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．



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



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．


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．


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．


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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