古老CPU启示录-MC14500 1位CPU

描述

古老CPU启示录-MC14500 1位CPU(ICU 简介 在20世纪80年代4位、8位CPU逐渐成为主流,但是当时的CPU发展还处于探索阶段,所以各种“奇葩”的CPU都有出现,今天给大家带来1-bit CPU MC14500和GI SBA。两者差不多以MC14500为例看下这款“奇葩”CPU。 MC14500是一种工业控制单元(ICU),也被认为是1位处理器。它由摩托罗拉(Motorola)生产,但几年前已停止生产。如今,MC14500已经被价格合理的FPGA取代了,包括其所有外设和程序存储器。至今仍存在使用MC14500设计的不同原因: 1、为旧的MC14500计算机创建备件; 2、重复使用MC14500软件; 3、FPGA开发(VHDL代码=》电子专家)与应用程序(应用工程师)之间的分离; 4、低成本PLC替代品; 5、在现代FPGA上运行具有历史意义的东西很有趣; 6、使用FPGA的学习项目。

特点:

(1)16条指令;

(2)编程容易;

(3)容易掌握,不需要特殊的技术人员;

(4)由于使用外部存储器,系统变得容易;

(5)能满足用户的特定需求,具有丰富的灵活性;

(6)能满足用户的特定需求,具有丰富的灵活性;

(7)能够扩展以适应所有系统的规模和复杂程度;

(8)能够进行程序设计;

(9)B系列C-MOS符合JEDE规格;

(10)噪音容限大;

(11)不工作时漏电流小;

(12)工作电压3~18V;

(13)时钟频率范围广,一般工作频率1MHz(VDD=5V,一个时钟执行一条指令);

(14)信号输入和TTL互换;

(15)将判断作为中心工作,超过微处理器的性能;

(16)应用范围广,由继电器回路开始的逻辑判断处理到中速度的串行数据处理,还能减轻超负荷的微处理器系统的工作。

MC14500允许使用IO地址读取输入位。该位可以使用4位指令和内部1位结果寄存器RR进行处理。结果可以写入IO地址的输出位。 输入和输出数据位可以是物理输入和输出,其中可以连接电线,但它们可以连接到其他设备作为RAM或定时器。 IO的寻址完全在MC14500外部完成。MC14500的所选指令的4位和外部IO多路复用器的IO地址行导致程序存储器的数据宽度。MC14500使用术语“内存字”来表示从程序内存中输出的数据。本文档使用术语“command”作为“memory word”的同义词。因此,命令由两部分组成:指令和IO地址。 由于IO地址在MC14500的外部,因此不同实现之间的命令可能不同。此外,命令中4个指令位的位置也取决于设计。指令位可能占用命令中的高位或低位。 MC14500不包含从程序存储器中寻址要处理的命令的程序计数器。因此,MC14500设计的程序计数器位数可能不同。

程序内存或命令的宽度是指令的4位加上IOaddress行数。小型MC14500设计将使用8位宽的程序存储器,能够选择多达16个IO地址。由于这并不多,许多MC14500设计使用12位宽的程序存储器,可以选择多达256个IO地址。12位宽的程序存储器使用过去存在的4位宽的ROM设备。其他MC14500设计使用8位宽的程序存储器,但是每个MC14500命令有两个字节被读取,因此形成了一个16位宽的命令,能够寻址多达4096个IO地址线,用于物理IO、单位宽RAM和定时器硬件。在MC14500设计中,从程序存储器中读取两次会产生另一种变化,从程序中读取的第一个字节可能在一种设计中是低字节,但在另一种设计中是命令的高字节。

利用MC14500搭建的外围系统:

cpu

MC14500模拟器

MC14500模拟器使用web技术和javascript来独立于平台,并且在将来也可以使用。这种实现的一个缺点是javascript模拟器不能访问用户的文件系统或硬件。

模拟器在支持svg的浏览器上运行。

按下“步进”按钮意味着下降的时钟边缘,因此MC14500加载指令和输入数据。 释放“步进”按钮意味着上升的时钟边缘,因此MC14500写入数据。程序计数器增加。在程序存储器访问时间之后,下一条指令和IO地址出现在MC14500和输出、输入或RAM上。 详细的介绍就不过多赘述,网上还有利用Python进行汇编程序和反汇编程序的介绍。

FPGA实现

利用MC14500搭建的CPU 从上面的介绍可以看出MC14500和FPGA有很多相似的地方,接下来就用FPGA实现一下这款单比特CPU。

module mc14500b( input clk, input rst, input [3:0] i_inst, input i_data, output reg write = 0, output reg jmp = 0 , output reg rtn = 0, output reg flag0 = 0, output reg flagf = 0, output reg o_rr = 0, output reg o_data = 0 ); reg ien = 0, oen = 0; reg skip = 0; always @(negedge clk or posedge rst) begin

// Reset any flags from last clock. jmp 《= 0; rtn 《= 0; flag0 《= 0; flagf 《= 0; write 《= 0;

// FIX this it‘s not right technically. if (rst) begin

// reset behavior. reset internal flags and ignore clock. ien 《= 0; oen 《= 0; o_rr 《= 0; skip 《= 0; end else begin if (~skip) begin // skip case(i_inst) 4’b0000 : flag0 《= 1;

// NOPO 4‘b0001 : o_rr 《= ien & i_data; // LD 4’b0010 : o_rr 《= ien & ~i_data; // LDC 4‘b0011 : o_rr 《= ien & (i_data & o_rr); // AND 4’b0100 : o_rr 《= ien & (~i_data & o_rr); // NAND 4‘b0101 : o_rr 《= ien & (i_data | o_rr);

// OR 4’b0110 : o_rr 《= ien & (~i_data | o_rr); // NOR 4‘b0111 : o_rr 《= ien & (o_rr == i_data);

// XNOR 4’b1000 : begin // STO // DATA -》 RR, WRITE -》 1 for a clock (if oen is allowed)。 o_data 《= oen & o_rr; write 《= oen; end 4‘b1001 : begin // STOC

// DATA -》 ~RR, WRITE -》 1 for a clock. o_data 《= ~o_rr; write 《= oen; end 4’b1010 : ien 《= i_data; 4‘b1011 : oen 《= i_data; 4’b1100 : jmp 《= 1; 4‘b1101 : begin

// RTN rtn 《= 1; skip 《= 1; end 4’b1110 : skip 《= ~o_rr; 4‘b1111 : flagf 《= 1; endcase end else begin

// reset skip flag after clocking with skip once. skip 《= 0; end end end // neg edge// always @(posedge clk) begin// write 《= 0;// endendmodule

原文标题:你见过1-bit CPU吗?

文章出处:【微信公众号:OpenFPGA】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

责任编辑:haq

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