CPUよもやま話（マルチプレクサで転送先と転送元を切り替える）

前回までの記事に登場したモノをすべて繋いでＣＰＵの形にしていきたいと思います。しかし「レジスタとクロック」の回でも書いたように、ただ単純に繋ぐだけでは回路が固定であり、処理内容が永遠に同じものになってしまいます。命令によって回路を切り替えできるようにしなければダメです。
ということで、マルチプレクサにご登場いただきましょう。

マルチプレクサの動作を見てみる

マルチプレクサとはふたつ以上の入力をひとつの信号として出力するためのモノです。文章で説明するよりも、下の図を見てもらったほうが手っ取り早いです。

２チャンネルマルチプレクサ

４チャンネルマルチプレクサ

このように、選択信号の組み合わせによって回路を切り替えることができるのがマルチプレクサです。選択信号＝命令です。鉄道の線路がダイヤによって切り替わり、車両の進路を変更するようなもんです（たぶん）
上の図はあくまで概念図です。実際は複数の論理ゲートで構成されています。選択信号のビット数が増えれば、扱えるチャンネルが８、１６、･･････というふうに増えます。

転送先を切り替える（レジスタの自己保持・外部データ読み込みを切り替える）

下は、２チャンネルマルチプレクサを使ってレジスタの自己保持・外部データ読み込みを切り替えできるようにしたものです。（MUXはマルチプレクサの略）

~Loadが１なら、クロックの立ち上がりでOutputの値を自己保持
~Loadが０なら、クロックの立ち上がりでDataの値を読み込む

つまり、転送元となる何処かからのデータをレジスタに転送するのなら、該当レジスタの~Loadに０を与え、何もしないのなら~Loadに１を与えます。

転送元を切り替える（ALUの入力を切り替える）

次に、ALUの入力を４チャンネルマルチプレクサ２個で切り替えできるようにします。

例えば、図のマルチプレクサに下の選択信号を与えると、レジスタＡとレジスタＢの値を加算することができます。
SelectAに０
SelectBに０
SelectCに１
SelectDに０

ALUの出力は各レジスタのDataへ戻すので、このマルチプレクサ２個で実質、転送元の切り替えをしていることになります。（ちなみに４チャンネル目は不使用。GND〔接地記号のアレ〕と、即値をどう使うかは後で説明します）

４ビットＣＰＵの形になるように繋いでみる

ここまでを踏まえ、前回までの記事に登場したモノ。つまり、加算器・メモリ・レジスタ・クロック・Ｃフラグ・プログラムカウンタをマルチプレクサで切り替えできるように繋いでいきます。

※４ビット／配線（ただし、制御信号とフラグは １ビット／配線）
※２チャンネルマルチプレクサはレジスタの中に隠した

書籍「ＣＰＵの創りかた」を参考にしたので、著者に敬意を表し、この回路をLTD4(Logisimで創ったとりあえず動作する4ビットCPU)と名付けます！（←あまり重要ではない）
処理の内容によって、信号の与え方とデータの流れがどうなるのか、次にまとめてみました。

MOV A,B　を行う場合

説明：レジスタＢの値をレジスタＡに転送する。
ポイント：レジスタの値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方は即値（００００）となるようにする。

MOV B,A　を行う場合

説明：レジスタＡの値をレジスタＢに転送する。
ポイント：レジスタの値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方は即値（００００）となるようにする。

MOV A,即値　を行う場合

説明：即値をレジスタＡに転送する。
ポイント：即値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方はＧＮＤ（つまり００００）となるようにする。

MOV B,即値　を行う場合

説明：即値をレジスタＢに転送する。
ポイント：即値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方はＧＮＤ（つまり００００）となるようにする。

ADD A,B　を行う場合

説明：レジスタＡの値とレジスタＢの値を加算して、レジスタＡに転送する。
ポイント：即値は使わないので００００にしておく。

ADD B,A　を行う場合

説明：レジスタＡの値とレジスタＢの値を加算して、レジスタＢに転送する。
ポイント：即値は使わないので００００にしておく。

ADD A,即値　を行う場合

説明：レジスタＡの値と即値を加算して、レジスタＡに転送する。
ポイント：即値は任意の値にしておく。

ADD B,即値　を行う場合

説明：レジスタＢの値と即値を加算して、レジスタＢに転送する。
ポイント：即値は任意の値にしておく。

JMP 即値　を行う場合

説明：Ｃフラグとは無関係に即値をプログラムカウンタに転送する。
ポイント：即値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方はＧＮＤ（つまり００００）となるようにする。

JC 即値　を行う場合

説明：Ｃフラグが１の時のみ即値をプログラムカウンタに転送する。
ポイント：即値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方はＧＮＤ（つまり００００）となるようにする。

JNC 即値　を行う場合

説明：Ｃフラグが０の時のみ即値をプログラムカウンタに転送する。
ポイント：即値は必ずＡＬＵを通過するので、もう片方はＧＮＤ（つまり００００）となるようにする。

プログラムからマルチプレクサを切り替えできるようにしたい

とりあえず、各処理とフラグの状態とマルチプレクサに与える信号を一覧にしたものがこちら。

さあ、ここまでくれば、あとはメモリから取り出したプログラム（８ビット）から上位４ビットを使ってマルチプレクサを切り替えできるようにすればいいだけです。Ｃフラグも使わないとね。

あれ？マルチプレクサへの信号は７つ必要なのにオペコードは４ビットしかない･･････どうすんのコレ？(＠_＠;)
ということで次回に続きます。