※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】
１．はじめに
4bitCPUを組んでみたので、それではと言うことで1bitCPUを組んでみました。（今回はブレッドボードで組みました）
これも次の参考図書に書かれていて（参考図書内p.181）、それを具現化した（CLK/RST信号のための回路とROMを付け加えました。ROMは総容量4bitです（笑））ぐらいの製作記です。
（以下の図書では「TD4」と呼ばれる4bitの自作CPUについて、詳しく解説している内容となっています）
筆者の同類のブログ記事です。
tanuki-bayashin.hatenablog.com
２．回路図
回路図を図２，３に示します。
2.1 そもそも1bitCPUって何
ほとんどの部分は、参考図書内のTD4がもとになっています。
とは言え1bitCPUとは何かについて簡単に触れたいと思います。
1bitCPUなのでデータの長さは1bitです。つまり２進数表示で１桁です。そしてアドレスも1bitです（アドレス空間を広げることもできますが、今回は1bitとします）。なのでアドレスの値は０と１の２値のみとなります。
またCPUであるからには命令がないと、意味を成しません。なので命令に当たるbit数を1bitとします。（図４参照）
少し整理すると、データは命令1bitとデータ1bitなので実は2bitになります。言葉がややこしいので言い換えると、命令のことをニモニック、またここでデータとよぼうとしているのはオペランドと計算機の世界では呼んでいます。（筆者もあまり詳しくないです。汗）
つまり、ニモニック（命令）が扱う具体的な数値などに当たるものであるオペランドの長さが1bitなので、今回作ろうとしているCPUを1bitCPUと呼ぼうとしている訳です。
先を見ていくともう少しわかってくると思います。
2.2 メイン部の回路
ではどのような命令を考えていけばいいのでしょうか。実は1bitのCPUでできることはあまりありません。（オイ！）
参考図書とそっくり同じになるのですが、メモリにあるデータを計算機の内部（レジスタなどと呼びます。ここではレジスタAとします）に取り込むMOV命令（英語の”move”から取ったもの。「ムーブ」と発音）、後はレジスタAの内容を反転させるNOＴ（そのまま「ノット」と発音します。なんの講座なんだか）ぐらいです。
反転とは値が０のときは１に、１のときは０とすることを言います。MOV以外の命令となるとこれくらいになってしまいます。でも計算しているし、コンピュータらしくなってきました（よね？）。
ということで命令をまとめると表１のようになります。
MOVを見て見るとIｍ（イミディエイト・データ、要はＤ０のこと）をレジスタＡに移動させる、と言うことを意味しています。
NOTの場合は、レジスタAの内容を反転させます。反転させるだけでは意味がないので、その結果をレジスタＡに上書きします。
こうしてみると、オペランドは２つ取ることもあり、D0のみではない場合がありました。しかし、オペランドを２つ取るような場合でも、２つのオペランドはどちらも1bitなので1bitCPUと呼ぼうと思います。
（かえって混乱しますね）
これらの動きをする回路を示すと図５のようになります。
ここでCLKとあるのはクロック信号です。ＣＰＵの動きを１ステップずつ動作させるためのものです。また/RSTとあるのはリセットです。ローすなわち０の値となると出力であるQの値が０となります。また、Dとあるのは入力で、１クロックごとにDの値がQに出力されます。/QとあるのはQの反転です。/Sはローのとき、出力を１とする端子ですが、ここでは使わないので5Vにつないでおきます（１としておきます）。またQのことを上で述べていたレジスタAと呼ぶことにします。
（決まりごとが多くてスミマセン。汗）
すると図５のとき、D1が０であるなら74HC04の出力が1となるので、上のAND回路が有効となりImの値（D0）がANDの出力に出てきます。それがORを通ってラッチ回路のDに入るので、1クロック後にはレジスタAに現れます。
逆にD1が１のときは下のAND回路が有効となり、するとANDにつながれた/Qの値がANDの出力からORを通りDへ行き、最終的にレジスタAへと値が代入されるという訳です。つまりQの値が、Qの反転された値に置き換わっています（NOT Aが実行されます）。
回路の変更
ここで現実的な問題が出てきます。図5の回路でもいいのですが、つかう論理ゲートの種類を変更します。（図６）
ここでANDの出力とORの入力にそれぞれNOTの回路を入れます。NOTが２個ずつなので、論理は元のままになります。論理回路では”〇”をつけてNOTを示すことがあります。すると２個のANDはNANDに置き換わりました。
またORでは、入力側にNOTが付いています。この形は実はNANDゲートと同じ働きになることが知られています（ド・モルガン律）。これにより２種類のゲートが１種類で済むようになりました。
好みにもよりますが使うICの数を減らしたいときにこのような置き換えをすることがあります。
こうして表１で示した通りに、命令のセットを実際の回路に落とし込仕込むことができました。この部分の回路は図２と同じです。
2.3 ROMの回路
ROMの回路を図７に示します（図７ 再掲）。まずアドレスA0の信号ですが、クロック信号からメイン部で見たラッチを通って出てきています。ラッチでは/Qの信号がDに入っています。こうすることにより、このラッチの出力はクロックの立ち上がりごとに０→１→０→‥と０と１を繰り返します。こうしてアドレスの０と１を切り替えています。
またこれにより、メイン部で命令が実行されるのとアドレスが切り替わるのが同じタイミングになっています。逆にこうしないと、アドレスの値が勝手に進んでしまい、命令がうまく実行されなくなります。（大事です）
またROMの中身はDIPスイッチで構成しています。4bitのスイッチを使っていますが、右2bitがアドレス０、左２bitがアドレス１のデータに当たります。アドレス０と１を切り替えているのはスイッチからつながるダイオードのアノード端子（ー）で、この値をを０とすることで有効となります。
アドレス１側は/Qの信号を使っていて、アドレス０とアドレス１が競合しないようにしています。
そしてDIPｓｗの上側を10KΩでプルアップしており、スイッチオンで０、オフで１となります。しかしこれだと都合が悪いので、NOT回路を付け、D1とD0の１と０の値をスイッチのオン・オフと連動させています。（オフのとき０、オンのとき１）
2.4 CLK、/RST信号
図８のCLKの回路は、Manualの場合は押しボタンｓｗを押すことで1クロック信号が発生します。Normalの場合は74HC14を使った発信回路により、VRの値に応じた周波数でクロック信号が発生します。
/ＲＳＴ信号の場合は、押しボタンｓｗを押すと出力がローとなり回路全体にリセットが働きます。スイッチをオン・オフするときにはチャタリングと言って、多くのノイズが発生するのですが、74HC14と言うゲートはシュミットトリガ―と呼ばれ、チャタリングの発生を吸収する働きがあります。また、スイッチのまわりの抵抗やコンデンサーによってもノイズは吸収されています。
また、/RSTの信号がローのときにLEDがONとなるように、/RSTの出力から見てLEDは74HC14の1段前に配置してあります。
（より詳しい説明は、１章の参考図書に譲ります）
３．動作のようす
さてこのCPUでできることは何があるでしょうか。
考えられるのは次の２つくらいです。
① Lチカ
アドレス 命令
0 MOV A Im
1 MOV A Im
Imにそれぞれ０，１をセットすることで、１ステップごとにレジスタAの値は０と１の値を繰り返します。
今回の回路ではアドレス１の次はアドレスは再び0へと戻るので、レジスタAの出力として０と１が交互に現れます。よってLチカが実現されるという訳です。
② Ｌチカ
アドレス 命令
0 ＮＯＴ Ａ
1 ＮＯＴ Ａ
起動した状態ではレジスタAの値は０です。なので、0行目でAは０から１へ、1行目では１から０へとレジスタAの値が変化します。
よってこちらの命令でもLチカが実現されました。
（ちなみにこちらのプログラムの場合、D0の値は0でも1でも関係ありません）
動作している様子を示します。（中央辺りの黄色いＬＥＤがレジスタＡを示しています）
youtu.be
他には①でどちらのＩｍにも０または１をセットすることも可能です。（プログラムとして意味があるかは別です）
しかし、これによってＣＰＵの最小単位が実現できました。大したことない感じですが、世界で初めて作った方はさぞかし感動したのではないかと思います。
４．まとめ
1bitCPUについて書き記しました。
CPUの1番基本となる動作かと思います。
足がかり的な意味合いで書いたといった感じです。
最後までお付き合い下さり、ありがとうございます。
