古老CPU启示录-MC14500 1位CPU

金色传说

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：

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

Blah

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

ESCAPE

释放“步进”按钮意味着上升的时钟边缘，因此MC14500写入数据

wozuishuai