２０１８．７．１３
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１６ビットマイコンボードの製作
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いつか使ってみるつもりで入手してそのまま置いてあった１６ビットＣＰＵのことを思い出しました。
ＡＭＤ社のＡＭ１８８です。
その名の通り、ＣＰＵコアは８０１８８互換の１６ビットＣＰＵです。
そのＡＭ１８８を使った１６ビットマイコンボードの製作記事です。
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［第５５回］



●ＡＭ１８８ＥＭのＣＬＯＣＫ（５）

前回はカメレオンロジアナを使ってＡＭ１８８が命令を実行するときにかかるクロック数について解析しました。
簡単なプログラムを書いて実行し、それをカメレオンロジアナで観測することで、命令のクロック数から求めた計算上の実行クロック数と実際にかかるクロック数が異なるということが確かめられました。
それで疑問は解決したのですけれど。
せっかくカメレオンロジアナをセットしたことでもありますし、この機会に［第５３回］でテスト実行をしてオシロスコープで波形を観測した２本のプログラムをカメレオンロジアナでも観測してみました。
オシロスコープと違ってクロック単位での詳細な記録が得られましたが、それだけに画像の枚数も多いので、今回と次回と２回に分けて整理することにしました。
［第５３回］でテスト実行をしたプログラムは、下のリストのアドレス８０１８の０６を０１に書き換えたものと、８０１７をＣ３（ＲＥＴ）に書き換えた２本のプログラムです。

2018/7/1  7:226  86cktst.LST
[00001]                     ;;; clock test for am188
[00002]                     ;
[00003]                         ORG=8000
[00004]                     ;
[00005] 8000  B080              MOV AL,80
[00006] 8002  E683              OUT 83,AL
[00007] 8004  32C0          LOOP:XOR AL,AL;3
[00008] 8006  E680              OUT 80,AL;9  +1.5us
[00009] 8008  E80C00            CALL T5US;7us <8017>
[00010] 800B  FEC8              DEC AL;3
[00011] 800D  E680              OUT 80,AL;9  +0.6us
[00012] 800F  E80500            CALL T5US;7us <8017>
[00013] 8012  FEC0              INC AL;3
[00014] 8014  EBEE90            JMP LOOP;14 <8004>
[00015]                     ;
[00016]                     ;5us timer clock 20MHz
[00017] 8017  B106          T5US:MOV CL,06
[00018] 8019  FEC9          T5US2:DEC CL;3
[00019] 801B  75FC              JNZ T5US2;13,,,16*6=96 0.05*100=5us <8019>
[00020] 801D  C3                RET;20  CALL=19,,,0.05+140=7us
[00021]                     ;
[00022]                     ;END
LOOP         =8004  T5US         =8017  T5US2        =8019

今回はそのうちアドレス８０１８の０６を０１に変更したプログラムを実行して、それをカメレオンロジアナで観測した記録について見ていただきます。
この記録を見ていただくことで、前回説明しましたＡＭ１８８（８０８６と同じ）ではメモリからの読み込み動作と内部で命令を解読し実行する動作が独立して並行して行なわれるということがおわかりいただけるかと思います。

途中（アドレス８００５）から記録が始まっていますがどこから始まってもプログラムが一巡すれば同じことなので、このまま見ていただくことにします。
前回も書きましたが画面では一部が隠れていますがＰＲＯＢＥ００〜０７がデータバスＤ０〜Ｄ７、ＰＲＯＢＥ０８〜１５がアドレスバスＡ０〜Ａ７です。
ＰＲＯＢＥ１６がＣＬＫＯＵＴＡ（１０ＭＨｚクロック）、ＰＲＯＢＥ１７はＲＡＭＲＤです。


８００５は８００４　ＸＯＲ　ＡＬ，ＡＬの第２バイトです。
そのあと８００６、８００７のＯＵＴ　８０，ＡＬのあと８００８まで読み込まれています。
８００８はＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳの第１バイトです。
その後でＯＵＴ命令が実行されています。
１１００ｎｓあたりでＰＲＯＢＥ０８〜１５（アドレスＡ０〜Ａ７）に８０が出力されていることで、それがわかります。


ＯＵＴ命令の実行後、１４００ｎｓから８００９、８００Ａ、８００Ｂまで読み込まれています。
８００９、８００ＡはＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳの第２、第３バイトです。
８００ＢはＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳのあとのＤＥＣ　ＡＬの第１バイトですから、ここで読んでも破棄されてしまうことになりますが、これが前回説明した「先読み」です。
そのあといきなり８０１７が読み込まれています。
８０１７はＴ５ＵＳサブルーチンの先頭バイトです。
まだＣＡＬＬ命令は実行されていませんが、これも「先読み」です。
２４００ｎｓのところでおそらくリターン後のアドレスがスタックにＰＵＳＨされていると思われますが、ここも８ビットＣＰＵでの常識とは異なる動きになっています。


アドレスの下位８ビットしか見えませんが、先にＦＥ、続いてＦＦになっています。
データバス部分（ＰＲＯＢＥ０５〜０７）を見ると、上位３ビットしか見えませんが、先にビット７＝０、後でビット７＝１のデータがＰＵＳＨされていますから、ここはＦ７ＦＥに０Ｂ、Ｆ７ＦＦに８０がＰＵＳＨされていると考えられます。
値としては８ビットＣＰＵの場合と同じですが、８ビットならばＰＵＳＨする順序は先にＦ７ＦＦ、次にＦ７ＦＥになるはずです。
８０８６の場合には１６ビット（２バイト）を同時に読み書きしますが、その場合には偶数アドレス、奇数アドレスの並び順でアクセスされます。
ＡＭ１８８はデータバス幅が８ビットですから２回に分けて読み書きしますが、その場合も１６ビットの場合の読み書き順に従いますから、先に偶数アドレス（Ｆ７ＦＥ）にアクセスしていると考えられます。
スタックＰＵＳＨ後の２７００ｎｓ近辺からはＴ５ＵＳサブルーチンの続きが読み込まれています。
８０１８、８０１９、８０１Ａ、８０１Ｂ、８０１Ｃです。
８０１Ｂ、８０１ＣはＪＮＺ　Ｔ５ＵＳ２ですが、今回のプログラムはＣＬに０１を入れていますから、ＤＥＣ　ＣＬでＺフラグが立つため、このＪＮＺ命令はスルーされることになります。


８０１ＤがＲＥＴですが「先読み」によって、次の８０１Ｅが無駄に読み込まれています。
そのあとスタックからリターン先アドレスがＰＯＰされていますが、順序はＰＵＳＨのときと同じでＦ７ＦＥ、Ｆ７ＦＦの順です。
そのあと８００Ｂが読み込まれています。


続いて８００Ｃ、８００Ｄ、８００Ｅ、８００Ｆが連続して読み込まれています。
８００ＦはＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳの第１バイトです。
その後でＯＵＴ命令が実行されています。
５９００ｎｓあたりでＰＲＯＢＥ０８〜１５（アドレスＡ０〜Ａ７）に８０が出力されていることで、それがわかります。


ＯＵＴ命令の実行後、６１００ｎｓあたりから８０１０、８０１１、８０１２までが連続して読み込まれています。
８０１０、８０１１はＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳの第２、第３バイトです。
８０１２はＣＡＬＬ　Ｔ５ＵＳのあとのＩＮＣ　ＡＬの第１バイトです。
ここで読んでも破棄されてしまいますから無駄な「先読み」です。
そのあと８０１７が読み込まれています。
８０１７はＴ５ＵＳサブルーチンの先頭バイトです。
まだＣＡＬＬ命令は実行されていませんが、これも「先読み」です。
７１００ｎｓあたりのところでリターン後のアドレスがスタックにＰＵＳＨされています。


スタックＰＵＳＨ後の７５００ｎｓ近辺からはＴ５ＵＳサブルーチンの続きが読み込まれています。
８０１８、８０１９、８０１Ａ、８０１Ｂ、８０１Ｃです。
８０１Ｂ、８０１ＣはＪＮＺ　Ｔ５ＵＳ２ですがＤＥＣ　ＣＬでＺフラグが立つため、このＪＮＺ命令はスルーされます。


８０１ＤがＲＥＴですが「先読み」によって、次の８０１Ｅも無駄に読み込まれています。
そのあとスタックからリターン先アドレスがＰＯＰされています。
そこでメインプログラムに戻って８０１２が読み込まれています。


８０１３、８０１４、８０１５、８０１６までが連続して読まれています。
８０１４、８０１５がＪＭＰ　ＬＯＯＰですが、次の８０１６が「先読み」されています。
ＪＭＰ　ＬＯＯＰはマシン語コードでは３バイトになっていますが、８０８６アセンブラの都合でそうなっているだけで、本当は２バイト命令です（前回［第５４回］参照）。
そのあと８００４が読み込まれました。
この次の１０８００ｎｓの８００５の読み込みのところで、ロジアナの先頭の記録に一致します。
スタートが２００ｎｓですから、ここまで一回のループが１０６００ｎｓです。
［第５３回］のオシロスコープでの観測結果（４．８μｓ＋５．８μｓ）とぴったり一致しました。

今回のロジアナでの記録を読むことで、以下のことが明らかになったと思います。
途中何回かの「先読み」ロスが発生していることで、計算上のクロック数よりも実際の実行クロック数のほうが多くなるということと、基本的にメモリからの読み込み時間（１回４クロック）がネックになっていて、内部でのトータルの実行クロック数が計算上はいくら短くても、必要なメモリからの総読み込みクロック数を下回ることはできないということです。

１６ビットマイコンボードの製作［第５５回］
２０１８．７．１３ｕｐｌｏａｄ

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