TTLのみでコンピュータを自作する
本サイトは1970年代にオリジナルCPUの設計と、そのCPUを使ったコンピュータの自作を夢見ていた青年(当時)が40年の月日を経て、その夢に再挑戦した実録集です。
右の動画の詳細は試験編12話の「out命令の試験結果」
を参照願います。
PCB(Printed Circuit Board)も自作です。アートワークは専用ソフトではなく一般のドローソフトで作成しました。上記動画はアキュムレータの値をLEDに表示する機械語命令（OUT命令）の試験中の画像です。この試験の実行に達するまでには数多の回路修正があり、自作PCBはカッターでの切断跡やジャンパー線だらけです。途中で製作を投げ出そうと思ったことも１度や２度ではありませんでした。
本サイトではTI（Texas Instruments）社の74シリーズ（原則74LSシリーズ、入手困難品は74ALSシリーズも併用）をTTLと称しています。入力ピンが未接続の場合はHとみなされる特性を多用していますので、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)に置き換える場合はプルアップ抵抗の挿入等の雑多な修正が必要です。
詳しくは円周率編第４話をご参照ください
全命令の動作を確認し、RETORO-FUTUREの名に相応しい昭和の香りがする結束ひもを使って基板上のワイヤーをバインドしたのが8月7日、更に8月17日にはクロックを750KHzから1.8MHzにUPする事に成功。その後、外気温50℃での連続運転試験もパス。8月20日をRETROF-8の誕生日としました。
JMPとHALT命令が動作。手動クロック発生回路の作成(左の写真の下部に写っている装置）や試験用LEDを追加して、クロック単位で内部の状態を確認しています。
時々、命令認識が異常になることは突き止めましたが、再現性が不安定で、かつ、今週は「冠婚葬祭や展示会」が大量発生し、製作時間が殆ど取れず実質的な進捗は無し。これから一気に挽回予定です。
ALUとアキュムレータは未実装ですが、ソケットは全てハンダ付けを完了しました。不具合で動かなかった、JMP命令とHALT命令も完璧に動く様になりました。
無条件ジャンプの不具合はアドレスバスに対応するPCBパターンの断線でした。また不可能と思われたHALT命令の修復に関しては、詳細を「復活、HALT命令」にまとめてUPしました。
ハンダ付は先週から全く進んでません。ALUとアキュムレータも未実装のままです。無条件ジャンプ命令の動きが不安定で原因究明に苦しんでいるのが作業遅延の原因です。
先週と同じ写真をアップしてもつまらないので、ハンダ面を撮影してみました。今の所ハンダ面は配線修正用のジャンパー線はありませんが、ジャンパー線の登場も時間の問題かもしれません。
ALUとアキュムレータ以外は実装が完了。主な箇所の波形をオシロで観察するためにクリップを接続し、オシロスコープでの波形確認作業中です。
昔の２現象オシロで、複数個所の信号を観察するのは大変疲れます。
（誰か16chのデジタルオシロをタダで譲ってください）
74LS02と74LS32を追加し、インストラクションデコーダ(ID)部分が完成。ALUやアキュムレータが未実装のため、まだプログラムは実行できませんが、命令に応じてIDからの信号が変化する所まで確認しました。
「LEDドライバの74LS573が異常発熱する」というトラブルがあり、原因究明に四苦八苦。この顛末も失敗談編に同時アップ。
中央に縦に３つ並んでいるのがプログラムカウンタに用いる74ALS569です。この実装は5月29日に行ったのですが、カウンタが突然変な値になったり、メモリの書き込みもおかしくなったりで、その後の１週間はこのトラブル解決に費やしました。
このトラブルは試験編(3)と「失敗談」に詳細UP済
やっとS-RAMへの手動での書き込みが出きるようになりました。 ロータリースイッチでアドレスとデータ値を指定して、左下にある「書込SW」を押すと書き込めます。
SRAMの試験時に大きな設計ミスを発見しました。このミスに関する詳細は失敗談（本頁左に入口あり）を見て下さい。
平日は趣味に費やす時間は１時間程度ですので、６日間経過しても殆ど進展していないのがお判りだと思います。
それでも基板左側に74LS74が一個だけだったのが、
74LS161、74LS42、74LS138が増えています。
５００円玉は大きさ比較用。基板サイズはほぼハガキ大です。
基板左側にRUN/DMAの切替スイッチ（緑と黄色）が並びます。
基板右側はバスの手動制御回路で、DMAでプログラミング（機械語入力）をするためのLEDとSWが並んでいます。実行時には入出力装置の役割も兼ねさせています。
回路や部品の詳細は「試験編」を参照願います。
穴あけ完了時の写真です。0.7mm径で約700箇所です。
専用のドリルスタンド等一切使わなかったため、貴重な特殊鋼ドリル刃を４本も折ってしまいました。
それにしても、物作りとHTML作りを同時進行するのは、一方の作業のみに集中できないため、効率がとても悪いです。
今更ながら、オバカなことを初めてしまったと後悔しています。
感光基板でのPCB作成はまさかの2回連続失敗で相当落ち込みました。（２枚しか買ってない）
急きょ、紙フェノール2枚とガラスコンポジット2枚、計４枚を買いリベンジ。内２枚は自作フィルムの遮光不足のせいか数箇所パターン切れました（半田を盛れば何とか使える状態）。続く２枚は無事成功。
写真は無事完成した２枚。左は紙フェノール、右がガラスコンポジット。ガラコンは1mm厚だけど十分丈夫。（紙フェノは1.6mm厚）
失敗の原因とか、成功のコツとかの詳細は現在HTMLを作成中。後日UP予定です。
ガラスコンポジットの上部の黒い部分はマジックインキでマスク補強した跡です。（2011-5-7)
パターンはOO(オープンオフィス)のドローツールを使って書いています。PCB用の専用レイアウトツールがあるのは存じてますが、あえて汎用ドローツールを使ってみました。
（基板は片面で実サイズは150mm×100mm）
透明フィルムシートの種類や、プリンタの設定等をいろいろと変え、一番きれいに印字できたものを露光に使う予定です。写真は最終候補に残った２種類を虫眼鏡で見比べている所です。
黒い部分も若干光を通すので、露光がうまくいくかどうかはまだわかりません。
両者共にA社の0.11mm厚のフィルムに印字されてます。（５月５日 記）
これは、コメントやジャンパー線の位置(色が付いている)をも含むパターンデータです。
ここまで達するのに、下書きだけでも方眼紙に数十枚書きました。正直言って、気が狂いそうになる作業でした。「もう一度同じ物を書け」と言われても、絶対に無理だと思います。（５月４日、記）
自作プリント基板の穴あけを開始しましたが、
購入したルーターは手元でON/OFFができないので位置あわせがとても面倒です。そこでフットスイッチを作ってみた所、快適になりました。
材料費はケース100円、延長コード（中央を片側切断してスイッチに半田付）200円、スイッチ160円と消費税です。
今日の関東は、蒸し暑かったです（5月10日記）
裏面拡大画像です。
100円ショップで購入した延長ケーブルの途中を裂き、コードを引き出し、スイッチに繋げただけです。
（スイッチは125V 5A を使用）
この工作は緊急避難的に作ったものであり、感電事故の危険も極めて大です。危険性を十分理解の上で自己責任で行える方以外は、市販のフットスイッチ購入をお勧めします。（2011年10月2日追記）
回路図やパターン図を書くのも楽しいのですが、やはり「何か実体のあるもの」も作らないと落ち着きません。画像は数日前に作った感光PCBとフイルムを密着させる装置(?)です。3mm厚のアクリル板と6mm厚のMDF板をネジで締める方式です。
画像の「諭吉」は大きさ比較用です。ニセ札作りの原版ではありませんので誤解無き様願います。（4月21日製作）
富崎新氏(ATOM-8の作者)の資料を収集中。
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