Собери 4-битовый процессор TD4 на чипах 74HC

Король Тонами в книге «Как собрать процессор» описал легендарный 4-битовый ЦПУ TD4, который собирают из простых логических микросхем серии 74. Автор прислал мне печатную плату на базе открытого проекта с GitHub BG5DIW и потратил несколько месяцев, чтобы перевести книгу и разобраться с конструкцией. Устройство питается от 5 вольт через Micro-USB или контакты, работает на базовом наборе из 12 команд и имеет 16-байтовую память, прошиваемую DIP-переключателями. Пайка проста, кроме четырёх SMD светодиодов и разъёма USB, где нужно зафиксировать только два контакта. Самым сложным моментом стало использование диодов 1N4148, заменяющих редкие 1S1588 и D8-1A. Они формируют матрицу, предотвращая обратный ток при переключении контактов и обеспечивая логику декодирования. В основе схемы лежат чипы 74HC161 для регистров и счётчика команд, 74HC153 для мультиплексоров, 74HC283 в роли арифметико-логического устройства, а также логические элементы NAND и AND. Генератор тактового сигнала собран на 74HC14, что позволяет регулировать скорость работы вручную. Пространство адресации ограничено, поэтому задачи модели скромны, но достаточно интересны: автор написал на бумаге программу, которая считывает переключатели и каждую тактовую частоту увеличивает значение. Дошло до того, что он создал утилиту на JavaScript для перевода ассемблера в положения DIP-переключателей. Это идеальная «Hello World» для изучения архитектуры компьютеров, потому что здесь нет скрытых слоёв вроде микрокода или сложных кэшей. Вы видите, как бит проходит от выключателя через мультиплексор в регистр, понимая связь между железом и программой. Эмулятор есть только под Windows, а детали доступны на сайте издателя книги.