Java TD-4 CPU 仿真器

这是一个基于Java的TD-4 CPU行为级仿真器。该项目旨在通过软件模拟由74系列数字逻辑芯片构成的4位CPU，其设计灵感来源于日本工程师渡波郁（Iku Watanami）的著作《用10个IC轻松介绍CPU设计》以及eraser2333/td4cpu仓库中的复刻版本。

本仿真器完整实现了CPU的核心组件、指令集和交互式运行环境，是学习计算机体系结构和数字逻辑设计的绝佳工具。

✨ 功能特性

• 组件级仿真: 对构成CPU的所有核心74系列芯片（如 SN74HC161, SN74HC283, SN74HC154 等）进行了行为级模拟。
• 完整的指令集: 实现了TD4 CPU的全部12条指令，包括算术、数据转移和跳转指令。
• 可编程ROM: 模拟了一个16x8位的只读存储器（ROM），支持从不同格式加载程序。
• 汇编器支持: 内置一个简单的程序加载器 (ProgramLoader)，能够解析从简单汇编 .asm 文件编写的程序。
• 交互式运行环境: 提供一个基于命令行的主程序 (Main.java)，允许用户：
  • 单步执行程序。
  • 在手动和自动时钟模式之间切换。
  • 在运行时设置4位输入端口的值。
  • 复位CPU到初始状态。
  • 实时查看所有寄存器（PC, A, B, OUT）、进位标志和时钟的状态。
• 单元测试: 为每个芯片模拟器提供了独立的JUnit 4测试，以确保其逻辑的正确性。

📂 项目结构

项目代码遵循清晰的包结构，将不同功能的模块分离：

td4cpu_simulator/
└── src/
    └── com/example/td4/
        ├── chip/           // 74xx系列IC的行为级实现
        ├── cpu/            // CPU核心组件 (CPU, ALU, Register, ControlUnit, Clock)
        ├── rom/            // ROM及程序加载器 (ROM, ProgramLoader)
        ├── utils/          // 辅助工具类 (BitUtils)
        └── Main.java       // 仿真器主程序入口和用户交互界面

🚀 如何运行

先决条件

• Java 开发工具包 (JDK) 8 或更高版本。
• JUnit 4 (用于运行测试)。

编译

在项目的根目录下，使用 javac 命令编译所有源文件。请确保将类文件输出到正确的目录结构中。

# 在 src 目录的上一级运行
javac -d out src/com/example/td4/chip/*.java src/com/example/td4/cpu/*.java src/com/example/td4/rom/*.java src/com/example/td4/utils/*.java src/com/example/td4/*.java

执行

使用 java 命令运行主程序。

# 在 src 目录的上一级运行
java -cp out com.example.td4.Main

程序启动后，将加载一个示例程序并显示CPU的初始状态。您可以输入以下命令与仿真器交互：

• s: 步进 (Step)。在手动模式下，执行一个完整的时钟脉冲（上升沿+下降沿）；在自动模式下，推进一次内部振荡器。
• r: 复位 (Reset)。将CPU和所有组件恢复到初始状态。
• i <value>: 输入 (Input)。设置4位输入端口的值，<value> 是一个0-15之间的数字。例如：i 5。
• m: 模式 (Mode)。在手动和自动时钟模式之间切换。
• a <N>: 自动 (Auto)。在自动模式下，连续执行 N 步。
• f <T>: 频率 (Frequency)。设置自动时钟的速度。<T> 表示自动时钟振荡器每翻转一次需要 advanceAutoClockTick 被调用的次数（数字越大，时钟越慢）。
• q: 退出 (Quit)。结束仿真。

💻 为仿真器编程

您可以通过创建一个简单的 .asm 文件来为TD4 CPU编写程序。

汇编格式

• 每行一条指令，格式为 MNEMONIC 或 MNEMONIC OPERAND。
• 注释以 ;, #, 或 // 开头。
• 操作数可以是十进制 (5)、十六进制 (0xA) 或二进制 (0b1010)。
• 助记符不区分大小写。
• 当前版本不支持标签，跳转地址必须是数字。

示例 program.asm 文件:

; 一个简单的计数和输出程序
MOV A, 0      ; A = 0
LOOP:         ; 标签在当前版本中仅作为注释
  OUT A         ; 输出 A 的当前值
  ADD A, 1      ; A = A + 1
  JMP 1         ; 跳转回地址 1 (模拟LOOP)

加载并运行:

1. 将上述代码保存为 program.asm 文件。
2. 修改 Main.java 以加载此文件：ProgramLoader.loadFromAsmFile("program.asm");
3. 重新编译并运行仿真器。

📜 TD4 指令集

TD4是一个4位CPU，每条指令由4位操作码（Opcode）和4位操作数（Operand）组成，共8位。

助记符	指令	解释
MOV A,B	0001 0000	将 B 寄存器传送到寄存器A。不受C标志影响，执行后C标志置0。
MOV B,A	0100 0000	将 A 寄存器转移到寄存器B。不受C标志影响，执行后C标志置0。
MOV A,Im	0011 XXXX	将立即数XXXX传送到寄存器A。不受C标志影响，执行后C标志置0。
MOV B,Im	0111 XXXX	将立即数XXXX传送到寄存器B。不受C标志影响，执行后C标志置0。
ADD A,Im	0000 XXXX	将立即数XXXX累加到寄存器A。不受C标志影响，执行后发生进位C标志置1。
ADD B,Im	0101 XXXX	将立即数XXXX累加到寄存器B。不受C标志影响，执行后发生进位C标志置1。
IN A	0010 0000	将输入端口数据传输到寄存器A。不受C标志影响，执行后C标志置0。
IN B	0110 0000	将输入端口数据传输到寄存器B。不受C标志影响，执行后C标志置0。
OUT Im	1011 XXXX	将立即数XXXX传输到输出端口。不受C标志影响，执行后C标志置0。
OUT B	1001 0000	将寄存器B传输到输出端口。不受C标志影响，执行后C标志置0。
JMP Im	1111 XXXX	程序跳转到立即数指示的地址XXXX。不受C标志影响，执行后C标志置0。
JNC Im	1110 XXXX	当C标志为0时，程序跳转到立即数所指示的地址。反之什么都不做。执行后C标志置0。

🛠️ 仿真组件

本仿真器实现了以下构成TD4 CPU的74系列芯片：

• SN74HC10 (三路3输入与非门)
• SN74HC14 (六路施密特反相器)
• SN74HC32 (四路2输入或门)
• SN74HC74 (双D触发器)
• SN74HC153 (2路4选1多路选择器)
• SN74HC154 (4-16线译码器)
• SN74HC161 (4位同步二进制计数器)
• SN74HC283 (4位二进制全加器)
• SN74HC540 (八路反相缓冲器)