一、简介

MiniMax CPU是一款经典4位TD4-CPU的改进版。用不到20颗逻辑门芯片构建出世界上最简单，但满足图灵完备的CPU。采用16*4容量的ROM离线编程。是培养兴趣爱好、初学者学习汇编、计算机组成、二进制原理的好帮手。

整体架构围绕A累加器构建，有两个程序状态寄存器（比较CF、相等ZF）支持空跑、加减、比较、转移、输入输出、跳转等指令。有一个4位输入按钮。运行频率0-100Hz。输出端口为一个数码管，可以锁存并显示8421BCD码，即0-9共10个数字。

优势1：更丰富的寄存器空间

相对于TD4-CPU只有两个通用寄存器，本设计修改为ACC加一个16*4位的寄存器堆，寄存器堆由一个额外的指针寄存器寻址。

优势2：更高利用率的ROM

原版TD4-CPU采用定长指令，无立即数的指令也要占据相应的立即数空间，而MiniMax CPU增加了可变长度指令缓冲器，能通过PLD自动解码指令。当指令长度为1*4bit时直接执行，指令长度2*4bit时（含立即数）先自动识别、缓冲再执行，有效提高了程序存储器利用率，在任何指令组合下，ROM利用率都是100%。因此，虽然缩减了一半的拨码开关存储器，但实际可执行指令数量只缩减了约25%。

优势3：更便捷的用户体验

板载5V0.7A的Type-C直接供电、使用定制的磁吸外壳后，使用3.7V锂电池搭配充放电模块供电

基础操作原理

执行ADD、SUB、CMP指令时，是ACC与RAM当前地址单元之间的操作。例如ADD指令，是ACC+RAM+C 结果存到ACC里，进位存到C标志位寄存器；SUB指令：是ACC-RAM-C 结果存到ACC单元里，当减法有借位时，C标志位置一；CMP指令，实际上是ACC-RAM，但结果不保存到任何地方，ACC和RAM中的所有数据不改变，但C标志位、Z标志位会改变，当ACC=RAM时，Z=1，否则Z=0；当ACC＜RAM时，C标志位=1，否则C=0。

其中，P寄存器/也叫ADSR寄存器，是RAM地址指针寄存器。例如要对ram的0x5号地址进行读写，则执行指令MVI ADSR, 5（机器码：A 5），执行完这个指令后，再有涉及到RAM的操作时，操作的就是0x5号RAM单元了。直到下一次MVI ADSR指令，RAM指针才会改变。

拨码开关ROM的地址空间为0x0-0xF，第一行左数第一个为0x0，左数第二个为0x1......以此类推，第四行左数第四个为地址0xF。

执行单长度指令时，只需编程一个4bit命令，例如执行ADD，则只需在该地址拨码开关设置为4'b0001，下一个地址开始就是下一个指令。当执行双长度的、带立即数的指令时，需要放置指令的地址先放高4位，低4位立即数放置在下一个地址，例如执行MVI A, 5 ，且从0x4地址开始执行，则0x4地址放置4'b1000，紧接着0x5号地址放置4'b0101，0x6地址就是下一个指令了......执行的时候虽然一次只能取一次命令，也就是1个4bit，系统在检测到是双长度命令时，取第一个4bit时只执行NOP，并记住该命令是多少，在第二个周期再取一个4bit组成一个完整的双长度指令，才执行相应的操作。

二、指令集

1、无立即数

一个指令占4bit，无需带其他参数

二进制	名称	作用
0000	空指令
0001	CMP	比较操作，不改变当前RAM单元或ACC的数值
0010	ADD	C+ACC+当前RAM指针指向的RAM单元，结果返回到ACC，进位输送到C寄存器
0011	SUB	C+ACC+取反（当前RAM指针指向的RAM单元），结果返回到ACC，进位输送到C寄存器（注：对于减法，C=0代表有借位/错位，C=1代表没有进位/错位）
0100	MOV A reg	将当前RAM指针指向的RAM内的内容复制到ACC
0101	MOV reg A	将当前ACC内部的内容移动到当前RAM指针指向的RAM单元
0110	IN A	将用户按键（K3-K0）的状态输送到ACC（K3是最高位，K0最低位。按下代表该位为1，否则0）
0111	OUT A	将ACC内的值输送到输出，使数码管显示并锁存（大于等于10的数字不显示）

2、有立即数

一个指令8bit（4+4bit）执行时，将两个4bit合并到一起执行。指令在前，立即数在后，且必须连续放置才有效。

二进制	名称	作用
1000	MVI A	将立即数（4bit）移动到ACC寄存器
1001	MVI ADRS	将立即数（4bit）移动到RAM指针寄存器，下次读写RAM针对该单元读写
1010	空指令
1011	空指令
1100	JMPZ	如果Z寄存器=1，跳转到立即数指定的单元
1101	JMPC	如果C寄存器=1，跳转到立即数指定的单元
1110	JMPNC	如果C寄存器=0，跳转到立即数指定的单元
1111	JMP	强制跳转到立即数指定的单元

三、示例程序

以下是一个最基础的循环倒计时程序，

把0001存入ACC		ACC存入RAM	输出
RAM与ACC相减	跳转到0x3

四、电路原理

所需芯片：7414、74153、74219、CD4543、74161、7474、74283、7486、74157、74238、7400

所需PLD：ATF16V8B

原版TD4 CPU开源项目地址：https://github.com/wuxx/TD4-4BIT-CPU

原版TD4 CPU相关原理视频：
1、TD4 原理分析0-系统综述
2、TD4 原理分析1-[时钟、复位]
3、TD4 原理分析2-[存储器、输入、输出]
4、TD4 原理分析3-[控制器、运算器]