おびやまロボット研究所　～マイコン電子工作と自作ドローン～

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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