CPUの創り方

pre-Day 1

とりあえず本を読む

必要なもの

抵抗

1/4 Wで良い

コンデンサ

セラミックコンデンサ

応答速度は早いが容量が小さい

電解コンデンサ

応答速度は悪いが、容量が大きい

ダイオード

IC

正論理 Active-High

H=1, L=0

負論理 Active-Low

H=0. L=1

負論理の場合は、

出力に○をっつける

DIP(デュアル・インライン・パッケージ）

ICソケットが使える

Vcc

＋５V側に挿す

GND

0Vマイナス側に指す

パスコン

積層セラミックコンデンサ（0.1μF）ぐらい

リードタイプ

電源から遠すぎないように供給できるためのもの

電解コンデンサ

基盤に一つ

100μF程度のパスコン

電源パターン付きユニバーサル基盤

プルアップ

プラス電源側へ引っ張り上げる回路全般

チャタリング

On/Offがバウンドして複数回入力されてしまう

オペレーションコード

イミディエイトデータ

ニーモニック

プログラムカウンタ

現在実行している命令の番地

CPUにリセットをかける＝プログラムカウンタをリセットする

Dフリップフロップ

一つで1ビット記憶できる

pre-Day2

部品集め

https://gyazo.com/44a57c9326acca58374beb07fe981717

https://gyazo.com/610718b393e31a0eba88b597377d36e5

https://gyazo.com/4d98b70b2cf0cfa80f689e438d3986ba

pre-Day3

CPUの基本動作

プログラムカウンターに従って命令をメモリーから読み出す（命令フェッチ）

命令を解読（デコード）

デコード結果に従い実際の演算を行う（実行）

演算結果を格納（ストア）

Day1

NOT回路をトランジスタで作る(完成)

https://gyazo.com/6a80580e2880c92ba18c0386dde0213a

AND回路をトランジスタで作る（完成）

トランジスタ2個

https://gyazo.com/10208685ba88b8d995cef74ffe80ab41

OR回路をトランジスタで作る（完成）

トランジスタ2個

AND回路の入力を直列から並列に変えただけで行けた

https://gyazo.com/863399d0d1566681688733557b7fc1bd

Day 2

クロック回路・リセット回路

リセット回路を作る

https://gyazo.com/81dd9e1a8fd120353a9aeea96644e6f5

https://gyazo.com/3ad2f53e06d9099c1b402114240889a7

ダイオードを入れて応答を早くしたリセット回路

https://gyazo.com/b5f1a6a7729f40b157c6368c8f47d404

https://gyazo.com/12d629467701b99f9e0368737de69aa0

クロックジェネレータ

なんかうまく発振してくれない

電源とどう繋げばいいかがわからないところ

一旦おいておく

CHAPTER5 ROM

理解した。

ダイオードが死ぬほど大変そう

Chapter6 CPU

Chapter7 1ビットCPU

SRラッチ

https://gyazo.com/8ad6983a1006f08ad55f8b2be1bd398b

フリップフロップ

https://gyazo.com/940efb279f25ff7c81fb065c708cfa13

Day3

クロックジェネレータがちゃんと動いてない説があるので確認した

https://gyazo.com/5e3090a4c3438c2eb9d44fd64519a81f

D-フリップフロップとつなぎ合わせて確かに保存できることが確認できた。

試した。DIPスイッチも普通のスイッチと基本的には使い方は同じ

https://gyazo.com/cb173519c0ab31f07d42f3dcecda19e9

4つのスイッチの情報をABの入力で取り出せる

https://gyazo.com/16a1d7d0ff788a96b81ec1c686d53a91

https://gyazo.com/20def18b3341b1579c9fbc321cae2dd6

結局次の足し算をするのに、4bitに対応しておく必要があるので、対応した。

が、加算がうまく続いていかない感じ。

タイミングによって、変な値が入力されてしまっているのではなかろうか

https://gyazo.com/2947e63b0ed39b15cc20537651a95b11

Day4

回路を整理して、実際にユニバーサル基板に構築していくときのイメージを作っておく　　　　　　　　　

クロックジェネレータは必要なので先に作っておく。

クロックの出力は適当にジャンプワイヤで与えられるようにしておくのが良さそう

レジスタ

レジスタの回路は、ロードのボタンを付けて

クロック回路は全部つなげておいて

A−Dの入力と出力をテストしてそれぞれ正しくロードできることを確認するのが良さそう

セレクタ

74HC153の動作確認もかねて、一個のレジスタからの入力がA/BがLLの時に正しく出力されるかを確認する

セレクタのA／Bのインプットは手動で入れられるようにしておく

161のA/B/C/Dはそれぞれ全部つないじゃってOK

2個目のレジスタもつないで確認する

74HC153の各アウトプットを161のinputとして戻す

3個目のレジスタをOutput用に4このLED回路に接続する

INPUT部分を作る

インプットはC2につなぐので、セレクタのBがHでAがLになるようにした状態で、インプットしたものがレジスタに流れていく様になっているので、保持したいところのロードボタンを押す

各レジスタの中身を見たいときは、セレクタを適切に選択した後、レジスタ3にロードするようにする

ALUを導入して加算を試すのが良さそう

C0をLに固定して足し算を確かめる

Day5

ROMの方のプロト作成

いきなりLEDが爆発する事件が発生

8bitのインバータみたいなやつ

セレクタがついていて、4ビット16個を選択できる

74LS138にはG1とG2がある

G1がLになるとどんなときでもすべてHになる（つまり無効になる）

G2がHになるとどんなときでもすべてHになる

もともとABCDという４ビットでセレクタとしたいところなので、ABCはそのまま3ビットセレクタにつないで、DがHかLかで、２つの74LS138のどちらかを選択するようにしたい

1番目は、DがLの時、２番目はDがHの時に使うようにしたい

なので、

Dを1番目のレジスタのG2につなぐ（DがHのときは無効にする。Hのときに無効にしたい場合はG2に入れる）

Dを2番めのレジスタのG1につなぐ（DがLの時には2番目のレジスタは無効にする。Lの時に無効にする場合は、G1に入れる）

Day6

回路図考えてた。むずい・・・

後、ダイオードをアレイ型に改造するのにはんだごてデビューした。

後、μUSB電源のDip化もできた。

Day7 - 8

いよいよ本格的に基盤を組んでいくことに

まずは電源と7穴のピンソケットのみ

https://gyazo.com/7bea7cb4f1163949b5a8f5e1b2951f38

ユニバーサル基板だと配線が限られるので、事前にノートに下書きをして回路を考えてからと思っているが、一回作りはじめてみないと色々わからないので、クロックジェネレータとリセット回路から作っていくことにした。

表からパーツを挿すわけだけど、当然ハンダゴテをするときは裏返す必要があるので、表の回路と裏の回路どちらもないとこんがらがる事に気づいた。

なかなか難しい。裏の回路だけでいいかもしれない

ともあれ、パーツの位置を大枠決めたので、どんどん基盤にくっつけていく。

と思ったがクロックジェネレータがなかなか動かない。ショートしてるかどうかは、テスターで0Ωでピーとなるやつで確認して都度都度通電も確認して行くと良い。

エナメル線は、事前にハンダにくぐらせてメッキしておくとつけやすいということがわかった。

後、最初は、ガッツリ3穴ぐらいでエナメル線を貼り付けていたけど、一山でちょんとくっつく程度でもしっかり固定される事がわかったのと、そのほうがきれいに配線できるのでその方法でやっていった。

なかなかうまく動かなかったが、最後に1Hzと10Hzがきれいに動いてくれた

次の日になったが、手動クロックも完成して、ついでに、クロックが動いてることが確認できるLEDも基盤に配置した。

https://gyazo.com/9a635debfae5d1e0e7f7346d5f5bd78c

Day9

リセットボタンの作成

この辺は同じような感じでスムーズに行けた

Day10

まず最初に、レーンを間違えてICソケットを挿してしまう。

はんだ付けもしていたので、外すのに一苦労というか、つらすぎた。

ハンダ吸い取り線がとにかく吸ってくれない。

その後狭いながらもなんとか作業をすすめるも、なんと4つのICのQA/QB/QC/QDをつないでしまう事件が起きる・・

ほんとA/B/C/Dを繋がないといけなかった・・・・

泣きそう。多分3時間分ぐらいの作業が飛んだ・・・

まぁ・・ハンダゴテ技術がだんだん向上してきてる気もするので良しとする・・・・・・

ハローワールドが切るようになったタイミングでコンパイラを作り出すみたいなもんって言われたのは確かにそうかも知れないという気持ちになってきた。

完成するんだろうかこれは・・

Day11

全部で4つのICのABCDの接続をする作業

狭い回路の中で、ハンダゴテ作業に泣きそうになりながら、投げ出しそうになりながら完遂

コツとして発見したのは、先に先端を接続しておいて先端をハンダで仮止めしておいて、ブリッジのように接続するようにすると、A - A - Aと接続するときに2回接続しなくていいし、狭いところで作業も一回になるので良い感じ。先端も心なしガチっと止まってる気がする

https://gyazo.com/31cb8982c5bd2a32b62d87cd87cc9367

というわけで、全部の接続ができたので、テストということでLEDをQA/QB/QC/QDに接続してテスト

うまく動いている様子。LOADは最初ボタンで設置していたが、線だけ出して、外のブレッドボードでテストするようにした。

https://gyazo.com/c995fa5e2b77d6da4192c1101ac45486

Day12

ダイオードアレイを作る

16個必要

足を挿す隙間がないのでくっつけてスペースを作るため

https://gyazo.com/ccc575c5a865513efe76e3610b6fed68

Day13

A/Bのセレクタは外部にボタンを置いて、ABがLのときはレジスタ1AがHのときは、レジスタ2の中身が出力されることを確認した。

配線は、VCC/GNDの線に添わせて作っておくのが良いのでは？と思っているがどうか・・・？

https://gyazo.com/4fedbdd95f31c939e945f040b114dfaf

Day14 - 15

デコーダ周りの実装完了

回路設計結構大変だったが、うまく動いた

https://gyazo.com/c99a52efc4608da61647045f12eb25aa

流石に接続が多すぎるので、事前にICとその接続周りを紙に書いて整理して、後、ブレッドボード上でもテスト実装した。

https://gyazo.com/22a57067aa7a745e8178de7e46ec841f

配線だいぶうまくなった（最初：上、最新一番下）

https://gyazo.com/5dd88ae684c28d0c855b6415c6aceab4

138LS

ABCをそれぞれ接続すると微妙にもう片方から電流が染み出してる様子・・？

https://gyazo.com/93bf9d5e26131edfe0e7b68e66752bb6