自制了一个简易的CPU，电路代码全开源

好汉勃士 2023-02-04 发布于广东

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自制了一个简易的8位CPU，由74LS系列和PLD器件组成。

采用哈佛架构，64K ROM + 64K RAM，外部总线为标准8080时序。

PS：本项目学习价值较高，且设计图+代码都是完全分享开源的哦。

CPU基本性能

速度：1Hz-2.048MHz，3T-5T单周期，大部分指令是5T，少部分3T（折合每秒钟40万次加法）
硬件中断：单级、255向量半中断，中断函数中不支持某些指令
外部总线：8080时序、64KB
指令长度（带立即数）：16
总线和ALU位宽：8
指针栈：4级16bit
ROM：64KB（或32KB）
RAM：64KB
显卡：无
键盘：无

结构框图

该架构参考了1972年由英特尔发布的8008 CPU，采用单内部总线，指令集基本参考8008，运算和逻辑指令类同，有4个flag寄存器。

由于原版的8008采用了CDIP-18封装，时序刁钻，因此本设计首先把外部总线的地址线和数据线分离，然后把16KB寻址范围扩大到64KB+64KB的哈佛结构，但程序执行时不支持跳转到RAM内执行。

设计图

电路设计图一共12张。

用嘉立创EDA专业版设计的PCB图

用嘉立创EDA专业版导出的3D图

实物图：通电测试中

由于文件格式原因，PCB设计文件无法上传，需要获得设计图的伙伴可在评论区滴滴，无偿分享的哈~

设计解说

本章节共7个部分，包含了：时钟振荡器和复位电路，算数运算，寄存器堆，PC程序计数器和指针栈，外部中断控制器，控制器，其他说明。

1.时钟振荡器和复位电路

时钟源部分采用了四种来源，分别是：

7556产生的1Hz低频
25Hz低频
手动按钮信号
8224产生2.048MHz高频时钟源，在硬件电路上做任意切换。

复位电路带有上电复位功能。由于指令中有HLT（停机），因此板上自带一个READY按钮方便调试。

2.算数运算部分（ALU）

ALU采用西格尼蒂克公司的N8260运算单元，拥有全加、与门、同或三种运算功能，在外加的74LS86异或门和74LS153 MUX的辅助下，拥有减法、异或、逻辑位移、比较等功能。

ALU设立单独的AB寄存器，与主寄存器堆上的AB寄存器没有任何联系。

有四个FLAG，分别是：CF SF ZF PF 。

当有加法进位或减法借位时，CF<=1；
当输出的数为0x00/00000000时，ZF<=1；
当输出的最高位/符号位为1时，SF<=1；
当输出的8个字节中有偶数个1时，PF<= 1。

3.寄存器堆

ABCDEFXY 8个通用无特殊功能寄存器

PC暂存器：两个寄存器但一个映射，通过阻塞串联实现两个8位写入16位操作，只输入口映射；

INDEX三个寄存器：指向外部RAM单元，指针计算公式：256*DPTRH + DPTRL + INDEX ；

P寄存器：内部RAM指针、内RAM映射、DPTRH、DPTRL；
AF寄存器：双向IO口映射和51单片机的IO口同地址映射类似；
外部RAM映射：读写操作同内部寄存器。

4.PC程序计数器和指针栈

可以实现0000-FFFF的寻址操作，每取得一个8bit程序指令，PC+1 。

在JMP指令执行时，PC寄存器中的高低8位数据压入PC，原16位进程舍弃。

在CAL中，将PC中高低8位压入PC，同时原PC中16位进程压入指针栈。

在RET指令中，将指针栈顶16bit数据压入PC，PC中原进程舍弃。

5.外部中断控制器

一个很不完善的中断机制，只能做一些简单的操作，没有寄存器状态恢复，没有PSW保存与恢复，很不推荐使用。

6.控制器

由4片GAL16V8/ATF16V8组成的控制器，结构简单。

7.说明

目前版本使用了很多停产40多年的器件，部分器件很难购买，请谨慎参考！

指令集

目前暂时没有汇编器，机器码结构如下所示，该指令集对手写汇编非常友好。

NOP 空跑HLT 停机HLTDMA （DMA可控停机）ADD/ADC/ADDI/ADCI （带/不带立即数的加/全加）SUB/SBC/SUBI/SBCI （带/不带立即数的 减法/带借位减法）NXR/NXRI 同或XOR 异或AND /ANDI 按位与CMP/CMPI 比较RR/RL 补0的右移/左移RRC/RLC 补进位的右移/左移JMP/JMC/JNC/JMZ.... （跳转/当CF= 1时跳转/当CF=0时跳转.... 其他flag类同）CAL/CLC/CNC/CLZ.... （子函数调用/当CF= 1时调用/当CF=0时调用.... 其他flag类同）RET/RTC/RNC/RTZ.... （子函数返回/当CF= 1时返回/当CF=0时返回.... 其他flag类同）

示例代码

实现在LCD1602上显示“HELLO WORLD！”，具体映射地址如下：

write cmd 0xff00write data 0xff02read cmd 0xff01read data 0xff03

LCD写命令的启动代码如下：

0x380x0c0x060x01

需要写入的数据和地址如下（地址--该地址写入的数据），每写一个数据前，都需要输入地址，写地址用写指令操作，写数据用写数据操作：

80--48  81--4582--4c83--4c84--4f85--2086--5787--4f88--5289--4c8a--448b--21（这些ASCII码合起来是“HELLO WORLD！”包括空格）下面是代码：   ****时钟频率1.33MHz（使用12MHz晶振）*****MOVI H 0xff          //   1C FFMOVI L 0x00         //   1C 00---------------------------------------MOVI A , 0x38         //   10 38MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x40         //   19 40CAL                          //   E1 FFMOVI A , 0x0c         //   10 0CMOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x40         //   19 40CAL                          //   E1 FFMOVI A , 0x06         //   10 0CMOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x40         //   19 40CAL                          //   E1 FFMOVI A , 0x01         //   10 01MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x40         //   19 40CAL                          //   E1 FF--------------------------------------------MOVI A 0x80           //   10 80MOVI B , 48             //   11 48MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 45             //   11 45MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 4c             //   11 4CMOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 4c             //   11 4CMOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 4f              //   11 4FMOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FF------------------------------------MOVI B , 00             //   11 00MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FF------------------------------------MOVI B , 57             //   11 57 MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 4f              //   11 4F MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 52             //   11 52MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 4c              //   11 4CMOVI PC 0x01          //   19 01MOVI PC 0x00          //   19 00CAL                           //   E1 FFMOVI B , 44             //   11 44MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FFMOVI B , 21             //   11 21MOVI PC 0x01         //   19 01MOVI PC 0x00         //   19 00CAL                          //   E1 FF--------------------------------------------------------HLT                          //   FFFF(.org 0x0100) 写数据子函数 MOVI PC 0x01          //   19 01MOVI PC 0x40          //   19 40CAL                           //   E1 FFMOVI IDX , 0x02       //   18 02MOV RAM , B           //   90 F1ADDI A , 0x01           //   20 01MOVI PC , 0x01        //   19 01MOVI PC , 0x20        //   19 20CAL                          //    E1 FFRET                          //    E2 FF(.org 0x0120) 写读忙+等忙子函数MOVI IDX 0x01         //   18 01MOV D , RAM          //    90 3FADDI D , 0x80          //    23 80JMPC                       //     E0 80RET                          //     E2 FF(.org 0x0140) 写命令子函数MOVI IDX 0x00       //    18 00MOV RAM , A         //    90 F0MOVI PC , 0x01      //    19 01MOVI PC , 0x20     //     19 20CAL                        //     E1 FFRET                        //     E2 FF