TD4 4-bit DIY CPU 完全指南：从硬件搭建到汇编编程

背景

在计算机体系结构的学习与极客文化中，动手构建处理器是理解底层原理的最佳途径之一。近期，Hacker News 社区分享了一篇关于 TD4 这款 4 位 DIY CPU 套件的使用指南。作者从 Aliexpress（阿里巴巴旗下跨境电商平台）购买了一款名为 TD4 的微型 CPU 套件，并对其搭建过程、工作原理及编程实践进行了详细记录。

TD4 是一款极其精简的处理器，仅包含 2 个寄存器、若干 LED 指示灯以及 16 字节的程序 ROM（只读存储器）。尽管其功能受限，无法运行复杂软件，但它完美地展示了计算机架构的核心原则。然而，官方提供的文档、原理图和照片较为稀疏，对于初学者而言可能略显晦涩。为了弥补这一不足，作者撰写了这篇深度解读，旨在帮助爱好者更顺畅地掌握这款硬件。

核心内容

1. 硬件搭建与焊接经验

搭建 TD4 主要涉及焊接工作，作者建议分两次会话完成，并分享了以下关键注意事项：

• 元件方向性：表面贴装二极管的方向曾让作者感到困惑。通过万用表的二极管测试功能确认，二极管正面的绿色短线应朝向电路板底部。
• USB 接口焊接：这是最棘手的部分。建议在进行其他 IC 插座安装之前先焊接 USB 接口，以免烙铁操作空间受限。USB 接口仅用于供电，中间引脚未连接，必要时可直接忽略或剪断。
• IC 安装：通过对照原理图中的部件编号（Part Number）和 IC 编号来确认芯片位置。芯片上的缺口应与 PCB 板上的标记对齐。作者表示，除了 USB 接口出现间歇性接触不良外，芯片安装一次性成功。

2. 工作原理深度解析

TD4 的核心逻辑由以下几个模块组成，程序通过 16 个 DIP 开关（即程序 ROM）进行硬编码输入：

• 程序 ROM 与指令集：

  • 程序由 16 个 DIP 开关组成，每个开关代表一条指令。
  • 操作码（Opcode）：每个 DIP 开关的第 5-8 位决定指令类型，支持 ADD（加）、MOV（移动）、IN（输入）、OUT（输出）、JNC（无进位跳转）、JMP（跳转）。
  • 立即数（Immediate Value）：第 1-4 位为立即数值，始终传入加法器。
  • 位序说明：DIP 开关的位序容易混淆。最低有效位对应开关上标记为“低”的一端。例如，数值 3 在开关上应设置为 1100。

• 地址解码器（Address Decoder）：

  • 芯片 IC11 是一个解复用器，接收 4 位信号并驱动对应的 16 个输出之一为低电平。
  • 当输出为低电平时，若 DIP 开关闭合，电流可通过二极管；否则，上拉电阻（R21-R26）保持信号为高电平。
  • 芯片 IC12 充当 ROM 结果的缓冲反相器。

• 命令解码器（Command Decoder）：

  • 芯片 IC8 和 IC10 中的离散组合逻辑芯片将命令位转换为控制信号，如 not_LOAD0,1,2,3 和 SEL_A/SEL_B。
  • 这些信号实际上连接到寄存器 A、B、输出寄存器和程序计数器（PC）。

• 数据选择器（Data Selector）：

  • 芯片 IC6 和 IC7 根据 SEL_A 和 SEL_B 信号从四个选项中选择输入：硬连线接地信号（零）、加法器输出等。
  • 例如，MOV A, Im 指令通过将立即数 Im 与 0 相加，并将结果锁存到寄存器 A 来实现。

• 加法器（Adder）：

  • 芯片 IC8 执行 4 位加法。它接收来自数据选择器的 4 位输入以及来自 ROM 的 4 位立即数。
  • 注意：即使是指令如 OUT B，也会将立即数传入加法器。如果不需要立即数，应将其清零。

• 寄存器（Registers）：

  • 寄存器 A、B、Out、PC 均为计数器芯片。
  • 仅程序计数器（PC）启用了计数功能。
  • 在时钟信号的上升沿，若 not_LOADx 信号为低，数据将从引脚 A-D 锁存到输出引脚 QA-D。
  • JMP 指令通过将值移入 PC 寄存器实现，PC 的值反馈回 ROM 地址解码器。

• 进位触发器（Carry Flip Flop）：

  • 包含一个 D 触发器，用于存储前一次操作的溢出进位位。
  • 这是实现 JNC（无进位跳转）功能的关键：如果存在进位，命令解码电路将禁用来自指令的 LOADPC 信号。

• 时钟电路（Clock）：

  • 位于右下角，由 RC 控制的_multivibrator_（多谐振荡器）构成。
  • 开关可在手动时钟和自动时钟之间切换，并调节时钟速度。

3. 编程实践与示例

作者通过一系列实验程序展示了 TD4 的编程能力，并记录了调试过程中的错误：

• 输出到 LED：

  • 指令 OUT 0101。
  • 查找 OUT Im 的操作码为 1011。
  • DIP 开关设置为：前 4 位为立即数 0101，后 4 位为操作码的反转 1011（即 1010 1101，注：原文此处描述略有混淆，实际应为立即数+操作码组合）。

• 简单闪烁：

  • 输出两个不同常数并跳转回指令 0。
  • 汇编代码：

    OUT 0001 # 1000 | 1101
    OUT 0010 # 0100 | 1101
    JMP 0    # 0000 | 1111
    

• 向上计数：

  • 利用模 16 算术，ADD B 1 实现加 1，OUT B 输出。

• 向下计数：

  • 在模 16 系统中，加 15 等同于减 1。
  • 指令：ADD B 15, OUT B, JMP 0。

• 先向上再向下计数（复杂逻辑）：

  • 这是最具挑战性的部分。作者列举了常见的调试错误：
    1. 过早食用冰淇淋导致疲劳。
    2. 混淆 JNC 和 JMP 的标签。
    3. 将 OUT 指令放置在无法执行的位置。
    4. 在 ADD A 1 之后移动 OUT，破坏了进位标志。
    5. 未意识到 ADD B 1, OUT B 可压缩为伪指令 OUT B 1。
  • 作者提供了完整的 10 步汇编代码，展示了如何检测溢出（通过寄存器 A 测试）并切换计数方向。

4. Python 汇编器与模拟器

为了辅助开发，作者与同事 Ben 编写了一个简单的 Python 汇编器和模拟器。

• 功能：