公開日：2024/08/31

31st Season

#31-6　Moscoviumの開発環境(カスカス)

　Cmod A7ボード(FPGA)を使って開発しているオリジナル16ビットCPUコアMoscoviumの開発環境として、Blocklyを使える用に整備しました(以下記事を参照)。

　　「#31-2　Moscoviumの開発環境(ワクワク)」

　　「#31-3　Moscoviumの開発環境(アゲアゲ)」

　暫く使って見たところ、Moscoviumとしてのハードウェアを最大限活用するためには、Blocklyにカスタムブロックの追加が必要だと判りました。上の記事でターゲットとしたBlocklyDuinoページでは、カスタムブロックを追加することができないため、ローカルハードディスク上にBlocklyの動作環境を構築して、カスタムブロックを追加したいと思います。

Blockly動作環境の構築

　早速、Google Blocklyの動作環境をローカルハードディスク上に構築して行きましょう。

　　手順：

• １）Node.js、npmのインストール
• Blocklyを動作させるのに必要なパッケージ。
• 以下URLより、インストーラをダウンロードして、インストールする。
• URL：https://nodejs.org/en
• ２）GitHubから、Blocklyデモをクローン
• 以下URLより、「<>Codeプルダウンメニュー ⇒ Download ZIP」を実行してZIPファイルをダウンロード。
• URL：https://github.com/google/blockly
• GitHubデスクトップを使ってクローンしてもOK。
• ZIPファイルを適切なディレクトリへ展開。
• ZIPファイルを展開した時の最上位ディレクトリ名を「blockly」に変更しておく事。
• 「README.md」、「LICENSE」等のファイルが格納されている階層が、最上位ディレクトリ。
• ＝＝＝＝＝＝＝＝【以降、Windowsコマンドウインドウでの作業】＝＝＝＝＝＝＝＝
• ３）Blockly実行環境の構築
• % cd ◎\blockly
• ２）でクローンしたディレクトリへ移動。
• 「◎」の部分は、各自、blocklyデモをクローンしたパスで異なる。
• % npm install --save blockly
• blockly\node_modulesディレクトリが作成される。
• この下のnode_modules\blocklyディレクトリに、Blocklyの実行スクリプトがある。
• ４）Blocklyデモ用に整備
• % copy node_modules\blockly dist -Recurse
• % mkdir build
• % copy node_modules\blockly\msg build\msg -Recurse
• ※この時点で、node_modulesディレクトリは不要。
• ５）demosディレクトリを複製
• % copy demos mcvm -Recurse
• これからMoscovium用にカスタマイズするので、デモディレクトリ(demos)を別な名前(例えばmcvm)でコピーしておく。
• ６）Moscovium用にカスタマイズ
• 以下のファイルをダウンロードして、blockly\mcvm\code\に上書きコピーする。
• blockly\mcvm\code\index.html
• blockly\mcvm\code\mcvm_blocks.js
• blockly\mcvm\code\mcvm_custom.js

　完了です。

Blocklyデモを使って見る

　前節で構築したblockly\mcvm\index.htmlをブラウザで開くと、Blocklyを使ってプログラミングすることができます(下図)。ローカルディスク上に動作環境が構築されていますので、ネットワークに接続していない状態でも、Blocklyデモを実行することができます。

• Cloud Storage
• 手元の環境では、動作しなかった。
• 使わない。問題なし。
• Code Editor
• このページが、Blocklyのプログラミングページ。

• 保存）Blocklyでプログラムを作成したら、
• XMLタブを選択して、XML形式で表示、
• 全選択して、コピー、
• 適切な名前でテキストファイル(〜.xml等)を作成しておき、
• テキストエディタなどから貼り付け、セーブしたら保存完了。
• 変換）保存したXMLファイルを、
• Blockly.XML→Moscovium.ASM変換スクリプトにかけて、
• アセンブラソースリストに変換する。
• 読込）逆に、XMLファイルをテキストエディタで開いたら、
• 全選択して、コピーし、
• Code EditorウインドウのXMLタブに貼り付けると、
• 保存しておいたプログラムの読み込みが可能。
• 更新）Code Editorウインドウでプログラムを修正・変更したら、
• 保存）手順で保存可能。
• Blockly Developer Tools
• カスタムブロックを作成できるページ。

カスタムブロックの設計

　Moscovium用に追加するカスタムブロックは、以下4つのカテゴリに分類して準備しようと思います。

• Moscovium
• Moscoviumを制御するのに必要な固有ブロック
• インラインでアセンブラソースリストを記述できたり、
• CPUの内蔵レジスタにアクセスしたりする機能を提供する。
• Memory
• メモリにアクセスするためのブロックを備える。
• 少なくとも、I/Oレジスタにアクセスできるようにしておけば、
• Moscoviumマイコンに実装したすべてのI/Oユニットを制御可能。
• Standard
• 定数を記述したり、"123"のような文字列を符号付整数値に変換したりなど、
• 基本的な機能を提供する。
• Library
• Arduino IDEのコアライブラリが提供する、
• digitalRead()／digitalWrite()関数や、
• millis()／micros()関数、
• UARTデータのやり取り(入出力)などの機能を提供する。

　より低層の基本的なカテゴリ(Moscovium)から、だんだん高層の高度なカテゴリ(Library)に向かって分類してあります。

カスタムブロックを作る

　こちらのBlocklyデモから、Blockly Developer Toolsを使って、カスタムブロックを作成して行きます。エディタページの使い方については、Googleのドキュメントを参照してください。

　例えば、mem writeブロックは、以下の様に生成しました。



　パラメータの数や型等によって、生成方法は異なります。同様にして、全てのカスタムブロックを定義したら、JavaScript形式で書き出し(mcvm_blocks.js)ます。

Blocklyデモへの組み込み

　前節で書き出したファイル(mcvm_blocks.js)をblockly/mcvm/code/へコピーし、blockly/mcvm/code/index.htmlに反映させます。

　　blockly/mcvm/code/index.htmlの変更箇所：

• １）先頭付近、カスタムブロックのJavaScriptファイル(mcvm_blocks.js)を実行する。
• <script src="../../dist/dart_compressed.js"></script>
  <script src="code.js"></script>
  　　↓　(追加)　
  <script src="../../dist/dart_compressed.js"></script>
  <script src="code.js"></script>
  <script src="mcvm_blocks.js"></script>
  
• ２）末尾付近、ブロックリストにカスタムブロックを追加する。
• 以下行の下に、カスタムブロックの記述を追加。
• <category name="%{BKY_CATFUNCTIONS}" colour="%{BKY_PROCEDURES_HUE}" custom="PROCEDURE"></category>
  　　：　(追加)
  
• ３）ブロックリストから、非対応ブロックを削除する。
• Blockly.XML→Moscovium.ASM変換スクリプトが非対応なブロックがリストに現れない様にコメントアウトしておく。
• 具体的な追加内容に関しては、変更済みの以下ファイルで確認してください。
• 変更後：blockly/mcvm/code/index.html

　Blocklyデモは、BlocklyDuinoに比べて使用可能なブロック種が追加されていて、格段に使い易くなっています。そこへ更に、Moscovium用のカスタムブロックが追加できたので、鬼👹に金棒です。

Blockly.XML→Moscovium.ASM変換スクリプト

　変換スクリプト自体は、BlocklyDuinoの時と同様な物が使用可能です。
　しかし、BlocklyDuino → Blocklyデモで追加になった新しいブロックや、Moscovium用に追加したカスタムブロックに対応したバージョンを使う必要があります。
　以下リンクよりダウンロードしてお使いください。

　　変換プログラム：blky2mcvm.olv

　　ランタイムライブラリ：blky2mcvm.incl

※スクリプト(.olv)の実行には拙作Olive+をWindowsにインストールしてください。

　使用可能なブロックの詳しい説明は、こちらのマニュアルを参照してください。


　なお、今回のGoogle Blocklyデモ環境への対応を機に、BlocklyDuinoページが出力するXMLファイルへの対応は廃止します。
　Moscovium用にカスタマイズしたBlocklyデモ環境の立ち上げが必要です。


※本HPの設計データは全て、「サポート無し、無保証」であることを前提としています。ご理解の上、ご活用ください。

デザイン

　Cmod A7ボード用Moscoviumマイコンの設計データ(Vivadoプロジェクト)は、GitHubにて配布しております。以下バナーよりアクセスしてください。



　ディレクトリ「blky」に、Blockly.XML→Moscovium.ASM変換スクリプトを含む、Blockly関係のファイルを格納しています。

　今回は、こちらのfdownブロックを実装するため、半精度浮動小数H-FPUユニットとMoscoviumコアにhdown命令を追加したので、最新のデザインを使ってください。

　fdown命令は、元々、Nihonium＋単精度浮動小数S-FPUユニットには実装済みだったため、未実装だったH-FPUで直交性を確保する目的で拡張したものです。

もぎ実験

　例えばこちらの手順の内、実際にFPGAへ回路とプログラムを書き込んで動作検証する手順には、既に十分な実績があります。実物のFPGAで動作確認するのは、とても重要な検証では、あるけれど、内部の細かな動作が追いかけ難かったりして、検証内容は限られる場合があります。
　今回は、Vivadoを使ったシミュレーションにて、内部の動作などを含めて検証する事といたします。

　以下、Blocklyでサンプルプログラムを作成し、シミュレーションによって、動作を確認して行きたいと思います。Cmod A7ボード(FPGA)でMoscoviumのシミュレーションを実行する手順については、こちらをご確認ください。

素因数分解

　まずは、Blocklyを使って、任意の整数を素因数分解してみましょう。以下にBlocklyデモ環境用のXMLファイルをリンクしておきます。

　　Blocklyプログラム：blky_prime_factor.xml　(PNG)

※Blocklyで作成したプログラム(XMLファイル)から、Vivadoを使ってシミュレーションする手順については、こちらをご参照ください。以降のサンプルも同じです。

　指定した整数値(変数名はnn)を素因数分解して表示するプログラムと、なっています。アルゴリズムは愚直に2，3，4，……と割り算して行って、割り切れた時の値を素因数だと判定しています。
　整数割り算を使用しているため、除算命令を使用可能なCPU(DIVC32ユニット＋Moscoviumまたは、Nihonium)が必要です。従って、例えば以下の様なデザインを使ってシミュレーションを実行してください。

• mcoc115ca0408.vh
• nhoc113ca04128.vh
• 等

　型名一覧表はこちらです。

　　実験サンプル：シミュレーション結果ログ
　　1134 = 2 * 3 * 3 * 3 * 3 * 7
　　WRN: program encountered a halt code.
　　Test Finish, you need verify waveform.
　　CPI:　3258/　2357(　0)=　1382/1000
　　finish:　150160 ns

　サンプルとして、nn＝1,134を素因数分解した結果が表示されました。検算してみると、結果は正しいことが解ります。もし、16ビット符号付整数を超える大きさの整数nnを指定する場合、変換オプション"@Nh@"を指定して、デザインもNihoniumコアを搭載した物を選択してください。

※素数は、1と自分自身以外で割り切れない数なので、「素数判定プログラム」としても使用可能です。

最大公約数・最小公倍数

　続いて、2つの整数から最大公約数(GCD；Greatest Common Divisor)と最小公倍数(LCM；Least Common Multiple)を求めるプログラムを試してみましょう。

　　Blocklyプログラム：blky_gcd_lcm.xml　(PNG)

　指定した整数値2個(変数名はSA，SB)の最大公約数をユークリッド互除法で求め、その結果を使って最小公倍数も求めるプログラムです。
　乗除算命令を使用可能なCPU(MULC16ユニット＋DIVC32ユニット＋Moscoviumまたは、Nihonium)が必要です。従って、例えば以下の様なデザインを使ってシミュレーションを実行してください。

• mcoc115ca0408.vh
• nhoc113ca04128.vh
• 等

　シミュレーションしてみましょう。

　　実験サンプル：シミュレーション結果ログ
　　GCD(119, 272) = 17; LCM = 1904
　　WRN: program encountered a halt code.
　　Test Finish, you need verify waveform.
　　CPI:　2518/　1866(　0)=　1349/1000
　　finish:　120560 ns

　サンプルとして、SA＝119とSB＝272の最大公約数・最小公倍数を求めた結果が表示されました。
　前節の素因数分解プログラムを使ってみると：

• SA＝119＝7×17
• SB＝272＝2×2×2×2×17

と、計算されました。素因数分解した結果を使うと：

• 最大公約数＝17
• 素因数の共通部分(AND)。
• 最小公倍数＝(7)×(17)×(2×2×2×2)＝1,904
• 素因数の和集合(OR)。

と、計算できますので、結果の正しさも確認できました。

※最初のSA，SB値次第では、最小公倍数LCMが符号付整数値の範囲を超えてしまう場合があります。

円周率の計算

　最後に、円周率を求めておきましょう。

　　Blocklyプログラム：blky_calc_pi.xml　(PNG)

　浮動小数を使って、円周率πを求めるプログラムです。
　本HPで何度か取り上げている、多倍長固定小数を使った円周率の計算(数1,000桁以上)とは異なり、浮動小数を使うので、精度によって有効数字が限られます(下表)。

　浮動小数を使うこと以外、アルゴリズムは同じで、マチン公式を使っています。

　変換オプションで"@Nh@"を指定した場合、シミュレーションに使用するデザインも、CPUコアにNihoniumを搭載した型名を使う必要があります。また、浮動小数演算が必須なので、FPUも搭載している必要があります。従って、例えば以下の様なデザインを使ってシミュレーションを実行してください。

• @Mc,float@：　mcoc115fp0440.vh
• @Nh,float@：　nhoc113fs0408.vh
• 等

　シミュレーションしてみましょう。

　　実験サンプル：シミュレーション結果ログ
　　PI = 3.1415915
　　WRN: program encountered a halt code.
　　Test Finish, you need verify waveform.
　　CPI:　4510/　3162(　0)=　1426/1000
　　finish:　200240 ns

　Nihonium＋単精度浮動小数S-FPUユニットで実行した結果です。最後の数桁は正しくありませんが、有効数字の誤差範囲内で、期待値通りです。


　楽しくなってきました（１＾−＾）♪。自作のオリジナルCPUなのに、アセンブラでゴリゴリとプログラミングしなくても、Blocklyを使って楽しくプログラミングできるなんて、想像もしていませんでした。らぶ。