ええっ⁈ CPU創ったの⁈ すっごーい！ 第2章 第4節

～あんたCPUなんか創ってどうするのよ?!　Vol.2～

2017/8/11
コミックマーケット C92 1日目 東7そ11b

第2章 第4節 論理設計①

では、表10に基づいて論理設計に進みます。

対象はセレクタ①と②、出力先であるアキュムレータAとB、出力ポート、PCの合計6ヶ所です。信号線の数はセレクタ①だけが2本（ST端子とSELECT端子）、その他は1本ずつです。

入力信号の数は命令コードの4本（ROMから供給されるbit4～bit7）とキャリーの合計5本です。

それぞれの信号線を論理式で表してみましょう。

• セレクタ①

  これは例外処理が無いので一番簡単です。ST端子とSELECT端子を命令コードのbit7とbit6に割り当てるだけです。

  ST端子 = bit7
  SELECT端子 = bit6

   

• セレクタ②

  セレクタ②のSELECT端子は例外処理があるので複雑です。通常は命令コードのbit5に割り当てておけば良いのですが、条件ジャンプ命令（1101）の時だけ強制的に1にする必要があります。

  とは言え律儀に命令コードの全部のビットを調べて1101であることを確認する必要はありません。ジャンプ命令（1111）の時にもSELECT端子を1にしますから、bit5は0でも1でも構いません。

  という訳で、命令コードのbit7、bit6、bit4が全部1の時にSELECT端子を強制的に1にします。

  SELECT端子 = bit5 OR (bit7 AND bit6 AND bit4)

   

• 出力先

  出力先のアキュムレータAとB、出力ポート、PCに関しては、以下の3つの注意点があります。

  1. 負論理 である。つまりLD端子を0にすると出力動作を行う。
  2. bit7とbit6の両方が1の場合は、出力ポートもしくはPCへの出力を行う。それ以外の時（bit7とbit6の少なくとも片方が0の時）はアキュムレータAもしくはBへの出力を行う
  3. 条件ジャンプ命令の時は、キャリーフラグが1の場合はPCへの書き込みを行わない

  まずはアキュムレータAとB、および出力ポートの論理式を考えます。

  アキュムレータAのLD端子 = bit4 OR (bit7 AND bit6)
  アキュムレータBのLD端子 = (NOT bit4) OR (bit7 AND bit6)
  出力ポートのLD端子 = bit4 OR NOT (bit7 AND bit6)

  特に難しくないと思います。bit7とbit6の論理積（AND）が共通していますので、この部分は1つにまとめてしまえばよいでしょう。

   

• PC

  最後はPCへの出力です。複雑なので、まずは条件ジャンプ命令を考慮せずに考えてみましょう。

  PCのLD端子 = NOT (bit7 AND bit6 AND bit4)

  これだけだと非常に簡単です。しかも (bit7 AND bit6 AND bit4) の部分はセレクタ②の時に同じ論理演算をしていますから、それを流用すれば全く問題ありません。

  では、どうやって条件ジャンプ命令を実現すれば良いでしょうか?

  ここはやはり先人の知恵を借りましょう。

  TD4ではbit7とbit6が1の時にジャンプ命令もしくは条件ジャンプ命令を実行します。両者の区別はbit4で行っています。bit4が1ならばジャンプ命令、0ならば条件ジャンプ命令と判断します。そしてキャリーが無いことを示すQ信号と命令コードのbit4の論理和（OR）を行うことで、ジャンプ命令と条件ジャンプ命令を統合しています。

  TD4のPCのLD端子 = NOT (bit7 AND bit6 AND (Q OR bit4))

  この手法をTD4EX1でも使いましょう。

  TD4EX1ではbit7、bit6、bit4の3つが1の時にジャンプ命令もしくは条件ジャンプ命令を実行します。両社の区別はbit5で行い、bit5が1ならばジャンプ命令、0ならば条件ジャンプ命令と判断します。

  この状況はTD4とそっくりですから同じ手法を使えます。

  TD4EX1のPCのLD端子 = NOT(bit7 AND bit6 AND bit4 AND (Q OR bit5))

  複雑に見えますが、やっている事はTD4と同じです。