(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１２３回］
●キーマトリクス回路の説明です
なんだかここのところ、ＣＰＵから離れて、本題からややずれたお話になってしまっています。
でも、乗りかかった船です。
もうしばらく脱線したままで行きたいと思います。
今回はキーマトリクス回路の説明です。
キーマトリクス回路は［第１２０回］で７ｓｅｇＬＥＤと一緒になった回路図をお見せしました。
でも、もう一度、キーマトリクス回路のみ切り取ってお見せします。
７ｓｅｇＬＥＤの表示回路は、ＲＡＭに置かれた表示データをＤＭＡ（ダイレクトメモリアクセス）という方法でＣＰＵの動作と並行して読み出して、ダイナミック表示を行うというものでした。
しかし、キー入力回路は、プログラムでアクセスしたときだけ、どのキーが押されているか、という情報をＣＰＵに伝えます。
７ｓｅｇＬＥＤの表示は読んでいる途中で、勝手に消えてもらっては困りますから、ずっと消えないで表示している必要があります。
しかしキーからの入力は、人間が操作したときだけ、そのことをＣＰＵに伝えればよいのですから、キー入力回路は、勝手に動作するのではなくて、プログラムによってアクセスするような回路になっています。
ではどうやってキーが押されたことを認識するのか、というと、ＯＵＴ命令とＩＮ命令を使って、どのキーが押されたかを知るように回路が組んであります。
回路図の左下の７４ＨＣ１３８の部分はアドレスデコーダ回路です。
アドレスの下位８ビット（本当はＡ７〜Ａ２の６ビット）から、ＩＮ、ＯＵＴ命令のためのＩ／Ｏアドレスをデコードしてセレクトされたラインをアクティブにします。
そういえば、７４ＨＣ１３８も何回か登場していますが、その動作については説明していなかったように思います。
自分ではずっと使っているいわば定番のＩＣばかりですから、つい説明することを忘れてしまいます。
●７４ＨＣ１３８のデータシート（部分）です
７４ＨＣ１３８とともに７４ＨＣ２３８もレジスタのセレクト回路やＣＰＵのマシンクロック（Ｔｎ、Ｍｎ）生成回路などで使いました。
７４ＨＣ１３８は選択された出力がＬになるのに対して、７４ＨＣ２３８はＨ出力になるというところが異なっていますが、その他の動作は全く同じです。
Ａ０〜Ａ２の３ビットの入力、０００〜１１１をデコードして、０〜７の８本の出力ラインのうちの一本を選択してアクティブにします。
いわゆる３ｔｏ８デコーダですが、７４ＨＣ１３８（７４ＨＣ２３８も同じ）の便利なところは、Ａ０〜Ａ２のほかに、負論理入力２本（Ｅ１、Ｅ２）と正論理入力１本（Ｅ３）の３入力を選択に加えることができるところです。
これをうまく利用すると、このＩＣ１個だけで、Ｉ／Ｏやメモリのセレクト回路ができてしまいます。
（真理表のＡ０にバーがついていますが、メーカーのミスプリントだと思います。Ａ０〜Ａ２は負論理入力ではありません）
７４ＨＣのデータシートで使われている端子名は、７４ＬＳで一般的だった端子名とは異なっているようです。
「つくるＣＰＵ」の回路図では以前からなじみのある端子名を使っています。
データシートと回路図で端子名が異なってしまうのも困ったものですが、余り名前にはとらわれずに、基本的な動作について理解するようにしてください。
データシートでＥ３、Ｅ２、Ｅ１、Ａ２、Ａ１、Ａ０とあるのは、回路図では、Ｇ１、Ｇ２Ｂ、Ｇ２Ａ、Ｃ、Ｂ、Ａに相当します。
キーマトリクス回路では、各端子に順にＡ７〜Ａ２を接続しています。
Ａ７＝１、Ａ６＝０、Ａ５＝０のときに、Ａ４〜Ａ２の３ビットをデコードした出力がアクティブになりますから、８本の出力線につながった回路は８Ｘと９Ｘのいずれかのアドレスが割り当てられることになります。
アドレスのＡ１、Ａ０はデコードされていませんから、たとえば８０Ｈでも８１Ｈでも、８２Ｈでも８３Ｈでも同じ出力ライン（Ｙ０）がアクティブになります。
キーマトリクス回路ではＹ７出力が、７４ＨＣ１７５のＣＫ入力と７４ＨＣ２４４のＧ入力につながっています。
Ｙ７は９ＣＨ〜９ＦＨのときにアクティブになります。
回路図をよく見ると、７４ＨＣ１７５に行くラインは、ＩＯＷＲとのＡＮＤをとった出力になっているのに対して、７４ＨＣ２４４のラインはＩＯＲＤとのＡＮＤをとった出力になっています。
ＩＮ命令とＯＵＴ命令が同時に実行されることはありませんから、このように同じＩ／Ｏアドレスに入力回路と出力回路を割り付けても問題はありません。
ＩＮとＯＵＴとで別のアドレスを割り付けた場合でも、必ずＩＯＲＤかＩＯＷＲとのＡＮＤをとるようにしなければなりません。
Ｉ／Ｏアドレスはアドレスバスの下位８ビットだけを使います。
上位８ビット（Ａ１５〜Ａ８）はデコードしていませんから、もしＩＯＲＤやＩＯＷＲでＡＮＤをとっていないままＩ／Ｏ回路のセレクトを行うと、メモリをアクセスしているのに、Ｉ／Ｏ回路まで誤ってセレクトされてしまいます。
実はこのことはメモリアドレスのデコード回路でも同じことが言えます。
メモリ回路で上位８ビットをフルデコードしていても、ＭＥＭＲＤ、ＭＥＭＷＲとともにメモリをアクセスするような回路にしておかないと、メモリをアクセスしていないのにメモリからデータバスにデータが出てきてしまう危険があります。
さて話しをもとに戻します。
７４ＨＣ１７５にはＤフリップフロップが４個入っています。ＣＫは共通です。
４個のＤフリップフロップのうち３個を３ビットのラッチとして使っています。
キーマトリクス回路では、まずキーの横のラインのどれかをＬにしておいてから、７４ＨＣ２４４に対してＩＮ命令を実行することで、どのキーが押されたかを知るように考えてあります。
ＩＮ命令が実行されるときまで、横のラインのどれかは必ずＬになっていなければなりませんから、ラッチが必要なのです。
７４ＨＣ２４４はＧがアクティブのときだけ、ゲートのＩＮとＯＵＴがつながります。
７４ＨＣ２４４は８ビットですから、８個のキーの情報しか読むことができません。
しかしキーをマトリクス状に配置して、横のラインでつなぐことによって、８個以上のキーの情報を読むことができるようになります。
横一列にならんだ８個のキーはデータバスのＤ０〜Ｄ７の各ビットに対応しています。
キーが押された位置に対応したビットのみ０になって読み出されるので、どのキーが押されたかがわかるのです。
７４ＨＣ１７５にはデータバスのＤ０〜Ｄ２がつながっています。
７４ＨＣ２４４に対するＩＮ命令にさきだって、７４ＨＣ１７５に対してＤ０〜Ｄ２のどれかだけが０になるようなデータをＯＵＴ命令で与えておくと、そのビットに対応する横のラインだけがＬレベルになるので、そのライン上に配置されたキーのみが押されたときに、７４ＨＣ２４４に入力される縦ラインをＬにします。
そこでまず７４ＨＣ１７５に対してＤ０のみを０にするようなデータ（たとえばＦＥＨ）を出力しておいて、７４ＨＣ２４４に対するＩＮ命令を実行します。
つぎにＤ１のみが０であるようなデータ（たとえばＦＤＨ）を７４ＨＣ１７５に出力しておいてから、７４ＨＣ２４４に対してＩＮ命令を実行します。
最後に、Ｄ２のみが０であるようなデータ（たとえばＦＢＨ）７４ＨＣ１７５に出力しておいてから、７４ＨＣ２４４に対してＩＮ命令を実行します。
このようにして得られる３組の８ビットデータの各ビットのどこが０になっているかを調べれば、どのキーが押されているかがわかります。
なお７４ＨＣ１７５の出力ラインにダイオードが入れてあるのは、縦ライン上のキーを同時に２個押したようなときに、出力同士がショートするのを避けるためです。
２００８．１２．８ｕｐｌｏａｄ
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