電子ブロック工房 IC・トランジスタで出来たコンピューターを設計・製作するためのブログ

　モトローラ型で設計すると、手作りのＣＰＵとしては現実的な構造になることが分かった。

メモリ空間は、１ワード８ビットでアドレス１６ビットの、合計６５５３６バイト。

レジスタはすべて８ビット：

Ａ１レジスタ　演算用
Ａ２レジスタ　演算用
Ｂ１レジスタ　メモリアクセス用
Ｂ２レジスタ　スタック用
Ｚ　レジスタ　各種代入・演算結果保持・ジャンプ用
ＩＰレジスタ　実行位置
ＣＳレジスタ　実行セグメント指定
ＤＳレジスタ　データセグメント指定
ＳＳレジスタ　スタックセグメント指定

フラグ（FLレジスタ）は、ゼロフラグ（Z）およびキャリーフラグ（C）の二つ。

クロック信号と各種イベントのタイミング：

clock 1   clock 2   events
-----------------------------------------------------------------
   0         0      decrement b2 register (for push)
                    prepare environment for reading command
   1         0      read command from memory
   0         1      prepare environment for command
                    increment IP
                    increment b2 register (for pop)
   1         1      do the command

注）clock2が０の時はCS:IPがアドレスラインに、１の時はDS:B1もしくはSS:B2がアドレスラインに接続される。

<CPUのスペック案２ のつづき>

16ビット長の変数で円周率が 3.1416 まで求められることが分かったので、アセンブラで計算してみた。インテル 80386 系は、レジスタが３２ビット。１６ビットどうしの乗算を行っても、結果が３２ビット内に収まるので、比較的容易にアセンブラで書ける。

<アセンブラで円周率を求める のつづき>

表題の問題を解くために、１ビット長から１９ビット長までの整数型を仮定し、円周率を求めてみた。

<円周率を求めるのに、何ビット長の変数が必要か のつづき>

モンテカルロ法で円周率を求めるアルゴリズムはいたって簡単。-1 から 1 までの乱数を、x, y として用意し、図のように点(x,y)と座標の原点までの距離が１以下であれば円の内側だとみなされる。ピタゴラスの定理より、単に


の値が１より大きいか小さいかを求めればよい。これを何回も繰り返せば、円の内側に点が入る確率が求まる。その確率を p とすると、外側の正方形の面積が４であるから、円周率は次のように得られる。

<モンテカルロシミュレーションで円周率を求める のつづき>

さて、自作コンピューターが完成すればどのような計算をやらせるかを考えておく必要があるだろう。何をやらせるかを決めないと、設計図が仕上がらない。

　簡単すぎてもいけないし、難しすぎてもいけない。例えば、２進数一桁の足し算をやらせるだけならば、簡単なデジタル回路を制作するだけでよい。逆に、今作ろうとしている自作コンピューターでインターネットに接続することは、ほとんど不可能である。絶対に不可能であるとは言わないが、最初の目標としては高すぎる。

　その中間として、円周率を求めることを目標にしたい。アルゴリズムとしては、モンテカルロシミュレーションを用いる予定である。これには、精度の良い乱数と、乗算を求めるプログラムが必要である。

代入命令について、すべてZレジスタを介するようにしてみた。

<ニーモニック表　案２ のつづき>

演算命令
INC A
DEC A
INC B
DEC B
INC C
DEC C
COMP A,D
ADD A,D (結果は、Zレジスタに入る）
NOT A (結果は、Zレジスタに入る）
NOT D (結果は、Zレジスタに入る）
AND A,D (結果は、Zレジスタに入る）
OR A,D (結果は、Zレジスタに入る）
SHL A （上位ビットにCF2を使いシフト。下位ビットはCF1へ）
SHR A （下位ビットにCF2を使いシフト。上位ビットはCF1へ）

ジャンプ命令
JMP （ジャンプ先は、Jレジスタの値）
JZ （ジャンプ先は、Jレジスタの値）
JNZ （ジャンプ先は、Jレジスタの値）
JC （ジャンプ先は、Jレジスタの値）
JNC （ジャンプ先は、Jレジスタの値）
LOOP（ジャンプ先は、Jレジスタの値）
JMPF（MOV CS,Z 及び MOV IP,J)

<ニーモニック表 のつづき>

レジスタは８ビット、メモリ空間の１ワードは４ビットの変則型にしようと思う。メモリ空間は、１６ビットのアドレス指定で６４Ｋワード（３２Ｋビット）。ＣＳ・ＤＳを用いたセグメント指定により、２５６ワードごとに空間を分割して使用する。

Ａレジスタ（８ビット）　－　演算用
　上位４ビット：ＡＨレジスタ
　下位４ビット：ＡＬレジスタ

Ｂレジスタ（８ビット）　－　メモリアドレス指定用
　上位４ビット：ＢＨレジスタ
　下位４ビット：ＢＬレジスタ

Ｃレジスタ（８ビット）　－　カウンタ
　上位４ビット：ＣＨレジスタ
　下位４ビット：ＣＬレジスタ

Ｄレジスタ（８ビット）　－　演算補助
　上位４ビット：ＤＨレジスタ
　下位４ビット：ＤＬレジスタ

Ｊレジスタ（８ビット）　－　ジャンプ先指定

Ｚレジスタ（８ビット）　－　代入および演算結果格納
　上位４ビット：ＺＨレジスタ
　下位４ビット：ＺＬレジスタ

Ｆレジスタ（４ビット）　－　フラグ格納用
　ＣＦ１（キャリーフラグ）
　ＣＦ２（シフト・ローテート用フラグ）？？？
　ゼロフラグはない（Zレジスタがゼロフラグを兼ねる）
　サインフラグはない（Zレジスタ上位１ビットがサインフラグを兼ねる）

ＩＰ（８ビット）　－　命令実行位置

ＣＳ（８ビット）　－　コードセグメント

ＤＳ（８ビット）　－　データセグメント

最初の設計では、インテル型にしてみた。スタックの実装は、とりあえず先送りにする。

１ビットあたり、7400 を一つ、MOSFET を一つ、ダイオード２つ、抵抗を一つの設計。

この回路は、4/26の２つの回路の折衷案。フリップフロップ部分と入力の選択に7400を、出力の選択にMOSFETを用いている。