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CPUを作ろう ~計算機教材とマイコンと電子工作~

設計例 その1


4ビットCPUの設計 その1

ここでは,K-COMで学んだCPUの設計を元に,4ビットCPUの設計を行ってみる.簡単に回路作成するため,汎用性は犠牲にして,以下のようにアーキテクチャを考えた.
図1に示すように命令長は4ビット,うち上位2ビットを命令コード,下位2ビットをアドレスとする.

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図1 4ビットマイコンの命令構成


用意する命令と命令コードは表1のように定める.基本的に演算命令のみとし,強制停止のHALT命令はハードウェア検出で行うことにした.

表1 命令一覧
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4ビットマイコンの構成を図2に示す.演算命令しかないため,メモリへの書き込み起こらないことからメモリはROMを用いた.

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図2 4ビットマイコンの構成

またフェッチおよび実行サイクルは,図3に示すように単純な繰り返しとなり分岐がなくなるためコントローラも簡単になる.

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図3 コントローラの動作

以上から,図4の全回路を作成した.ALUは4ビットなので,74LS181を使った.このALUの制御信号はK-COMと同様にPROM(U24)により与えている.プログラムカウンタは74LS193による2ビットのカウンタである.前述の通り,メモリにはPROMを用いている.アドレスはA0とA1の2ビット,データバスはO0,O1,O2,O3の4本である.命令レジスタの4ビットのうち上位2ビットは命令コードであるが,ここではALUの制御とHALTの検出にしか使っていない.下位2ビットのアドレスは,PCと切り替えによりメモリのアドレス指定に使われる.コントローラはPROM(U11)とD-FFのループにより作成された2ビットのカウンタである.これをデコードしてPROM(U20)により制御信号を出力している.
コントローラの制御信号は表2の真理値表の通りである.

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図4 4ビットCPUの全回路

表2 コントローラの制御信号設計
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