TD4 CPU是一個簡單但功能完整的4位教學型中央處理單元，由日本工程師設計，旨在幫助學習者理解數字電子技術的基本原理和CPU工作機制。本教程將詳細介紹TD4 CPU的構建步驟、功能模塊以及實踐應用。

一、TD4 CPU概述
TD4 CPU采用精簡架構，包括4位數據總線、簡單指令集和基本輸入輸出功能。它由時鐘模塊、程序計數器、指令寄存器、算術邏輯單元（ALU）和控制單元等核心部件組成。通過搭建TD4，您可以深入掌握數字邏輯電路、時序控制和計算機組成原理。

二、硬件組件與工具準備
構建TD4 CPU需要以下基本電子元件：

- 邏輯門集成電路（如74系列：74LS00、74LS04、74LS08等）
- 4位程序計數器（可用74LS161實現）
- 時鐘發生器（555定時器或晶體振蕩器）
- 指令存儲器（EPROM或RAM芯片）
- 輸入開關和輸出LED顯示
- 面包板或PCB板、連接線和電源
工具包括萬用表、示波器和焊接設備，用于調試和驗證電路。

三、TD4 CPU構建步驟

1. 設計電路圖：基于TD4架構，繪制完整的邏輯電路圖，確保各模塊正確連接。
2. 組裝時鐘模塊：使用555定時器構建穩定時鐘源，頻率建議為1-10Hz以便觀察。
3. 搭建程序計數器：采用74LS161實現4位計數，連接時鐘和復位信號。
4. 實現指令寄存器：使用D觸發器（如74LS74）存儲當前指令。
5. 集成ALU和控制單元：通過邏輯門組合實現簡單算術和邏輯操作，控制單元解析指令并生成控制信號。
6. 連接輸入輸出：添加開關作為數據輸入，LED顯示運算結果。
7. 測試與調試：逐步通電，用示波器檢查信號波形，修正連接錯誤。

四、編程與功能驗證
TD4支持基礎指令如LOAD、ADD、OUT和JUMP。編寫簡單程序（如循環計數或加法運算），通過開關輸入指令，觀察LED輸出。例如，實現從0到15的計數顯示，驗證CPU的連續執行能力。

五、常見問題與解決方案

• 時鐘信號不穩定：檢查555定時器連接，調整電阻電容值。
• 指令執行錯誤：確認指令寄存器與控制單元的信號匹配。
• 輸出顯示異常：用萬用表檢測LED電路，確保邏輯電平正確。

通過本教程，您將不僅學會TD4 CPU的搭建，還能深化對數字電子技術的理解，為更復雜的嵌入式系統設計打下基礎。實踐過程中，注重細節和反復測試是成功的關鍵。