「CPUの創りかた」は、パタヘネ本の次に必読の一冊

4bitマイコン
 
命令長            : 8bit
 
プログラムメモリ  : 16word
 
レジスタ          : Aレジスタ、Bレジスタ(共に4bit)の2つ
                    OUT命令だけ、命令に対してレジスタが直交して無い
 
ステータスレジスタ: キャリーフラグ1bitのみ
                    (条件付ジャンプでのみ使用)
 
I/O               : 入力,出力ともに1ポート(共に4bit)
 
トランジスタ数    : 推定1500個程度らしい

クロックジェネレータ
    RC発信とシュミットトリガIC(74HC14)で生成
 
レジスタ
    4bitカウンタ(74HC161)のカウンタ機能を殺して、4bitのFFとして使用
 
ソースレジスタの決定回路
    2ビットのセレクタ(74HC163)を使用して、決定している
    (74HC163は4ビットのセレクタが2個あるので、ICが2つ必要)
 
デスティネーションレジスタの決定回路
    レジスタに使った7HC161のLOADピンをAssertにすることで決定している
 
プログラムカウンタ
    4bitカウンタ(74HC161)のカウンタ機能を使用
 
I/O
    レジスタを1つ殺してI/Oを作る
    Input は、ALU->レジスタの出力を、外部ピンに変更する。
    Outputは、レジスタ->ALUの入力を、外部ピンに変更する。
 
 
プログラムメモリ
    ディップスイッチで代用!!
    (ROMだとライタが必要になるのを回避するため)
 
プログラムレジスタのアドレス指定
    74HC154のデコーダで,制御ユニットの4bit入力から読み出す番地を決定している
 
ALU
    4ビットの加算器(74HC283)を使用
 
ステータスレジスタ(C)
    ALUで使用している加算器のキャリーピンをFF(74HC74)に保持
 
命令のデコーダ
    これが、このCPUで一番複雑なところ
    真理値表を書いて、ロジックICでがんばる
    opcodeを工夫しているので、ORが4個とNANDが3個で実装できる
    74HC32,74HC10が各1個

命令          処理                  opcode
----------    --------------------  -------
ADD A, Im     A += Im               0000
ADD B, Im     B += Im               0101
MOV A, Im     A = Im                0011
MOV B, Im     B = Im                0111
MOV A, B      A = B                 0001
MOV B, A      B = A                 0100
JMP Im        pc = Im               1111
JNC Im        if(C==0) { pc = Im }  1110
IN  A         A = InPort            0010
IN  B         B = InPort            0110
OUT B         OutPort = B           1001
OUT Im        OutPort = Im          1011

MOV命令はALUが何もせずに、デスティネーションレジスタに値を格納している。
ADD命令はALUが加算をして、デスティネーションレジスタに値を格納している。

クロックがOFFの時:
    前段側は、入力データを常に受け取れるようにする、
    後段側は、記憶回路の構成にして出力を安定させる。
 
クロックがONの時:
    前段側は、記憶回路の構成にして出力を安定させる。
    後段側は、入力データを常に受け取れるようにする。