【自作CPU】TD4を作ってみた（プリント基板ver.）

※なにか気になる点がありましたらコメント欄にご記入ください。また、工作や回路を製作する場合には、細かい作業などに対して、細心の注意を払われるようお願いいたします。

【目次】

知る人ぞ知る4bit自作CPUであるTD4をプリント基板上に実装しました。（写真１）

筆者が参考とした本はこちらです。（読みごたえがありました）

この回路に関しては１月にブレッドボードを使用して自作しています。（１部部品を代替品に置き替えています）

ブレッドボードで試作（？）したものを今度はプリント基板で組み、製作してみました。

全体の構成として、回路図にもあるとおり、５つほどの部分に分けて構成しました。

全般的に気を付けたこととして、多くの信号をＬＥＤで表示しました。

他は抵抗やダイオードなどはまとめられるものは集合アレイなどを使いました。回路がすっきりしてはんだ付け作業もある程度楽になったかと思います。

１つ工夫した点としては、入力と出力及び電源５VとGNDの信号線を、2×５のピンヘッダにて外部と接続できるようにしました。ちょっと便利かもしれません。
（CLK信号とRST信号も取り出してもよかったのではないかと、後になって気づきました）

付け加えると、後の方になるほど配線がうまく取れなくなり、ビアを開けて表へ行ったり裏を回ったり美しくない様相を呈してしまいました。
4層にするともうちょっと楽に配線できたのかもしれないです。（その分高くなるのでしょうが）

電池（18650という代物を２本使用。リチウムイオン電池なので充電可能。専用の充電器が必要ですが）と電源用ＩＣを用いて5Vを作る回路と、ＵＳＢ端子（TypeC）から５Ｖを取る回路の２電源（どちらかを選択）としました。

しかし、USBの方は設計ミスで端子の取り付ける向きを間違えてしまい、USBのコードを接続できませんでした。（笑）修正版を作らないといけないです（泣き）
実際に作らないと遭遇しない出来事ってあるものです。

また電源の消費電流を調べてみたところ、高々100ｍAも流れなかったです。なので電源用ICにはヒートシンクは取り付ける必要はないようです。
自分はICをはんだ付けする際、脚の長さを間違えてしまいヒートシンクを取り付けると斜めになってしまいました。まあ取り付けなければいいだけの話ですが。。

74HC14を用いて全体のクロックとリセット信号を発生する部分です。
回路としては１月の記事にあるとおりですが、手動と自動および自動のときのクロック周波数を切り替えるスイッチをトグルｓｗにするつもりだったのですが、スイッチの脚の径を間違えてしまい、基板に刺さらない始末となってしまいました。

仕方なく脚の細いスライドｓｗで補いました。察しのいい方はお気づきでしょうが、トグルとスライドではスイッチのオンとオフになるスイッチの位置が逆になります。（多くの場合）
その結果、スイッチの機能とシルクの表示が逆になってしまいました。

こんなのの連続です。

基板の面積をなるべく小さくしたいという思いがあり、検討した結果、ROMはディップｓｗを４×4に配列しました。配線の間隔をきれいにするために、寸法の単位を0.125ｍｍぐらいにしたと思います。

また、ディップｓｗの左上にLEDを配置しました。どのディップswが選択されているかがLEDの表示ですぐ分かるという仕組みです。
Youtubeでほかの方のTD４の基板を見つけ、その方のお知恵を拝借しました。（パクリです。恥）

はじめはよく分からないままＰｙｔｈｏｎを使って配線していましたが、ビアを開けるときに「もうめんどい」となって、マウスを使って配線していきました。
そしたら、インチを単位として配線すると自然と等間隔にきれいな感じで配線出来ました。

ＲＯＭに付随するＩＣとして、出力用のバッファ74HC04とラインデコーダである74HC138、それとPC（プログラムカウンタ）のための74HC161があります。74HC161はメイン部の加算器の出力が必要なことから、そのラインの近くに置きました。

74HC138×2は74HC154を上位と下位に分けたものですが、上位8バイト分と下位8バイト分の2つに分けて配置しました。（左右に分かれています）

また74HC04もデータ１バイトを上位4bitと下位4bitに分け、それぞれ別のICを使用しました。それぞれ４回路ずつ使っています。（下位4bitのほうのICでは、デコーダ部でNOT回路１ゲート分を使っています）

やはりこちらもROMのスイッチの右と左に分けて配置しています。上位と下位に分けることで、配線がしやすくなったように感じました。

残りのメイン部です。

この部分は回路図のＩＣのレイアウトとだいたい一致しています。ＰＣ用の74HC161以外は基板中央の下部（Aレジスタ、Bレジスタ、出力および入力）、その上がセレクタ（A、B）用の74HC153×2、その上にALUである全加算器74HC283となっています。

上部にはそれ以外にラッチである74HC74、デコーダ部を構成する74HC00と74HC32からなります。

また説明が前後しますが、全加算器の出力であるS0～3のラインは上部から下部に渡ってバスを構成しました。

またアドレスバスとデータバスを基板中央に配置しました。
なにを置いても、やはりこの２つは初めの方で配置を決めておくと配線が楽になりました。
それに気づくまで2回ほど配線のやり直しをしました。まあ初めの方だったのでまだましだったかと思います。

注意すべき点として、

LEDなど部品の極性～スルーホールなので、間違えると外しにくいです
ディップｓｗやＩＣソケットは奥までしっかり止める（見た目の問題でしょうか？）
ＩＣソケットではんだ付けが甘いピンがあると、ＩＣを抜くときにピンごと抜けてしまう　　　～はんだ付けのやり直しが極めて難しいです（自分基準ですが）。筆者は電源ピンで一か所やってしまい、仕方なくバイパスコンデンサの脚から、電線を用いて延長してつなげました。（５Vのピンだったので運が良かった方だと思います）
シルク印刷は抵抗値やＩＣの型番、極性などまで記述しておくと作業しやすい

と言ったところでしょうか。場合によっては基板一枚がおジャンとなりかねないミスもあるので結構怖いです。

あとは筆者の苦手な分野ですが、お絵かき基板というんですかね、お楽しみ要素もあるといいんじゃないかなと思いました。
こんな感じです。

（文章がひたすら長く続いてしまいました。汗）