プログラマーのためのAMBA入門 ― APB・AHB・AXIバスを仕様書とボードで読み解く

講義を終えると得られること

自分が書いたコードの一行が、チップの中でどのような経路をたどるのか、図に描けるようになります。値を書き込んでもすぐに反映されないとき、たまにだけおかしくなるとき、同じコードがある場所では速く、別の場所では遅いとき、その理由を推測ではなく、説明として語れるようになります。

レジスタに値を書き込んだのに、なぜまだ変わっていないのでしょうか？

コードは上から下へ一行ずつ実行されると学びました。しかしチップの中では、私が書いた値がCPUを離れて経路を進み、途中でしばらく待ったり、ほかの要求と順序が入れ替わったりすることもあります。この経路を知らないと、「たまにしか起きない不思議な問題」を運やタイミングのせいにして片付けてしまいます。

この講義では、その道筋を最初から手描きで描きながらたどっていきます。道のルールが記された原文のドキュメントを一緒に開き、該当する文章に蛍光ペンで線を引き、実際のボードで測定した数値で確認します。

細い路地から高速道路まで

チップの中の道は一つではありません。周辺機器へ向かう、遅くて単純な道。メモリへ向かう広い道。そして、複数のリクエストが同時に行き交う高速道路があります。この講義では、簡単な道から順に進み、先に学んだルールが次の道でどのように変わるのかを見ていきます。

なぜ今、チップ内のバスなのか

近年のチップには、複数のCPUコアやさまざまなアクセラレータ、数多くの周辺機器が搭載されています。これらの部品がデータをやり取りする経路の規則として広く使われているのが、ArmのAMBAです。そのため、どんなチップを使う場合でも、チップのマニュアルを開けば、この経路の図に出会います。

コードを代わりに書いてくれるツールが増えるほど、そのコードがチップの中でなぜそのように動作するのかを説明できる開発者の価値は、ますます高まります。

本講座では、以下の内容を学びます

18年間の現場講義で見てきた空白

2008年から企業や機関で開発者を教えてきました。その間、コードはうまく書けるのに、そのコードが実行される土台であるメモリとバスについてはよく知らない開発者に多く出会いました。

• バス幅が広いほど速いことは分かっていますが、なぜなのかは説明できません。

• ボードにメモリを好きなだけ増設できない本当の理由を説明できません。

• メモリコントローラーが何をするものか分からず、新しく作ったボードに初めて電源を入れ、メモリを動作させる段階で行き詰まります。

これらの空欄はそれぞれ独立しているわけではありません。チップの中の経路が分かれば、まとめて埋められます。アドレス線の本数が指定できるメモリの上限を決め、データ線の本数が一度に転送する量を決めます。メモリコントローラーはバスの言葉をメモリの言葉に変換する通訳者なので、接続されたメモリの幅と速度を、ブートコードがあらかじめ知らせる必要があります。そして何より、ボード全体がどのような構造でつながっているのか、一目で分かるようになります。

現場で最もよく受けた質問「コードは合っているのに、なぜ時々おかしくなるのでしょうか？」にも、この講義はチップ内の経路図1枚とボード上の数字1つで答えます。

ソフトウェア開発者が解説するAMBA、2008年から

私はチップを設計する人間ではありません。最初から今まで、そしてこれからも、組み込みソフトウェアの開発者です。ただ、ハードウェアに関心があってアセンブリを別途勉強し、ARMプロセッサを長く扱ってきたこともあり、自分のコードが通るチップの中の道、AMBAに自然と興味を持つようになりました。

2008年、そうして一人で勉強した内容をどこかに記録として残しておきたくて、ブログに「AMBAの理解」という連載を投稿しました。回路を作る側ではなく、その回路上でコードを書く側の視点から、仕様書のタイミング図を一コマずつ図にして解きほぐした記事でした。AMBAを韓国語で分かりやすく説明した記事を見つけるのが難しかった頃で、その記事には17年たった今も、勉強になった、ありがとうというコメントが寄せられます。

この講義では、その解説をAXIや最新規格まで広げ、実際のボードで測定した数値を加えて、動画として新たに制作しました。そのため、最初から最後までプログラマーの目線で解説します。

コードは書けるけれど、チップの内部はブラックボックスだった方へ

バスという言葉を初めて聞いても大丈夫です。レジスタに値を書き込んだり読み出したりした経験があれば十分です。これまで「ハードウェア側の話」として読み飛ばしていたチップのマニュアルにあるバスの図も、この講義が終わる頃には自分で読めるようになります。

チップを設計する方にもおすすめです。この講義では、自分が作ったハードウェアをソフトウェアがどのように使うのかを、反対側の視点から解説します。エラーを知らせる信号ひとつ、書き込みを一時的に受け持つバッファひとつが、プログラマーにとってどのようなバグとして現れるのかを見れば、設計時に何をさらに考慮し、マニュアルに何を記載すべきかを考えるきっかけになります。

この講義ならではの特徴

実際の講義画面

実習環境

よくある質問

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