4bit-CPU : TD4の解説

Tomomi Research Inc.
TD4 CPU Tutorial 01
2017/04/10
Seong-Hun Choe

CPUとは
2017/5/19
ビジコン 141-PF (1971)
Intel 4004

Intel 4004
1. 1971年発表
2. 4ビットマイクロプロセッサ
3. クロック周波数：500kHz~741kHz
4. pMOSプロセス
5. 3mm*4mmサイズ
6. 2300個のトランジスタ
7. 10umのプロセス採用
8. 12ビットのアドレス
9. ８ビットの命令
10. ４ビットのデータ
11. ４６種類の命令
12. 16個の４ビットレジスタ
2017/5/19
http://www.intel.com/Assets/PDF/General/4004_schematic.pdf

嶋正利
1. 1943年、静岡生まれ
2. 東北大学理学部化学第二学科 (電気屋ではない。）
3. 1967年、日本計算機販売㈱に入社。（後のビジコン）
4. 1970年、インテルに出向。（当時のインテルはビジコンのサ
プライヤー）
5. Intel4004の論理設計に携わる。
6. 1970年、リコーに転職、インテルと8008を開発
7. 1972年、インテルに転職、8080の開発、パターンに嶋家の家
紋が入っている。
8. Zilog社を設立に参加。Z80, Z8000の設計
2017/5/19
Intel 4004

嶋正利
2017/5/19
Intel8080
https://goo.gl/HuCAxU

CPU処理の流れ
2017/5/19
読み出し（Fetch)
解釈 (Decode)
実行 (Execute)
メモリCPU 命令の読み出し
Program Counterの出力
命令(機械語)
010111………1010
解釈
例）レジスタ１とレジス
タ2を加算してレジス
タ3に格納
実行する処理の確定
実際の処理を実行
0x0123 0x0456+ = 0x0579
レジスタ１レジスタ2 レジスタ3
次の命令へ
プログラム内蔵方式
John von Neumann

7400 シリーズ
1. 汎用ロジックIC
2. Transistor-transistor logic (TTL)
3. CPUの創り方では、74HCシリーズを利用
HCとは、High-speed CMOSとの意味。
4. 下の番号で識別
(a) 74HC10 : 3回路3入力NANDゲート
(b) 74HC153 : 2回路4-1データセレクタ
(c) 74HC283 : 4ビットバイナリ全加算器
5. Eagleに7400シリーズのライブラリー搭載
2017/5/19
TI社のSN7400 ：すべてはここから。
４つのNANDが入っている。

TD4の仕様
1. CPU : 4 bit RISC
2. 記憶容量 : 16-byte Machinal ROM = DIP S/W
3. 動作周波数： 1 Hz or 10 Hz
4. 入力： 4 bits
5. 出力 : 4 bits (LED)
2017/5/19

0. リセットスイッチとクロックジェネレーター

0-1. リセットスイッチ
2017/5/19
CRフィルター
Low pass filter
チャタリング防止
メカニカルスイッチであるだめ、
接点で実際に激しくバウンド
する。→チャタリング
シュミットトリガ・インバータ
HとLがズバッと切り替わる
RESET : Hでリセット
RESET : Lでリセット

0-2. クロックジェネレーター（インバータを使った発振回路)
2017/5/19
L H L
周波数 = 1 / (3*C*R)
(この回路)
Ex) R = 33 kOhm
C = 10 uF
Freq = 1 /(3* 33e3 * 10e-6)
= 1.01 [Hz]

0-2. クロックジェネレーター
2017/5/19
周波数 = 1 / (3*C*R)
(この回路)
Ex) R = 33 kOhm
C = 10 uF
Freq = 1 /(3* 33e3 * 10e-6)
= 1.01 [Hz]
Ex) R = 3.3 kOhm
C = 10 uF
Freq = 1 /(3* 3.3e3 * 10e-6)
= 10.01 [Hz]

ROM （TD4ではプログラムを格納する場所)
1. DIPスイッチを利用
2. 8ビットの情報を記憶できる立派なデバイス
2017/5/19
https://www.marutsu.co.jp/pc/i/37980/

ROMからプログラムを読み出す
1. CPUがROMに対し「n番地のデータをくれ」
2. 指定された番地のデータをCPUに送り返す。
2017/5/19
プロブラムは、全部１６番地（0~15)
16 = 2^4
だから4ビbit
データは8bit
128bit = 8 bitデータ * 16番地
= 1byte * 16
= 16 byte

1ビットのROM
2017/5/19
スイッチの状態で情報を記憶。 SW OFFの状態
出力 5V : ビット 1
出力 0V : ビット 0

ビットが多い時の問題点
2017/5/19
1次元配列： 9bit 1次元配列： 55 bits
あまりスマートではない。

ビットが多い時の問題点 : マトリックス配列
2017/5/19
2次元配列：
64 bits = 8 bits * 8 bits

ダイオードの役割 (1)
2017/5/19
1
0
期待の状態
ダイオードがない場合
実際の状態
1
0 1

ダイオードの役割 (2)
2017/5/19
ダイオードがある場合
1
0

NOTゲート追加 (74HC04)
2017/5/19
SW OFF
1.
5V (High)
2.
0V (Low)
SW 状態 OUT Logic
OFF Low
ON High
74HC04 -> 74HC540

TD4のROM回路
2017/5/19
128bit = 8 bitデータ * 16番地
= 1byte * 16
= 16 byte

ROMの動作
2017/5/19
① 番地の選択
74HC154
4-to-16 line decoder
② 0番地 8bitの情報
④ CPU
に返す。
③
74HC540
inverterL
H
H
H
H
H

ROM回路の特徴
2017/5/19
5V 5V 5V 5V
5V
http://eijian.hatenablog.com/entry/2016/01/24/200135
out
In SW OUT Comment
L OFF H SWの状態とOUTのロジック出力
H/Lが連動L ON L
H OFF H
SWの状態に関係なく,OUTがH
H ON H

ROMの動作
2017/5/19
① 番地の選択
74HC154
② 0番地 8bitの情報
④ CPU
に返す。
③
74HC540
inverterL
H
H
H
H
H
従って、74HC154の出力
にNOTが付いている。

74HC154が入手困難
74HC154 → 74HC138を2個並べる
2017/5/19
74HC154
74HC138
3-to-8 line decoder
http://www.geocities.jp/team_zero_three/TD4/#replacing_74hc154
http://www.ypapaengpc.com/4bitcpu/public_html/74hc138.html

D9-1C の代用品
2017/5/19
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06191/

6. CPUの設計準備

TD4の命令語
■ 命令フォーマット
4bit CPUだけど命令語は8bit
2017/5/19
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
MSB* LSB**
* Most Significant Bit (MSB) 最上位ビット（左端ビット）
** Least Significant Bit (LSB) 最下位ビット（右端ビット）
上位4bit
Operation Code
下位4bit
Immediate Data （Im）
***
*** Immediate Data : 即値データ
即値とは、アセンブリ言語や機械語で、命令が扱う対象となるデータ(オペランド)として
コード中に直に書き込まれた数値のこと。メモリやレジスタなどから読み出した値では
なく、コード中で命令語の直後に置かれている値であることからこのように呼ばれる。

命令一覧
2017/5/19
No 分類命令数式意味 Operation Code
1
算術（加算)命令
ADD A, Im A ← A+ Im AレジスタにImを加算 0000
2 ADD B, Im B ← B + Im BレジスタにImを加算 0101
3
データ転送命令
MOV A, Im A ← Im AレジスタにImを入れる 0011
4 MOV B, Im B ← Im BレジスタにImを入れる 0111
5
レジスト間の転送
MOV A, B A ← B AレジスタにBレジスタ値を入れる 0001
6 MOV B, A B ← A BレジスタにAレジスタ値を入れる 0100
7 ジャンプ命令 JMP Im 絶対アドレスへのジャンプ 1111
8 条件分岐 JNC Im
Cプラグがセットされていないときジャ
ンプ（必ず加算命令の後に実行）
1110
9
データの入力
IN A 入力ポートからAレジストへ 0010
10 IN B 入力ポートからBレジストへ 0110
11 データの出力 OUT B Bレジストの値を出力ポートへ 1001
Immediate Data （Im）

例） Aレジスタに0001を書き込みたい
2017/5/19
0001
MOV A, 0001 0011 0001

7. 1bit CPU

FlipFlop (フリップ・フロップ）
■ フリップフロップ： 1ビットの情報を一時的に”0”または”1”の状態として保持（記憶）することができる論理回路。
2017/5/19
No 種類
1 ラッチ回路 SRラッチ回路
2 RS型
3 JK型
4 D型
D入力の値をクロックに同期
して読み込み、次のクロック
が加わるまでの期間中その
値を保持、記憶する回路
5 T型

フリップフロップ = 1bit メモリ
2017/5/19
8 bit メモリ
TD4 CPU
Aレジスタ(4bit) + Bレジスタ(4bit)

74HC74 （フリップフロップの石、TD4には使わない)
2017/5/19
Dual D-FlipFlops with Preset and Clear

データの保持
2017/5/19
自分の出力をキャプチャするだけ。

データの書き込み(ロード)
2017/5/19
書き込み(ロード)と記憶保持を切り替えるスイッチを設置

データの保持命令 → 実は転送命令
2017/5/19
MOV A, A
AレジスタからAレジスタ
■ 1bitのレジスタがあると考える。
1bit レジスタA
データの保持
1bit レジスタA同じ
■ 要はCPUの命令とは、くるくる回る転送命令そのもの

NOT演算の追加
2017/5/19
MOV A, A
AレジスタからAレジスタ
1bit レジスタA
NOT A
Aレジスタの内容を論理反転
1bit レジスタA
■ 要はCPUの命令とは、転送命令を繰り返すだけのロジック

また切り替えスイッチ
2017/5/19
MOV A, A
NOT A
の命令が実行できる。
1bit レジスタA

実際のスイッチ
2017/5/19
電気式トグルスイッチ機械式トグルスイッチ

74HC153 : 万能スイッチ、データセレクタ
Dual 4-Input Multiplexers
2017/5/19
Input Output

レジスタの拡張
1bitレジスタ → 2bitレジスタ
2017/5/19
MOV A, B

レジスタの拡張
1bitレジスタ → 2bitレジスタ
2017/5/19
MOV B, A データの保持

ここで万能切り替えスイッチ（データセレクタ)
2017/5/19
MOV A, B

TD4では４つのレジスタ
2017/5/19
各レジスタに万能スイッチ付

1bit レジスタ*4の動作
2017/5/19
データの保持 MOV A, D
B,C,Dはデータ保持

74HC161 (4bit-counter)
■ ４つのFlipflopとその入力にデータセレクタ付
2017/5/19
http://toshiba.semicon-storage.com/jp/product/logic/cmos-
logic/detail.TC74HC161AP.html
レジスタ（4ビット)の内部
4ビット

実際の回路
2017/5/19
74HC161*4
Flipflop (4bit)
入力にLoad,保持スイッチ付
74HC153*2
データセレクタ

実際の回路 (Bus分解)
2017/5/19
74HC153*2
データセレクタ
74HC161*4
Flipflop (4bit)
入力にLoad,保持スイッチ付

8. ALUとProgramming Counter

２進数1bitの加算回路 (Adder)
入力出力
A B C(キャリー) S(Sum)
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 0 1
1 1 1 0
2017/5/19
Half Adder
半加算器
（Cキャリーの入力がないため）

２進数1bitの加算回路 (Adder)
2017/5/19
入力出力
C in(キャ
リー入力)
A B
C(キャ
リー)
S(Sum)
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 1 0
1 1 0 1 0
1 1 1 1 1
Full Adder
全加算器
（Cキャリーの入力が有）

4bitの全加算器
2017/5/19
74HC283
入手困難になってし
まった。
SN74283ならmouserに
ある。
https://goo.gl/p3lyme

演算回路を追加する。
2017/5/19

CPUの動作： MOV A, B (BレジスタからAレジスタへ転送)
2017/5/19
ImData 0000にする。

CPUの動作： MOV A, Im (ImデータをAレジスタにコピー)
2017/5/19
Dレジスタを切断して0000に固定する。

フラグ(Flag)
演算の結果、C(キャリー)が発生した場合、それをメモしておく。キャリーフラグ(Carry Flag)
キャリーが発生する → 条件分岐しない。
キャリーが発生しない → 条件分岐する。（ JNC Im)
2017/5/19
Full AdderのC4 ： Carry Output

Program Counter
インテルでは、Instruction Pointer （こっちがわかりやすい)
2017/5/19
1. リセット信号より、ゼロにリセットされる。
2. １クロックの立ち上がりごとに+1される。

Program Counter on TD4
カウンタICを流用 -> 4bitレジスタで使用済み
ただし、ENT, ENPの両方をHに固定する。カウンタ機能復活。
2017/5/19
74HC161 (4bit-counter)

Program Counter on TD4
DレジスタをProgram Counterとして使用。
2017/5/19

Jump 命令
2017/5/19
JMP Im ： Im番地へジャンプ
MOV PC, Im ：
Imをプログラムカウンターへ転送

条件分岐命令
キャリーが発生する → 条件分岐しない。
キャリーが発生しない → 条件分岐する。（ JNC Im)
2017/5/19

I/O ポート
出力ポート
また、74HC161
Cレジスタの出力を切断してLEDへ
2017/5/19

I/O ポート
入力ポート
DIPスイッチ
ところで、何に使う？
2017/5/19

9. 命令デコーダー

命令デコーダー
2017/5/19
万能スイッチ制御
レジスタA~Dのデータ
保持 or LOAD制御

MOV A, Im
2017/5/19
Input
Operation code 0011
C Flag before Don’t Care
C Flag after 0
Output
Select B H
Select A H
LOAD0 L
LOAD1 H
LOAD2 H
LOAD3 H

MOV B, Im
2017/5/19
Input
Operation code 0111
C Flag after 0
Output
Select B H
Select A H
LOAD0 H
LOAD1 L
LOAD2 H
LOAD3 H

MOV A, B
2017/5/19
Input
Operation code 0001
C Flag after 0
Output
Select B L
Select A H
LOAD0 L
LOAD1 H
LOAD2 H
LOAD3 H

MOV B, A
2017/5/19
Input
Operation code 0100
C Flag after 0
Output
Select B L
Select A L
LOAD0 H
LOAD1 L
LOAD2 H
LOAD3 H

ADD A, Im
2017/5/19
Input
Operation code 000
C Flag after 1
Output
Select B L
Select A L
LOAD0 L
LOAD1 H
LOAD2 H
LOAD3 H

命令一覧
2017/5/19

命令デコーダー回路
2017/5/19

10. 全体回路

Tomomi Research Inc. 2017/5/19

部品リスト 74シリーズ
2017/5/19
名前名称 TD4の機能 Number 在庫
74HC10 3-入力NAND回路命令デコーダー 1 https://goo.gl/QClkoC
74HC14 シュミットインバーター回路クロックとリセット回路 1 https://goo.gl/p699vI
74HC32 4-OR回路命令デコーダー 1 https://goo.gl/Ah9VgJ
74HC74 Flip Flops Dual w/Clear Preset キャリーフラグ 1 https://goo.gl/sK7SJd
74HC153 Dual 4 input multiplexers 万能スイッチ 2 https://goo.gl/IYSPVz
74HC154
4-to-16 line decoder ROMのプログラム番
地を指定
1 在庫なし
74HC138
4-to-16 line decoder ROMのプログラム番
地を指定
2
74HC154の代用
https://goo.gl/16l8aq
74HC161 4 bit counter 4 Bit レジスタ 4
カウンター機能を殺し、メモリとし
て利用
https://goo.gl/3ah8jk
74HC283 Logic Adder & Subtractor ALU 1 https://goo.gl/aQPyZM
74HC540 Inverter
ROMの出力を反転し
てCPUに渡す
1 https://goo.gl/F7JS36

他の部品
2017/5/19
名前名称 TD4の機能 Number 在庫
D9-IC ダイオードアレイ ROM回路 16
http://www.ebay.com/itm/10-Stuck-Diodematrix-
D9-1C-von-BI-technologies-8-Dioden-pin-1-in-
Common-Anode-
/332176769823?hash=item4d5747431f:g:4rgAAO
Sww3tY57Wr
ダイオード ROM回路 16*9 D9-1Cの代用
ICソケット 14pin 4 https://goo.gl/7ucl6D
16pin 7 https://goo.gl/nne525
20pin 1
24pin 1 https://goo.gl/IPswYc
13
スイッチ関連
4連ディップスイッチ 1
http://www.marutsu.co.jp/pc/i/3
069/
8連ディップスイッチ 16
http://www.marutsu.co.jp/pc/i/3
7980/
トグル 2
http://jp.rs-
online.com/web/p/toggle-
switches/0320916/

EAGLEの教訓
参考資料
https://docs.google.com/spreadsheets/d/136TmdKuCZnGkz1oDch9LOxuD0-tcbQ_CFf33a65JZh4/edit#gid=0
1. Netclassesの設定は、SchematicではなくBoardで
2. 配線の取り消し、 RIPUP
3. Layer 19 Unroutedは消したほうがいい。
4. Gridの設定 (50mil便利！）
2017/5/19

EAGLEの教訓
1. Gridの設定。枠を書く時には Size 0.5mm
2. TTLの隠れピンを出すときはInvoke命令
3. もののvalue, nameを移動させる時には、smash命令
4. Tvalueレイヤは基本的に印刷できない。その時にはCam processorでSilkTopでtvalueをONにする。
5. 必ずSeeedのGerber Viewerで確認すること。
6. Ratsnest(GNDベタ面)を見えなくする方法はない。Polygonを消すしかない。
7. Autoroutingの時は、Ratsnestを消したほうがいい。
2017/5/19

CPU, Clock, Reset
2017/5/19

ROM
2017/5/19

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