250220-007_第9个项目_TD4CPU复刻

（2025-02-20 10:40:13此文档已被发布到数字花园博客网站中）
基于https://github.com/Eraser2333/TD4CPU项目，复刻而来。

做这个玩具的初衷是最近学Linux有一段时间学不下去了感觉太难了，为了换换心情，所以买了本自制CPU的书，看完之后对FPGA比较感兴趣，所以为了深入了解CPU的内部结构和原理，就动手复刻了一款比较简易的CPU。

硬件电路原理图：

TD4CPU是一款基于TTL逻辑门构建的极简4位教学用CPU，其硬件架构和电路原理图体现了早期计算机设计的核心逻辑。

其核心架构可分为以下模块：

时钟模块 采用RC振荡电路生成主时钟信号，支持两种运行模式：连续运行（约1Hz-10kHz）和单步调试。时钟信号通过74LS14双D触发器分频后驱动程序计数器（PC）和指令执行周期。

程序计数器（PC）由4位同步计数器74LS161实现，最大寻址16字节ROM空间。支持跳转指令（JMP/JNC）时通过74LS283加法器计算目标地址，并利用74LS157多路复用器切换PC输入源。

ROM存储单元 使用16组DIP拨码开关手动编程，每组对应4位操作码（Opcode）4位立即数。指令读取通过74LS154 4-16译码器选择当前PC指向的ROM位置，数据总线直接连接至寄存器组。

寄存器与ALU A/B寄存器：采用74LS161 4位锁存器，支持数据加载和输出使能控制。 ALU运算单元：核心为74LS283 4位全加器，通过译码电路选择操作行为。执行加法运算时自动更新进位标志（C Flag），由74LS74存储进位状态。输入/输出端口：通过74LS153数据选择器连接外部ROM，支持4位并行数据传输。

控制逻辑 指令解码器由74LS32和74HC10与非门构成，将4位操作码转换为寄存器加载、ALU使能等控制信号。典型指令周期包括：取指→解码→执行→PC更新，耗时2-4个时钟周期。

信号路径：

时钟信号 → PC计数器 → ROM地址选择 → 指令读取 → 控制信号生成 
			↓ 
寄存器/ALU数据流：A/B寄存器 ↔ 加法器 ↔ 进位标志 ↔ 输出端口

ps：复刻的时候没有仔细看文档，结果焊完电路板找不到安装孔，直接用热熔胶粘上亚克力板去的哈哈（

上电成功正常运行，逻辑完备、现代CPU程序执行三大特征：顺序执行、条件执行和循环(跳转)执行均已实现。

汇编语言测试程序：

00110000 MOV A,0000

01110000 MOV B,0000

10110000 OUT 0000

00111111 MOV A,1111

01111111 MOV B,1111

00000001 ADD A,0001

00010000 MOV A,B

01010001 ADD B,0001

01000000 MOV B,A

00100000 IN A

01100000 IN B

01110000 MOV B,0000

10010000 OUT B

01010001 ADD B,0001

11101100 JNC 1100

11110000 JMP 0000