標準ＴＴＬだけ（！）でCPUをつくろう！（組立てキットです！）
(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１９８回］

●ＡＤＤ、ＳＵＢ、ＣＭＰ命令の回路の説明（キャリーフラグを中心に）

ＡＤＤ〜ＣＭＰ命令の回路の説明は、［第１９１回］で、その中心になる加算回路の回路図や、タイミングチャートなどをお見せして、概略の説明をしました。
加算回路は４ビットのアダー（７４ＨＣ２８３）を２個使えば簡単にできてしまいます。
ところが簡単ではないのは、キャリーフラグの処理です。

減算命令のＳＵＢは、引く数を「１の補数」とキャリーフラグに置き換えて、加算に直すことで、加算回路をそのまま利用することができます。これは［第１９３回］と［第１９４回］で説明しました。

下位桁からのボローを含めて減算するＳＢＢ命令では、引く数を「１の補数」に置き換えて加算に直すところまではＳＵＢ命令と同じですが、ボローがあるときと無いときで、ボロー（キャリーフラグ）の状態を反転させて加算する、という説明を［第１９６回］と［第１９７回］でしました。

加算命令のＡＤＤは、キャリーフラグを無視して、足される数と足す数だけの加算を行いますが、ＡＤＣ命令は下位桁からのキャリーを含めて加算を行います。
ＡＤＤ命令もＡＤＣ命令も、加算の結果、上位桁への桁上げ（キャリー）が発生したときは、キャリーフラグをセットし、キャリーが発生しなかったときは、キャリーフラグをクリアします。
このあたりの説明は［第１９２回］でしています。

減算命令のＳＵＢやＳＢＢも、減算の結果、上位桁へのボローが発生したときは、キャリーフラグをセットし、ボローが発生しなかったときには、キャリーフラグをクリアします。
しかし、減算命令は引く数を「補数」に変換することで、減算を加算に直して計算するため、キャリーフラグのセット、リセットの仕方が、ＡＤＤ、ＡＤＣ命令のときとでは、逆になります。
ＳＵＢやＳＢＢ命令では、「補数」を使った加算の結果、上位桁への桁上げが発生したときは、キャリーフラグをクリアし、桁上げが発生しなかったときは、逆にキャリーフラグをセットします。
このあたりについては［第１９４回］で説明しました。

加算命令（ＡＤＤ、ＡＤＣ）も減算命令（ＳＵＢ、ＳＢＢ）も、同じ加算回路を使いますが、計算前のキャリーフラグを加算に加えるか、加えないかの区別があって、それが加算命令と減算命令では加え方が異なります。
また計算の結果、上位桁へのキャリーが発生した場合と、しなかった場合のキャリーフラグのセット、リセットの仕方も、加算命令と減算命令では逆になります。
そのキャリーフラグの交通整理をしているのが、［第１９１回］の回路図にある、７４ＨＣ１５７の回路です。

７４ＨＣ１５７の回路は、７４ＨＣ２８３（ａｄｄｅｒ）に加えるキャリーと、加算の結果発生するキャリーの両方の交通整理をしています。
順番に見ていくことにします。

７４ＨＣ１５７はＡ入力とＢ入力をセレクト端子（ｐｉｎ１）の状態によって選択してＹに出力します。
ｐｉｎ１がＬのときにＡ入力がＹに出力され、ｐｉｎ１がＨのときにＢ入力がＹに出力されます。
７４ＨＣ１５７には、このＡ、Ｂ、Ｙの選択回路が４組はいっています。

●キャリー無し加算、減算のためのＣ０入力

まず、３Ａ、３Ｂ、３Ｙについて説明します。
４組のＡ、Ｂ入力の選択は全て同じｐｉｎ１のＨ、Ｌによって行われます。
ｐｉｎ１には、ＯＰコードのビット４（ＯＰ４）が入力されています。
加算命令、減算命令のＯＰコードは、［第１７９回］と［第１９１回］にありますが、またまた時間がたってしまいましたから、もう一度お見せして説明することにします。

ＡＤＤ、ＡＤＣ、ＳＵＢ、ＳＢＢ、ＡＮＡ、ＸＲＡ、ＯＲＡ、ＣＭＰは、命令コードの上位２ビットが１０の命令群です。

ニーモニック	命令コード
ＡＤＤ	10 000 sss
ＡＤＣ	10 001 sss
ＳＵＢ	10 010 sss
ＳＢＢ	10 011 sss
ＡＮＡ	10 100 sss
ＸＲＡ	10 101 sss
ＯＲＡ	10 110 sss
ＣＭＰ	10 111 sss

ｓｓｓはレジスタＡ〜Ｌ、Ｍ（メモリ）を示す、０００〜１１１の値

ＡＤＤ〜ＣＭＰは、さらに、命令コードのＯＰ５〜ＯＰ３の３ビットによって選択されます（上の着色した部分の命令）。

レジスタではなくて、定数とＡレジスタの間の演算をおこなう、ＡＤＩ、ＡＣＩ、ＳＵＩ、ＳＢＩ、ＣＰＩ命令は、上位２ビットが１１で、かつ下位３ビットが１１０の命令群です。

ニーモニック	命令コード
ＡＤI	11 000 110
ＡＣI	11 001 110
ＳＵI	11 010 110
ＳＢI	11 011 110
ＡＮI	11 100 110
ＸＲI	11 101 110
ＯＲI	11 110 110
ＣＰI	11 111 110

ＡＤＩ〜ＣＰＩが、命令コードのＯＰ５〜ＯＰ３の３ビットによって選択されることは、ＡＤＤ〜ＣＭＰと同じです。

上の表の、命令コードを見ると、ビット４（ＯＰ４）が０はＡＤＤ、ＡＤＣ、ＡＤＩ、ＡＣＩの加算命令で、ビット４が１はＳＵＢ、ＳＢＢ、ＳＵＩ、ＳＢＩの減算命令と、ＣＭＰ、ＣＰＩの比較命令になっていることがわかります。

ＣＭＰ、ＣＰＩ命令については、いままで説明をしてきませんでした。
ＣＭＰ、ＣＰＩ命令は、ＳＵＢ、ＳＵＩ命令と同じ動作をします。
ＣＭＰ、ＣＰＩ命令は、Ａレジスタとレジスタ、定数との大小を比較する命令ですが、その方法は減算命令と同じで、Ａレジスタからレジスタ、定数の値を減算し、その結果によって、Ｓ（サイン）フラグ、Ｚ（ゼロ）フラグ、Ｃ（キャリー）フラグ、Ｈ（ハーフキャリー）フラグをセット、リセットすることで、大小の比較の結果を示します。
減算命令と異なっているのは、減算の結果のフラグのみ変化させ、結果の値は捨ててしまってＡレジスタを変化させない、という点だけです。
ですから、ＣＭＰ、ＣＰＩ命令は、最後の計算結果をＡレジスタに格納する、という部分を除いてその他のところはＳＵＢ、ＳＵＩ命令と同じ回路でよいことになります。

上の表で着色されていない、論理演算命令（ＡＮＡ、ＯＲＡ、ＸＲＡ、ＡＮＩ、ＯＲＩ、ＸＲＩ）が実行されるときにも、加算回路が動作して、キャリーを含めた加算が行われます。
しかしその加算は意味のないものです。
論理演算命令の回路では、最後の加算結果をＡレジスタに格納したり、加算結果によってフラグの状態を変化させたりする回路はアクティブになりませんから、支障はありません。

さて、説明をもとにもどして、７４ＨＣ１５７の３Ａ、３Ｂ入力、３Ｙ出力の続きです。
７４ＨＣ１５７のｐｉｎ１がＬ（０）のときにＡ入力がＹに出力され、Ｈ（１）のときにＢ入力がＹに出力されます。
ｐｉｎ１にはＯＰ４が入力されます。
加算命令のＯＰ４は０で、減算命令のＯＰ４は１ですから、加算命令のときに３Ａ入力が３Ｙに出力され、減算命令のときに３Ｂ入力が３Ｙに出力されます。
［第１９１回］の回路図を見ると３ＡはＧＮＤに３ＢはＶｄｄに接続されています。
つまり加算命令のときには、３ＹからはＬが出力され、減算命令のときには、Ｈが出力されることになります。

●キャリー付加算、減算命令のためのＣ０入力

次に、４Ａ、４Ｂ入力、４Ｙ出力を見てみます。
４ＡにはＣＦ（キャリーフラグ）が接続され、４ＢにはＣＦ（キャリーフラグ）をインバータ（７４ＨＣ０４）で反転した信号が入力されています。
加算命令のときには、４Ｙ出力はＣＦ（キャリーフラグ）と同じになり、減算命令のときには、４ＹはＣＦ（キャリーフラグ）を反転した出力になることがわかります。

その３Ｙ、４Ｙの出力の先は、７４ＨＣ０３と７４ＨＣ０４の各ゲートを通って、Ｄフリップフロップ７４ＨＣ７４のＤ入力につながっています。
ＯＰ３が０のときに３Ｙ出力が７４ＨＣ７４のＤ入力になり、ＯＰ３が１のときは、４Ｙ出力がＤ入力になります。

さきほどの加算命令、減算命令の表を見ると、計算前のキャリーを無視するＡＤＤ、ＡＤＩ、ＳＵＢ、ＳＵＩの各命令のＯＰ３は０で、キャリーを含めて計算するＡＤＣ、ＡＣＩ、ＳＢＢ、ＳＢＩの各命令のＯＰ３は１になっています。

７４ＨＣ１５７とその後ろのゲート回路によって、キャリー無し加算命令（ＡＤＤ、ＡＤＩ）のとき、７４ＨＣ７４のＤには０が入力され、キャリー無し減算命令（ＳＵＢ、ＳＵＩ）のとき、Ｄには１が入力されます。
キャリー付加算命令（ＡＤＣ、ＡＣＩ）のとき、ＤにはＣＦ（キャリーフラグ）の状態がそのまま入力されます。
キャリー付減算命令（ＳＢＢ、ＳＢＩ）のとき、ＤにはＣＦ（キャリーフラグ）を反転した値が入力されます。

ＣＭＰ、ＣＰＩ命令はキャリー無し減算命令と同じ動作になるはずですが、ＣＭＰ、ＣＰＩ命令のＯＰ３は１なので、キャリー付減算になってしまいます。
そこで、ＣＭＰ、ＣＰＩ命令のときは、ＯＰ４、ＯＰ３を使わないで、強制的に７４ＨＣ７４のＤ入力を１にします。

７４ＨＣ７４のＤ入力は、ＡＬＵのレジスタ”Ａ”に、Ａレジスタの値をロードするタイミングで、下位４ビットの加算器７４ＨＣ２８３のＣ０（キャリー入力）に出力されます。

●加算、減算実行後のキャリー出力回路

７４ＨＣ１５７の１Ａには、上位４ビットの加算器７４ＨＣ２８３のＣ４（上位桁へのキャリー出力）がそのまま入力され、１Ｂにはその反転信号が入力されています。
２Ａには下位４ビットの加算器７４ＨＣ２８３のＣ４（ビット３からのキャリー）がそのまま入力され、２Ｂにはその反転信号が入力されています。
先ほど説明した３Ｙ、４Ｙと同様に、加算命令、減算命令のＯＰ４によって選択された１Ｙ、２Ｙの状態は、計算の終りのタイミングに、ＣＦ（キャリーフラグ）セット、リセット信号およびＨＦ（ハーフキャリーフラグ）セット、リセット信号となって出力され、各フラグをセット、リセットします。
２００９．４．６ｕｐｌｏａｄ

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