Z80マイコン基板自作記：全レイヤでバグを踏み抜き、Rev.2を発注するまでの泥臭いトラブルシューティング

低レイヤ技術の実践として、Z80とCH559L（I/O・ディスプレイ制御用マイコン）を組み合わせたシングルボードコンピュータの自作に取り組んでいます。

データシートを読み込み、KiCadで回路図を引いてオリジナル基板（Rev.1）を発注しました。ピカピカの基板に部品をはんだ付けし、意気揚々と電源を入れたものの……Z80の動作やSRAM、EEPROMの動作は確認できたものの、Z80が命令を実行して`Hello World From Z80`を出力しない.....

ここから、回路（ハード）、ファームウェア（ソフト）、物理層という3つのレイヤが複雑に絡み合う、地獄のトラブルシューティングが始まりました。

1. ハードウェアの洗礼：~RD/~WR直結の悲劇

オシロスコープで波形を追う中で見えてきた最大の元凶は、Z80とCH559の ~RD / ~WR ピンを「直結」してしまったことでした。これにより強烈なバス競合が発生し、過渡的なグリッチでSRAMのデータが破壊されるなど、5つ以上の二次災害を引き起こしていました。

また、リセット回路（RC回路）の時定数（τ）が470msと大きすぎてリセットがダラダラと立ち上がってしまったり、~BUSRQや~INTピンのプルアップ抵抗を付け忘れてZ80が暴走したりと、回路設計の甘さも次々と露呈しました。

↑リセットがかかりまくっている様子

2. ファームウェアの罠：たった1ビットの設定漏れ

ソフト側で最も発見が困難だったのは、CH559の P1_IE（デジタル入力許可レジスタ）の設定ミスです。

P1_IE = 0xFF とすべきところを 0x01 としていたため、SPI操作時の read-modify-write で予期せぬ値が読み込まれ、直後の書き戻しでSRAMの選択ビットが消滅。「Z80が常にデセレクトされたSRAMに対してフェッチし続ける」という絶望的な状態に陥っていました。その他にも、ポートのプッシュプル/オープンドレイン設定のミスや、XBUSのアドレスマッピングの誤認など、仕様書の読み込み不足が牙を剥きました。

3. トドメの物理層エラー（接触不良）

ハード側の設計ミスとソフト側のバグが絡み合う中、極めつけは「Z80ソケットの接触不良」でした。最も重要な ~MREQ ピンが接触不良を起こしており、「ビットバングでの書き込みは成功するのに、Z80実行時はSRAMが読めない」という、デバッグを最も混乱させる症状を引き起こしていました。

バグの連鎖を断ち切り、Rev.2へ

ソフトウェアのバグならコードを直せば済みますが、ハードウェアのエラーはそうはいきません。しかし、データシートを隅々まで読み直し、テスタとオシロスコープで物理現象を一つずつ紐解いていく作業は、悔しい反面、「システム全体を掌握していく」という圧倒的な面白さがありました。

現在はこれらの問題を根本解決するため、そもそものCH559Lを廃止して、より5Vトレラントで使いやすいATmega2560-16AUを使うことにしました。それらを統合して、さらにESP32-S3を用いたVDP(Video Display Processor)を開発しました。