CPU de 8 bits em protoboards

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8 bit cpu

Há muito tempo eu li o CODE e fiquei bem impressionado. É uma ótima viagem por todas as camadas de abstração de um computador. O autor começa com elementos muito simples e nos traz cada vez mais perto de entender como um computador funciona.

Vários anos depois, encontrei por acaso a CPU de 8 bits em protoboards do Ben eater. Nessa série de videos, Ben Eater segue um caminho parecido com o do livrop, e monta um computador funcional a partir de circuitos integrados da série 7400.

É óbvio que eu decidi montar um.

Em resumo, eu simplesmente segui os videos e diagramas de circuito publicados por Ben Eater.

A estrutura básica do computador é a seguinte:

Diagrama funcional do computador de 8 bits
Diagrama funcional do computador de 8 bits. Imagem capturada de um dos videos da série

É, claro, um computador muito simples. Na verdade, aparentemente ele é baseado no SAP-1 descrito por Albert Paul Malvino no livro Digital Computer Electronics. Na implementação do Ben Eater (e na minha), o conjunto de instruções é muito pequeno. Só existem instruções para manipular dados em um dos registradores e só existem dois pulos condicionais: pula se vai um e pula se zero.

NOP    0000
LDA    0001
ADD    0010
SUB    0011
STA    0100
LDI    0101
JMP    0110
JC     0111
JZ     1000
OUT    1110
HLT    1111
Conjunto de instruções para o computador de 8 bits

O design usa EEPROMs para substituir a lógica combinatória necessária para decodificar as instruções e disparar os sinais necessários para executá-las. O opcode e o contador de ciclo de instruções são usados para endereçar a EEPROM e as saídas (ou seja: os dados no endereço correspondente) são os sinais de controle. Isso significa que é possível atualizar o microcódigo do computador reprogramando essas EEPROMs.

Com só 4 bits para o endereçamento de memório, precisamos colocar todo o programa e os dados em 16 bytes. Um simples programa pra calcular a sequência de Fibonacci usa quase toda a memória:

| Opcode |  arg  |   pos. de mem  |   conteúdo   |
+--------+-------+----------------+--------------+
LDI         1        0000         0101 0001
STA        14        0001         0100 1110
LDI         0        0010         0101 0000
ADD        14        0011         0010 1110
STA        15        0100         0100 1111
LDA        14        0101         0001 1110
STA        13        0110         0100 1101
LDA        15        0111         0001 1111
STA        14        1000         0100 1110
LDA        13        1001         0001 1101
OUT                  1010         1110 0000
JC          0        1011         0111 0000
JMP         3        1100         0110 0011
Programa simples para calcular a sequência de Fibonacci

Um detalhe em que meu circuito diverge do do Ben Eater é no circuit de reset. Eu não tinha portas NAND à mão quando queria montar o circuito, mas tinha postas NOR. Eu, então, adaptei a lógica de reset dele para usar portas NOR.

Reset circuit using NOR gates
Circuito de reset usando portas NOR

Um outro problema que eu encontrei é que às vezes a memória RAM era sobrescrita quando eu trocava entre o modo de execução e o modo de programação. A solução é colocar um resistor de pull up no pino write enable do CI de RAM pra que ele não fique indefinido quando o botão não está sendo pressionado.

Existe um subreddit dedicado ao canal do Ben Eater onde várias pessoas postam programas diferentes e modificações de hardware. Algumas pessoas fizeram programadores, expandiram a memória etc. É uma boa fonte de informações sobre o projeto e um bom lugar pra procurar soluções pra eventuais problemas.