DJS-08 电子计算机

此项目是一个DIY 简易8位CPU的工程。

 

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）

ROM：64KB（或32KB）

RAM：64KB

总线和ALU位宽：8

指令长度（带立即数）：16

指针栈：4级16bit

硬件中断：单级、255向量半中断（注：中断函数中不支持某些指令）

显卡：无

键盘：无

外部总线：8080时序、64KB

 

结构框图如下：

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。

 

该设计主要由以下几个部分：

    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，P寄存器（内部RAM指针）、内RAM映射、DPTRH、DPTRL、INDEX三个寄存器，指向外部RAM单元，指针计算公式：256*DPTRH + DPTRL + INDEX 、外部RAM映射（读写操作同内部寄存器）、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、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）

      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，详情略

 

指令集：

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）

 

目前暂时没有汇编器，机器码结构如PDF和上图所示，该指令集对手写汇编非常友好

 

注：

        1.目前项目还在进行中，并没有测试完所有的硬件功能和指令集。今后会继续完善该开源

        2.该项目虽然标注为标准版，但是画的PCB文件在专业版中（见附件的备份压缩包），因此请使用立创EDA专业版导入并打开，该文件是最后的成品PCB文件！！！

        3.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！

 

PCB预览图：

 

实物图：通电测试中

 

 

示例代码：

 

实现在LCD1602上显示“HELLO WORLD！”，具体映射地址如下
write cmd 0xff00
write data 0xff02
read cmd 0xff01
read data 0xff03

 

LCD写命令的启动代码如下：
0x38
0x0c
0x06
0x01

 

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--45
82--4c
83--4c
84--4f
85--20
86--57
87--4f
88--52
89--4c
8a--44
8b--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 FF
MOVI L 0x00         //   1C 00
---------------------------------------
MOVI A , 0x38         //   10 38
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x40         //   19 40
CAL                          //   E1 FF
MOVI A , 0x0c         //   10 0C
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x40         //   19 40
CAL                          //   E1 FF
MOVI A , 0x06         //   10 0C
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x40         //   19 40
CAL                          //   E1 FF
MOVI A , 0x01         //   10 01
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x40         //   19 40
CAL                          //   E1 FF
--------------------------------------------
MOVI A 0x80           //   10 80
MOVI B , 48             //   11 48
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 45             //   11 45
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 4c             //   11 4C
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 4c             //   11 4C
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 4f              //   11 4F
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
------------------------------------
MOVI B , 00             //   11 00
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
------------------------------------
MOVI B , 57             //   11 57 
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 4f              //   11 4F 
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 52             //   11 52
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 4c              //   11 4C
MOVI PC 0x01          //   19 01
MOVI PC 0x00          //   19 00
CAL                           //   E1 FF
MOVI B , 44             //   11 44
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
MOVI B , 21             //   11 21
MOVI PC 0x01         //   19 01
MOVI PC 0x00         //   19 00
CAL                          //   E1 FF
--------------------------------------------------------
HLT                          //   FFFF

(.org 0x0100) 写数据子函数 
MOVI PC 0x01          //   19 01
MOVI PC 0x40          //   19 40
CAL                           //   E1 FF
MOVI IDX , 0x02       //   18 02
MOV RAM , B           //   90 F1
ADDI A , 0x01           //   20 01
MOVI PC , 0x01        //   19 01
MOVI PC , 0x20        //   19 20
CAL                          //    E1 FF
RET                          //    E2 FF

(.org 0x0120) 写读忙+等忙子函数
MOVI IDX 0x01         //   18 01
MOV D , RAM          //    90 3F
ADDI D , 0x80          //    23 80
JMPC                       //     E0 80
RET                          //     E2 FF

(.org 0x0140) 写命令子函数
MOVI IDX 0x00       //    18 00
MOV RAM , A         //    90 F0
MOVI PC , 0x01      //    19 01
MOVI PC , 0x20     //     19 20
CAL                        //     E1 FF
RET                        //     E2 FF

 

 

2023年7月20日更新内容：上传了半成品编译器，使用C语言。不用再手敲机器码了，文件见附件：asm~DJS08.zip

 

未完待续...