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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