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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2


4ビットCPUの設計 その2

ここでは,4ビットCPUに汎用性を持たせるため,命令を8種類(命令コード3ビット),アドレスを16通り(4ビット)として設計する.

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図1 4ビットCPU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.命令はK-COMとほぼ同じであるが,右シフトとHALT命令は回路の簡単化のために省略した.

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.ここではアーキテクチャを改変し,プログラム領域をROMに,変数領域をRAMにそれぞれ分担させた.

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図2 4ビットCPUの構成


フェッチおよび実行サイクルは,図3に示すようにK-COMと同じである.

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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4ビットのカウンタである.前述の通り,プログラム領域にはPROMを用いている.また変数領域にはRAMを用いている.コントローラの構成はK-COMと同様であるが,回路の視認性をよくするためと,メモリ構成の変更から,コントローラの制御信号はK-COMと異なっている.

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図4 4ビットCPUの全回路


コントローラの状態遷移ROM(U5)の設計を表2に示す.真理値表はK-COMと同様であるが,命令レジスタを7ビットとしたため,表内のIRの値が違っている.
コントローラの制御信号は,フェッチサイクルと実行サイクルに分けて設計し,表3と表4にそれぞれ示す.

表2 状態遷移ROMの設計
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表3 フェッチサイクル時の制御信号設計
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表4 実行サイクル時の制御信号設計
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