古老CPU啟示錄-MC14500 1位CPU（ICU 簡(jiǎn)介 在20世紀(jì)80年代4位、8位CPU逐漸成為主流，但是當(dāng)時(shí)的CPU發(fā)展還處于探索階段，所以各種“奇葩”的CPU都有出現(xiàn)，今天給大家?guī)?lái)1-bit CPU MC14500和GI SBA。兩者差不多以MC14500為例看下這款“奇葩”CPU。 MC14500是一種工業(yè)控制單元（ICU），也被認(rèn)為是1位處理器。它由摩托羅拉（Motorola）生產(chǎn)，但幾年前已停止生產(chǎn)。如今，MC14500已經(jīng)被價(jià)格合理的FPGA取代了，包括其所有外設(shè)和程序存儲(chǔ)器。至今仍存在使用MC14500設(shè)計(jì)的不同原因： 1、為舊的MC14500計(jì)算機(jī)創(chuàng)建備件； 2、重復(fù)使用MC14500軟件； 3、FPGA開發(fā)（VHDL代碼=》電子專家）與應(yīng)用程序（應(yīng)用工程師）之間的分離； 4、低成本PLC替代品； 5、在現(xiàn)代FPGA上運(yùn)行具有歷史意義的東西很有趣； 6、使用FPGA的學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

特點(diǎn)：

（1）16條指令；

（2）編程容易；

（3）容易掌握，不需要特殊的技術(shù)人員；

（4）由于使用外部存儲(chǔ)器，系統(tǒng)變得容易；

（5）能滿足用戶的特定需求，具有豐富的靈活性；

（6）能滿足用戶的特定需求，具有豐富的靈活性；

（7）能夠擴(kuò)展以適應(yīng)所有系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度；

（8）能夠進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；

（9）B系列C-MOS符合JEDE規(guī)格；

（10）噪音容限大；

（11）不工作時(shí)漏電流小；

（12）工作電壓3~18V；

（13）時(shí)鐘頻率范圍廣，一般工作頻率1MHz（VDD=5V，一個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令）；

（14）信號(hào)輸入和TTL互換；

（15）將判斷作為中心工作，超過(guò)微處理器的性能；

（16）應(yīng)用范圍廣，由繼電器回路開始的邏輯判斷處理到中速度的串行數(shù)據(jù)處理，還能減輕超負(fù)荷的微處理器系統(tǒng)的工作。

MC14500允許使用IO地址讀取輸入位。該位可以使用4位指令和內(nèi)部1位結(jié)果寄存器RR進(jìn)行處理。結(jié)果可以寫入IO地址的輸出位。 輸入和輸出數(shù)據(jù)位可以是物理輸入和輸出，其中可以連接電線，但它們可以連接到其他設(shè)備作為RAM或定時(shí)器。 IO的尋址完全在MC14500外部完成。MC14500的所選指令的4位和外部IO多路復(fù)用器的IO地址行導(dǎo)致程序存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度。MC14500使用術(shù)語(yǔ)“內(nèi)存字”來(lái)表示從程序內(nèi)存中輸出的數(shù)據(jù)。本文檔使用術(shù)語(yǔ)“command”作為“memory word”的同義詞。因此，命令由兩部分組成：指令和IO地址。 由于IO地址在MC14500的外部，因此不同實(shí)現(xiàn)之間的命令可能不同。此外，命令中4個(gè)指令位的位置也取決于設(shè)計(jì)。指令位可能占用命令中的高位或低位。 MC14500不包含從程序存儲(chǔ)器中尋址要處理的命令的程序計(jì)數(shù)器。因此，MC14500設(shè)計(jì)的程序計(jì)數(shù)器位數(shù)可能不同。

程序內(nèi)存或命令的寬度是指令的4位加上IOaddress行數(shù)。小型MC14500設(shè)計(jì)將使用8位寬的程序存儲(chǔ)器，能夠選擇多達(dá)16個(gè)IO地址。由于這并不多，許多MC14500設(shè)計(jì)使用12位寬的程序存儲(chǔ)器，可以選擇多達(dá)256個(gè)IO地址。12位寬的程序存儲(chǔ)器使用過(guò)去存在的4位寬的ROM設(shè)備。其他MC14500設(shè)計(jì)使用8位寬的程序存儲(chǔ)器，但是每個(gè)MC14500命令有兩個(gè)字節(jié)被讀取，因此形成了一個(gè)16位寬的命令，能夠?qū)ぶ范噙_(dá)4096個(gè)IO地址線，用于物理IO、單位寬RAM和定時(shí)器硬件。在MC14500設(shè)計(jì)中，從程序存儲(chǔ)器中讀取兩次會(huì)產(chǎn)生另一種變化，從程序中讀取的第一個(gè)字節(jié)可能在一種設(shè)計(jì)中是低字節(jié)，但在另一種設(shè)計(jì)中是命令的高字節(jié)。

利用MC14500搭建的外圍系統(tǒng)：

MC14500模擬器

MC14500模擬器使用web技術(shù)和javascript來(lái)獨(dú)立于平臺(tái)，并且在將來(lái)也可以使用。這種實(shí)現(xiàn)的一個(gè)缺點(diǎn)是javascript模擬器不能訪問(wèn)用戶的文件系統(tǒng)或硬件。

模擬器在支持svg的瀏覽器上運(yùn)行。

按下“步進(jìn)”按鈕意味著下降的時(shí)鐘邊緣，因此MC14500加載指令和輸入數(shù)據(jù)。 釋放“步進(jìn)”按鈕意味著上升的時(shí)鐘邊緣，因此MC14500寫入數(shù)據(jù)。程序計(jì)數(shù)器增加。在程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間之后，下一條指令和IO地址出現(xiàn)在MC14500和輸出、輸入或RAM上。 詳細(xì)的介紹就不過(guò)多贅述，網(wǎng)上還有利用Python進(jìn)行匯編程序和反匯編程序的介紹。

FPGA實(shí)現(xiàn)

利用MC14500搭建的CPU 從上面的介紹可以看出MC14500和FPGA有很多相似的地方，接下來(lái)就用FPGA實(shí)現(xiàn)一下這款單比特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

原文標(biāo)題：你見(jiàn)過(guò)1-bit CPU嗎？

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