自作関数電卓のためにVerilogで「ニブル単位」のCPUを設計してみた

科学技術計算に対応した関数電卓を自作するために、あえてニブル（4ビット）単位で動作するCPUをVerilogで設計しました。

核心的な疑問は「HPの関数電卓はゲートレベルで実際にどう動いていたのか？」ってことだった。その深掘りが、ゼロから自作するきっかけになったんだ。

アーキテクチャを決める上で全ての基本になったのがこれ。十進法電卓は数値をBCD（10進1桁を4ビットのニブルで表現）で格納すべきだっていう点。Z80や6502みたいな一般的なバイト単位のCPUだと、その構造と常に戦うことになる。だから、4ビットが自然なデータ幅で、メモリがニブル単位でアドレッシングできる独自の小型CPUをVerilogで設計したよ。

プロジェクトの内容：

• 自作CPU：ハーバードアーキテクチャ、12ビットISA、8ステート実行のFSM、マイクロコードデバッグ用のFAULT状態を備えたハードウェアスタックガード

• 三角関数用のCORDIC：14桁の有効数字まで検証済み

• Pythonで書いた2パスアセンブラ（約700行）

• Verilator + Qtフレームワーク：同じVerilogソースがシミュレーション、デスクトップGUIデバッガ、WebAssembly、そして実機でそのまま動く

• マイクロコード上で動作するスクリプト言語：ハードウェアをいじらずに機能追加が可能

• 自作PCB（EasyEDA/JLCPCB）、バッテリー、充電回路

詳細記事：https://baltazarstudios.com

Hackadayの記事：https://hackaday.com/2026/05/13/build-the-cpu-then-build-the-calculator/

親父が70年代半ばから90年代半ばまでHPに勤めてたんだ。言うまでもなく、高校や大学ではHPの電卓を使ってたよ。HP電卓の最高なところは、頑丈な作り（11Cや15Cのボタンは最高だった）、正確さ、そしてクラスメートが電卓を貸してくれと言ってきた時に「RPN（逆ポーランド記法）わかる？」って聞くと、みんな恐怖に引きつって引いていくところだね。おかげで誰も借りようとしなかったよ。とにかく、このプロジェクトは最高だね。

CPUがニブル単位（4ビット）志向なら、それって実質的なバイトサイズが4ビットってことにならないの？

これ最高！自分でハードやソフトのツールを作ってる人を見るのが大好きだ。自分も近いうちに時間を捻出してやってみたい。電卓は絶好のプロジェクトだよね。

動画って公開されてる？

素晴らしいプロジェクトだね。（私のDM42は9と正確に返してくれたよ。）

ブログ記事のパート6に間違いがあって、HP-71Bの写真のキャプションが48GXになってるね（両方ともSaturn CPUを使ってるけど）。ちなみに自分もHP-71Bを持ってて、そのForth/アセンブラROMマニュアルを使って最初のHP-48 ROMデコーダーを書いたことがあるよ。

WebAssembly版がここで動かせるよ。デバッガーパネルありとなしで分けといた。

https://baltazarstudios.com/files/calculator-d/Calculator.html

https://baltazarstudios.com/files/calculator/Calculator.html

このWebAsmコードはQtとVerilatorでコンパイルされてて、電卓インターフェースを提供するシンプルなUIシェルの中で「ハードウェア」とマイクロコードを動かしてる。デバッグ版ではマイクロコードのリスト表示や、ブレークポイントの設定、レジスタの確認なんかができるよ。