16mbedf161224-161224071922/85/Cortex-M0-L-5-320.jpg)
![2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
「自作Cortex-M0でLチカ」：概要
0: 23a0 movs r3, #160 ; 0xa0
2: 05db lsls r3, r3, #23
4: 4c0b ldr r4, [pc, #44]
6: 4f0c ldr r7, [pc, #48]
8: 2201 movs r2, #1
a: 601a str r2, [r3, #0]
c: 2500 movs r5, #0
e: 6025 str r5, [r4, #0]
10: 2600 movs r6, #0
12: 3601 adds r6, #1
14: 42be cmp r6, r7
16: d1fc bne.n 12 <main+0x12>
18: 3501 adds r5, #1
1a: 2dff cmp r5, #255 ; 0xff
1c: d1f7 bne.n e <main+0xe>
1e: 2200 movs r2, #0
20: 601a str r2, [r3, #0]
22: 25ff movs r5, #255 ; 0xff
24: 2600 movs r6, #0
26: 3601 adds r6, #1
28: 42be cmp r6, r7
2a: d1fc bne.n 26 <main+0x26>
2c: 3d01 subs r5, #1
2e: 2d00 cmp r5, #0
30: d1f8 bne.n 24 <main+0x24>
32: e7e9 b.n 8 <main+0x8>
34: 50000004
38: 0000270f
#define GPIO 0x50000000
#define PWMDUTY 0x50000001
#define WAIT 10000 // 3,000,000=0.3s / 256 -> 10,000
void main()
{
volatile unsigned int w;
volatile unsigned int d;
while(1){
*(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0001;
for (d = 0; d < 256; d++){
*(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d;
for (w = 0; w < WAIT; w++);
}
*(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0000;
for (d = 255; d >= 0; d--){
*(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d;
for (w = 0; w < WAIT; w++);
}
}
}
arm-gcc/gas
VerilogHDL
module imem(clk, addr, data2);
input clk;
input [31:0] addr;
output [31:0] data2;
reg [31:0] data, data2;
// 0x00000000 - 0x1fffffff : code (0x00000000-0x000000c0: int.vec.)
// code memory: little-endian (LSB=1st byte / MSB=2nd byte)
wire [31:0] addr2;
assign addr2 = {addr[31:2], 2'b00};
always @(addr2) begin
case (addr2)
32'h00000000 : data <= 32'h0020000; // insital SP
32'h00000004 : data <= 32'h0000101; // reset (bit[0]=T)
32'h00000100 : data <= {16'h05db,16'h23a0};
32'h00000104 : data <= {16'h4f0d,16'h4c0c};
32'h00000108 : data <= {16'h601a,16'h2201};
32'h0000010c : data <= {16'h6025,16'h2500};
32'h00000110 : data <= {16'h3601,16'h2600};
32'h00000114 : data <= {16'hd1fc,16'h42be};
32'h00000118 : data <= {16'h2dff,16'h3501};
32'h0000011c : data <= {16'h2200,16'hd1f7};
32'h00000120 : data <= {16'h25ff,16'h601a};
32'h00000124 : data <= {16'h2600,16'h6025};
32'h00000128 : data <= {16'h42be,16'h3601};
32'h0000012c : data <= {16'h3d01,16'hd1fc};
32'h00000130 : data <= {16'hd1f7,16'h2d00};
32'h00000134 : data <= {16'h0000,16'he7e8};
32'h00000138 : data <= 32'h50000004;
32'h0000013c : data <= 32'd1999;
default: data <= 32'h0;
endcase
end
always @(posedge clk) begin
data2 <= data;
end
endmodule
「Lチカ」＆「Lほわ」
Thumb命令](https://image.slidesharecdn.com/16mbedf161224-161224071922/85/Cortex-M0-L-21-320.jpg)
![2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
1um？0.5in？いえいえ、けっこう使えます
?1[um]/3Alプロセス?0.5inウエハに
Cortex-M0コアが4ショットは入る
?カスタムなペリフェラル?アナログ?センサ?MEMS
の混載も（これが数万円&1週間@1個から）
※0.18[um]/3Alでの配置配線結果の
レイアウトデータ(GDS)を1/0.18=28倍に
拡大して作成](https://image.slidesharecdn.com/16mbedf161224-161224071922/85/Cortex-M0-L-27-320.jpg)
Cortex-M0プロセッサから自作して Lチカをやってみた
- 1. Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Cortex-M0プロセッサから自作して Lチカをやってみた 秋田純一（金沢大） @akita11
- 2. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 自己紹介 ? 本業：（機能つき）イメージセンサ ? 金沢大(’98～’00?’04～) ? 公立はこだて未来大(’00～’04) ? ’95?’00:はこだて未来大 計画策定委員 ? 副業：はんだ付け ? 小４から大須（名古屋の秋葉原）通い ? 好きなはんだはPb:Sn=60:40 ? 「集積回路を作って使う」研究 ? ※意外と、こういうバックグラウンドの LSI／回路研究者は少ない？
- 3. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 自己紹介（おまけ） mbedでLチカしてみると気づく、 「ちゃんとした回路の計算」の意義
- 4. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 自己紹介（おまけ：２） http://deviceplus.jp/people/eagle-eye/
- 5. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSIの進化の歴史：Mooreの法則 ref: http://www.intel.com/jp/intel/museum/processor/index.htm 傾き：×約1.5/年 G.Mooreが1965年に論文[1]で述べる→C.Meadが「法則」と命名→「予測」→「指針（目標）」へ [1] G.E.Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," IEEE Solid-State Circuit Newsletter, Vol.11, No.5, pp.33-35, 1965.
- 6. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ムーアの法則とコンピュータの歴史 DEC VAX(1976) 1MIPS Cray-1 (1978) 100MIPS MIPS：Million Instruction Per Second （１秒間に実行できる命令数） （世界最初のスーパーコンピュータ） 「世界トップの高速化」＋「身近なものにも高速化の恩恵」の２つの側面がある 20000MIPS 10MIPS 100MIPS 20MIPS 20000MIPS 109MFLOPS
- 7. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ コンピュータ：「CPU」から「原子」に Atmel ATtinyシリーズ （ふりかけマイコン） 出典：ARM Ubiquitous→IoT /IoE / CPS / M2M IoT = Internet of Things IoE = Internet of Everything CPS = Cyber Physical System M2M = Machine to Machine
- 8. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「LED点滅（Lチカ）」のパラダイムシフト ?コスト面：マイコン○（「もったいなくない」） ?機能面：マイコン○（多機能?仕様変更も容易） ?「集積回路の低価格化」が起こした 「コンピュータ＝部品」へのパラダイムシフト マイコン使用 部品点数＝１ コスト：100円 発振回路(555) 部品点数＝4 コスト：150円 while(1){ a = 1; sleep(1); a = 0; sleep(1); } ※さすがにPCではちょっと???
- 9. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ ※ウソです 広辞林（第６版）より
- 10. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 日本工業標準調査会（JISC） JIS規格一覧 ※ウソです
- 11. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路は「道具」になっているか？ ?高性能な「汎用品」：道具になった （マイコン、FPGA、オペアンプ、???） ?「専用品」（カスタムLSI）は？：現状、無理 ?例：学部１年生にLSIを作らせる？ ?「高いんだぞ???」「失敗したらシャレにならんぞ」 ?「ツールの使い方が難しいぞ」 ?「基礎知識（回路理論など）をいっぱい勉強しろ」 ?「ちゃんと動かすのは難しいぞ」 ?TATが長い（＝チップが届くころには忘れている） ?作れない→経験できない→学べない 11
- 12. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSIは「道具」になっているか？：調査 https://www.youtube.com/watch?v=A188CYfuKQ0 http://www.nicovideo.jp/watch/sm23660093 CMOS 0.18um 5Al 2.5mm x 2.5mm RingOSC x 1001 T-FF (Div)
- 13. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LチカLSI動画：ニコ動でのコメント ? こっから？ ? ニコ技界のTOKIO ? ゲートの無駄遣い ? ここから！！？ ? ひでえ、勿体ない使い方wwwww ? マジかよ。レジストレベルの設計とか ガチすぎる。 ? 無駄遣い過ぎるだろw ? 贅沢というかなんというか ? え？まじでここからかよ」wwww」」 ? IC版FusionPCB的なところが現れれば??? ? (FPGAでは)いかんのか？ ? 俺はFPGAで我慢することにする ? いや、そこまでは必要ないです ? 量産品すらFPGA使う時代に専用LSI??? ? アマチュアはFPGAで良いんだよなぁ???w
- 14. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 集積回路を「つくる」ためのハードル ?設計CAD ?市販の業務用CAD: 高すぎ、高機能すぎ ?製造方法 ?高すぎ、時間かかりすぎ（1000万円?半年） ?NDA（設計ルールなどのアクセス制限）が厳しすぎ ?ユーザ?コミュニティ ?参入障壁：現状は専門家ばかり ?“How”の専門家は多いが、”Why/What”は皆無 ?例：IoT時代のTrillion Sensor←経済的な方策（設置?運用）は？ ?例：エナジーハーベストで動く永久センサノード←いずれ故障する ?※半導体業界の人気がないのは、 半導体業界の苦境、は原因ではないと思う
- 15. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「カスタムIC」ならではのことは？ ?実世界との界面 ?センサ、アクチュエータ（MEMS） ?アナログ回路 ?超LowPower ?カスタムマイコン 15
- 16. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ LSIを道具にするために: MakeLSI: ?情報収集?整理 ?フリーCADなど（けっこうある） ?VDEC非依存の環境で ?仲間さがし ?参加条件：特になし（アツい心） ?けっこういる（100名程度） ?プロ?経験者?SWエンジニア?主婦 http://ifdl.jp/make_lsi Wgex（浅田先生作）
- 17. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/
- 18. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ MakeLSI: まずはやってみた ?2015年7月～8月＆2016年7月～8月 ?参加： ?2015年：8人?9種類@2チップ（高専生～ギーク～元プロ） ?2016年：11人?13種類＠2チップ（高専生～プロ～主婦） ?IP蓄積が異様に速い（オープンソース／Github） ?Linuxのような、オープンソース＆分散型IP開発の可能性？
- 19. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「道具」としてのLSIを持つこと ?ふつうの情報工学の研究???「あるもの」を使う ?カメラ、Kinect、マイコン、FPGA??? ?新技術で、一気にパラダイムが変わることがある ?「LSIをつくれる」という道具 ＝「いまできること」という発想から脱却 ?「カメラをつくれる」→画素をいじってみる ?「容量センサをつくれる」→回路とつなげる Depth画像
- 20. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「DIYマイコン」はどうか？ ?ARM Cortex-M0 DesignStartプログラム ?誰でも申請OK、評価目的でCortex-M0のHDLソース
- 21. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「自作Cortex-M0でLチカ」：概要 0: 23a0 movs r3, #160 ; 0xa0 2: 05db lsls r3, r3, #23 4: 4c0b ldr r4, [pc, #44] 6: 4f0c ldr r7, [pc, #48] 8: 2201 movs r2, #1 a: 601a str r2, [r3, #0] c: 2500 movs r5, #0 e: 6025 str r5, [r4, #0] 10: 2600 movs r6, #0 12: 3601 adds r6, #1 14: 42be cmp r6, r7 16: d1fc bne.n 12 <main+0x12> 18: 3501 adds r5, #1 1a: 2dff cmp r5, #255 ; 0xff 1c: d1f7 bne.n e <main+0xe> 1e: 2200 movs r2, #0 20: 601a str r2, [r3, #0] 22: 25ff movs r5, #255 ; 0xff 24: 2600 movs r6, #0 26: 3601 adds r6, #1 28: 42be cmp r6, r7 2a: d1fc bne.n 26 <main+0x26> 2c: 3d01 subs r5, #1 2e: 2d00 cmp r5, #0 30: d1f8 bne.n 24 <main+0x24> 32: e7e9 b.n 8 <main+0x8> 34: 50000004 38: 0000270f #define GPIO 0x50000000 #define PWMDUTY 0x50000001 #define WAIT 10000 // 3,000,000=0.3s / 256 -> 10,000 void main() { volatile unsigned int w; volatile unsigned int d; while(1){ *(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0001; for (d = 0; d < 256; d++){ *(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d; for (w = 0; w < WAIT; w++); } *(volatile unsigned int *)GPIO = 0x0000; for (d = 255; d >= 0; d--){ *(volatile unsigned int *)PWMDUTY = d; for (w = 0; w < WAIT; w++); } } } arm-gcc/gas VerilogHDL module imem(clk, addr, data2); input clk; input [31:0] addr; output [31:0] data2; reg [31:0] data, data2; // 0x00000000 - 0x1fffffff : code (0x00000000-0x000000c0: int.vec.) // code memory: little-endian (LSB=1st byte / MSB=2nd byte) wire [31:0] addr2; assign addr2 = {addr[31:2], 2'b00}; always @(addr2) begin case (addr2) 32'h00000000 : data <= 32'h0020000; // insital SP 32'h00000004 : data <= 32'h0000101; // reset (bit[0]=T) 32'h00000100 : data <= {16'h05db,16'h23a0}; 32'h00000104 : data <= {16'h4f0d,16'h4c0c}; 32'h00000108 : data <= {16'h601a,16'h2201}; 32'h0000010c : data <= {16'h6025,16'h2500}; 32'h00000110 : data <= {16'h3601,16'h2600}; 32'h00000114 : data <= {16'hd1fc,16'h42be}; 32'h00000118 : data <= {16'h2dff,16'h3501}; 32'h0000011c : data <= {16'h2200,16'hd1f7}; 32'h00000120 : data <= {16'h25ff,16'h601a}; 32'h00000124 : data <= {16'h2600,16'h6025}; 32'h00000128 : data <= {16'h42be,16'h3601}; 32'h0000012c : data <= {16'h3d01,16'hd1fc}; 32'h00000130 : data <= {16'hd1f7,16'h2d00}; 32'h00000134 : data <= {16'h0000,16'he7e8}; 32'h00000138 : data <= 32'h50000004; 32'h0000013c : data <= 32'd1999; default: data <= 32'h0; endcase end always @(posedge clk) begin data2 <= data; end endmodule 「Lチカ」＆「Lほわ」 Thumb命令
- 22. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「自作Cortex-M0でLチカ」：メモリマップ
- 23. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ専用Cortex-M0」：設計してみた CMOS 0.18um 5Al 0.55mm x 0.65mm ※このチップの設計は、東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、 日本ケイデンス株式会社、シノプシス株式会社研究センターの協力で行われたものです。 ※このチップの設計で使用したライブラリは、京都大学情報学研究科 田丸?小野寺研究室の 成果によるもので、京都工芸繊維大学 小林和淑教授によりリリースされたものです。 ※このチップの試作は、東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し、 ローム(株)および凸版印刷(株)の協力で行われたものです。 Synopsys Design Compiler & IC Compiler
- 24. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ専用Cortex-M0」：製造してみた ※基板はスイッチサイエンスPCBで製造 ※クロック周波数＝10MHz
- 25. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 「Lチカ専用Cortex-M0」：動作させてみた 詳細はこちら→https://www.youtube.com/watch?v=Ptb5kcw3QtY / niconico: sm30093578
- 26. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ DIYマイコン：どう作る？ミニマルファブ ?0.5インチウエハ?局所クリーン化?DLP露光 ?工程ごとの小型装置群 ?小ロットのLSI製造 ?加工寸法：1um程度 ?単TAT（１?２日） ?pMOS, nMOS：OK →CMOS回路へ／MEMS ?一部装置は既に販売開始 ?CMOS製造装置群＆製造サービスはあと数年？ ?基板界での「P板.com」や「スイッチサイエンスPCB」に 似た位置づけ http://unit.aist.go.jp/neri/mini-sys/fabsystem/minimalfab.html
- 27. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 1um？0.5in？いえいえ、けっこう使えます ?1[um]/3Alプロセス?0.5inウエハに Cortex-M0コアが4ショットは入る ?カスタムなペリフェラル?アナログ?センサ?MEMS の混載も（これが数万円&1週間@1個から） ※0.18[um]/3Alでの配置配線結果の レイアウトデータ(GDS)を1/0.18=28倍に 拡大して作成
- 28. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ Cortex-M0 DSの可能性：SWとHWの継続 ?電子回路→コンピュータの継続性 ?本来はつながっている知識学問体系 ????全体を通して理解している人がいるか？
- 29. 2016/12/24 Interface Device Laboratory, Kanazawa University http://ifdl.jp/ 似た現象？：化学?生物学?医学 ?化学?生物学?医学の学問体系 ?脳?知能 ?生物（多細胞生物） ?細胞 ?タンパク質?DNA ?分子?原子 ?SWとHWが分断すると???？ ?「ガン化するトランジスタ」：確率的に’0’にならない 論理回路（量子効果） ?SWからは「ガン」にしか見えない？（対処療法） 超えられない壁？