自作CPU用クロック・プログラムROM

自作CPU Advent Calendar 2022 1日目

自作CPUを紹介していくにあたり、まずは自作CPUを支えるクロックとプログラムROMを紹介する。

まずはクロックやプログラムROMの種類を変えても共通して用いることができるよう、クロックとプログラムROM用のインターフェイスを定めた。
なお、「クロック」は電源およびリセット信号を供給する役割も持っている。

以下が、クロックおよびプログラムROMを接続するCPUボードの端子である。

画像の上側がプログラムROM用端子、下側がクロック用端子である。
いずれも2.54mmピッチのL字型ピンソケットで、プログラムROM用端子は2×10ピン、クロック用端子は1×6ピンである。
基板上のランドからクロックやプログラムROMを接続する側の基板の端までの距離は、ピンソケットの大きさにちょうどいい距離とする。
基板上のランドからその他3方向の基板の端までの距離は規定しない。
クロック用端子とプログラムROM用端子のそれぞれ相手に一番近いランドの中心の距離は、27.94 (2.54×11) mmとする。(ブレークポイント機能をもつなど、クロックとプログラムROM両方の役割の装置を開発する可能性を考え、規定している。距離にあまり深い意味は無い)
シルクスクリーン (もしくはその他の技術による基板上への説明用の図形やテキストの描画) は参考であり、同じように描画する必要はない。
端子のリファレンスも、図通りのJ1、J2である必要はない。

プログラムROM用端子は、以下の端子からなる。

画像中一番下の2本：VCC (CPUボードからの電源出力)
画像中下から2番目の2本：GND
2段のうち基板に近い側、かつVCCとGND以外：データ (CPUボードへの入力)
- 画像の上から下の順に、LSB→MSB
2段のうち基板から遠い側、かつVCCとGND以外：アドレス (CPUボードからの出力)
- 画像の上から下の順に、LSB→MSB

クロック用端子は、画像の上から下の順に、以下の端子からなる。

クロック (CPUボードへの入力)
リセット (CPUボードへの入力)
- LOWのときリセット、HIGHのとき通常動作
GND
VCC (CPUボードへの電源入力)
GND
VCC (CPUボードへの電源入力)

クロック用端子のGNDとVCCはそれぞれ同じものなので、クロックを供給する装置は画像の下側の2本のGNDとVCCを省略し、4本の端子で接続する仕様にしてもよい。

製作したクロックの装置を紹介する。

UART通信用端子、操作用ボタン、状態表示用LCDを備えたArduino互換機。
1Hz～8MHzの間でクロックの周波数を設定でき、送信したクロックのカウントや手動でのクロック送信にも対応。
より正確にいうと、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、50Hz、…、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz、2MHz、4MHz、8MHzを設定できる。

基板設計 | ソフトウェア

マイコンを使わない設計としたクロック。
CPUの創りかた TD4 のクロック部分や、Arduinoのリセット部分などを参考にした。
ついでに、電源用USB端子以外の表面実装部品を使わない設計とした。
クロックの周波数を約1Hz、約10Hz、約100Hzから選択できる。
切り替えスイッチの中点を約10Hzとし、キャパシタを並列接続すると容量が増え、周波数が下がって約1Hzとなる。
また、抵抗を並列接続すると抵抗値が減り、周波数が上がって約100Hzとなる。
周波数は可変抵抗で調整できるが、キャパシタの容量は調整できないため、3モードのうち1個の精度は犠牲となる。

基板設計

秋月電子通商のLTC1799モジュール (I-01569) を用いた高速クロック。
精密可変抵抗で周波数を調整し、ジャンパーピンで分周比を設定する。
クロックの一時停止とリセット信号の供給はできるが、手動でのクロック供給はできない。

製作したプログラムROMを紹介する。

16個の8回路ディップスイッチを用いて16バイトのプログラムを表現するROM。
TD4リスペクトだが、8回路NOTのIC(20ピン)が設計上基板に収まらなそうだったため、入力を反転して出力するマルチプレクサを用い、8×2のマトリクス構造とした。
ダイオードは1素子に2回路入っているものを用い、以下のようにスイッチとともに規則正しく並べた。