(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１３０回］
●メモリ（ＲＯＭとＲＡＭ）と入力スイッチの回路図です
ＲＯＭは８ビット３２ＫバイトのＵＶＥＰＲＯＭ（紫外線消去型リードオンリーメモリ）の２７Ｃ２５６を実装可能な配線にしました。
ＲＡＭは２７Ｃ２５６と同じ容量（８ビット３２Ｋバイト）の６２２５６型を使います。
６２２５６と言えば日立のＨＭ６２２５６が代表格でしたが、日立だけではなく、最近は国内のメーカーはどこも作っていないようです。
国内では製造していない、という点では２７Ｃ２５６も同じです。
今のところ、まだ何とか輸入品が入手できますが、さて、将来はどうでしょうか。
まことに心もとない気持ちです。
●ＲＯＭのアドレスとＲＡＭのアドレス
ＲＯＭのＣＥ（チップイネーブル）端子には、アドレスバスの最上位ビットＡ１５が直接つながっています。
Ａ１５＝０のときにＲＯＭがアクティブになります。
つまりＲＯＭのアドレスは００００〜７ＦＦＦの３２Ｋバイトです。
一方、ＲＡＭについては、回路図左端中ほどにある、ショートピンをアドレスバスの最上位ビットＡ１５の反転出力ラインとショートして、Ａ１５＝１のときにＲＡＭがアクティブになるようにします。
ＲＡＭのアドレスは８０００〜ＦＦＦＦの３２Ｋバイトになります。
当然のことながら、ＲＯＭにはあらかじめプログラムを書いておかなければ、何の役にも立ちません。
このＲＯＭには、とりあえずは、あとから追加した「ＴＫ８０」回路のためのモニタプログラムを入れる予定ですが、それはいわば応用で、今回の「つくるＣＰＵ」の機能としては必須のものではありません。
というわけで、ＲＯＭがなくても、ＲＡＭだけでも使えるように考えてあります。
ＣＰＵはアドレスの００００番地からスタートします。
ＲＯＭとＲＡＭを実装する場合には、００００番地は必ずＲＯＭに割り当てます。
その回路のままでは、ＲＯＭを外したら、ＣＰＵは動いてくれません（ＲＡＭアドレスは８０００〜ＦＦＦＦ）。
そこで、ＲＡＭだけの場合には、さきほどのショートピンをＧＮＤ側にショートして、ＲＡＭのＣＥ端子を常時アクティブにします。
こうすることで、アドレスに関係なく、どのアドレスでもＲＡＭが選択されることになります。
ＲＯＭとＲＡＭをともに実装する場合には、ＲＯＭもＲＡＭも３２Ｋバイトですから、合計するとちょうど６４Ｋバイトになって、００００〜ＦＦＦＦの全アドレスをカバーします。
しかしＲＡＭだけだと半分の３２Ｋバイトしかカバーできません。
００００番地は必須なので、ＲＯＭと同じようにＣＥにＡ１５を接続して、００００〜７ＦＦＦの範囲を割り当てるということもできます。
それでもよいのですけれど、するとＲＡＭだけのときに作ったプログラムは、将来ＲＯＭを実装したときには、ＲＡＭ上では使えなくなってしまいます（ワークエリア、スタック領域やジャンプ先、ＣＡＬＬ先アドレスなどを、００００〜７ＦＦＦの範囲から、８０００〜ＦＦＦＦの範囲に直さなければならない）。
また、プログラムは将来ＲＯＭ化したいので００００〜７ＦＦＦに置きたいけれど、ワークエリアなどは８０００〜ＦＦＦＦのＲＡＭエリアに置きたい、ということもあると思います。
ＲＡＭのＣＥをＧＮＤにショートして、Ａ１５が０でも１でも、同じＲＡＭがアクセスされるようにしておくことで、そのような目的にも利用することができるようになります。
図右のように、００００〜７ＦＦＦに実装されている（と限定してしまうのはおかしいのですが）ＲＡＭが、別のアドレス（８０００〜ＦＦＦＦ）でもアクセスできる場合、８０００〜ＦＦＦＦは００００〜７ＦＦＦのイメージとしてアクセスされている、という言い方をします。
この場合には、図のように、Ａ１５（アドレスの最上位ビット）が異なっているだけで、残りは同じであるようなアドレス（たとえば７８９Ａ番地とＦ８９Ａ番地）は、同じ領域がアクセスされることに注意しなければなりません。
７８９Ａ番地を含む範囲にプログラムがあって、そのプログラムがデータエリアとしてＦ８９Ａ番地を書きかえるようなプログラムを書くと、自分で自分自身のプログラムを破壊してしまいます。
●プログラム＆データ入力スイッチ
「ＴＫ８０」回路用のモニタＲＯＭを実装すれば、ＲＡＭにプログラムやデータを書くために、５×５個のキースイッチを利用して、１６進数（０〜Ｆ）で入力することができます。
しかしＲＡＭだけしかない場合には、そんな器用なことはできませんから、ＣＰＵをホールトさせておいて、アドレスもデータも全部２進数で入力しなければなりません。
さきほどの回路図の下部にズラリと並んでいるのが、そのスイッチです。
コストを押さえるために、アドレスの上位ビット、Ａ１５〜Ａ４はディップスイッチにしてあります。
アドレスのＡ３〜Ａ０と、データバスのＤ７〜Ｄ０にはトグルスイッチを使います。
このスイッチでアドレスとデータをセットしておいて、この回路図にはありませんが、メモリＷＲＩＴＥ用のプッシュスイッチを押すことで、ＲＡＭにプログラムやデータを書き込みます。
スイッチのＧＮＤ側はトランジスタのコレクタにつながっています。
ＲＡＭに書き込むときには、スイッチが必要ですが、プログラムをＣＰＵが実行するときには、スイッチが邪魔になります。
スイッチが直接ＧＮＤにつながっていると、スイッチが１個でもＯＮになっているままで、プログラムをＣＰＵが実行しようとしても、アドレスでもデータでも、スイッチがＯＮになっているビットはつねに”０”のままなので、ＣＰＵが誤動作してしまいます。
そうならないように、ＲＡＭに直接スイッチからプログラムやデータを書き込む場合、別のスイッチでＣＰＵをホールトさせますが、そのスイッチがＯＮのときだけ、このトランジスタがＯＮになってアドレス、データ入力用のスイッチが有効になるようにしてあります。
●せっかくなので、ＲＡＭはバックアップしておきたい…
いいかげんにしておかないといけないのですけれど、あれも、これもと、どんどん追加していきたくなってしまいます。
ですけれど、できれば、やっぱりこれは、つけておきたい、です。
せっかく苦労してＲＡＭにデータやプログラムを書いておいても、電源を切ると全部消えてしまいます。
ＲＳ２３２Ｃの機能ものせるつもりですが、ＰＩＣと交信するためにもプログラムが必要です（このプログラムのことを、「イニシャルローダ」とか「ブートローダ」などといいます）。
電源を入れるたびに毎回、スイッチをパチパチやるのは大変です。
「ＴＫ８０」は、２進コードではなくて、１６進数で入力できるだけ、はるかに楽だったはずなのですが、それでも長いプログラムになると毎回書き込むのは大変だったと思います。カセットテープレコーダを利用したとしても、なにしろ１１０ボーなのですから、やっぱり、大変だったでしょう。
で、「ＴＫ８０」のマニアルには、乾電池でＲＡＭをバックアップする方法が記載されていました。
「乾電池を電源と並行につないでおけば、いいだろう」って、そんな簡単なわけにはいきません。
上図（１）は、電源とバックアップ用のバッテリを単純に接続した例です。これがまずいことはすぐにおわかりのことと思います。
電源（Ｖｃｃ）は＋５Ｖですが、通常バックアップ電源はそれよりも低い（ＣＭＯＳ・ＲＡＭのデータ保持電圧は２Ｖ程度）ので、すると５Ｖからバッテリへ「充電電流」が流れてしまいます。
乾電池の種類によっては、発熱とか破裂の危険がありますから、これはいけません。
それにＶｃｃがバッテリ電圧に引っ張られてＶｃｃ電圧が低下してしまいます（当然その分、過電流が流れて危険です）。
そこで図（２）のように、Ｖｃｃからバッテリへの電流を阻止する向きにダイオードを入れることが必須になります。
そのようにダイオードを入れておけば、危険だけは回避できますが、まだ問題は残ります。
図（３）のように、電源がＯＦＦになると、バッテリからＲＡＭへ、データ保持電流が流れます。
このとき、もし電源（Ｖｃｃ）側になにもないと、バッテリからＲＡＭに保持電流が流れるだけではなくて、Ｖｃｃのラインを通じて、全回路にバッテリから電気が供給されてしまいます！
そんなことなら、最初から電源を使わないで、全部バッテリで駆動した方が手っ取り早いことになります（今回の「つくるＣＰＵ」の回路の場合、それはいくらなんでも、ムリでしょう）。
そのようなことにならないためには、図（４）のように、もう１本、電源側にもダイオードが必要になります。
●ＲＡＭのバックアップはＣＥの禁止が必要
そのように、ダイオードをラインに入れることで、電源とバッテリの関係はうまくいきます。
しかし、それだけでは、まだ足りません。
バッテリのバックアップ時には、ＲＡＭのＣＥ（チップイネーブル）を禁止しておく必要があります。
８０８０は＋５Ｖだけではなくて、＋１２Ｖや−５Ｖの電源が必要だったため、なかなかに大変でした。
Ｚ８０は＋５Ｖ単一電源動作になったため、電源の負担はずっと減りました。
それでも電源電圧が＋５Ｖを大きく割り込むと、正常に動作できなくなります（昔のＺ８０のマニアルにはＶｃｃ＝５Ｖ±５％と書いてあります）。
電源のＯＮ／ＯＦＦ時にＣＰＵがＲＡＭに誤アクセスしてデータを壊してしまう可能性があります。
そのようなことがないように、電源のＯＮ／ＯＦＦ時の過渡的な電圧のときにＲＡＭのＣＥを禁止して、ＣＰＵからのアクセスを無効にしておく必要があります。
なお、今回の「つくるＣＰＵ」の回路はＣＭＯＳですから、だいたい＋２Ｖ近くまで動作するはずです。
とは言っても２Ｖ近くまで水晶発振が維持できるかわかりませんし、電源電圧が２Ｖ以下になれば、まともに動作しなくなる点では、Ｚ８０などのＣＰＵと同じことが言えます。
ＴＫ８０のマニアルを見ますと、ＲＡＭのＣＥにプロテクトスイッチがついていて、バッテリバックアップを行うときには、電源ＯＦＦに先だって、ＣＰＵが暴走しないように、まずリセットスイッチを押しながら、プロテクトスイッチをＯＮにするように、と書いてあります。
そうしておいてから、電源を切ります。
電源ＯＮのときには、先に電源を投入してから、リセットスイッチを押しながら、プロテクトスイッチを解除します。
うーん。実に、面倒くさい！
●プロテクトスイッチの代わりに、トランジスタを使います
今回の「つくるＣＰＵ」のＲＡＭバックアップ回路では、もっとスマートに（なんたって「電子回路」なのですから）、スイッチなどを使わないで、オートマチックにやってしまいます。
上の回路図から、その部分だけ取り出して、再掲します。
トランジスタとバスバッファ７４ＨＣ１２６を使います。
７４ＨＣ１２６は３ステートのバスバッファで、今回の「つくるＣＰＵ」の回路でもたくさん使っています。
図の１ｐｉｎをＨにすると、ゲートの入力信号がそのまま出力されますが、１ｐｉｎをＬにすると、出力はハイインピーダンスになります。
７４ＨＣ１２６は１４ｐｉｎのＩＣに４ゲート入っていますが、そのうちの１ゲートを使います。
この７４ＨＣ１２６はＲＡＭのＣＥをしっかりガードしなくてはいけませんから、電源はＲＡＭのバックアップ電源（Ｂ＋）につなぎます。「つくるＣＰＵ」のボードの中で、ＲＡＭと、この７４ＨＣ１２６だけが、バッテリによってバックアップされることになります。
７４ＨＣ１２６のゲートをＯＮ／ＯＦＦする役目を担うのが、その上にあるトランジスタ（ＰＮＰ型、２ＳＡ１０１５など）です。
このトランジスタの目的は、電源電圧が一定電圧（３〜４Ｖ）以下になったら、７４ＨＣ１２６をＯＦＦにすることです。
一般にシリコントランジスタのベース・エミッタ間電圧（ＶＢＥ）は約０．６Ｖで一定になることがよく知られています（昔よく使われたゲルマニウムトランジスタは違います）。
この値は温度によって変化しますが、今回のようにアバウトな値でよいような目的には、この上なく重宝します。
制御出力つきのツェナーダイオード、といった感じです。
回路の動作を説明しましょう。
Ｖｃｃが＋５Ｖのときは、トランジスタのエミッタからベースを通って、抵抗の４．７ＫΩを経由して、ＧＮＤにベース電流が流れます。
そのため、エミッタ・コレクタ間が導通するので、７４ＨＣ１２６の１ｐｉｎはＨ（＋５Ｖ）になり、ゲートはＯＮになります。
しかし回路をよく見ると、トランジスタのベースには４．７ＫΩだけではなくて、それと１ＫΩでＶｃｃとＧＮＤ間を分圧したものがベースにつながっています。
トランジスタのベース・エミッタ間の抵抗値は小さいので、１ＫΩをショートするように働きます。
別の見方からすれば、ベース電流が４．７ＫΩに流れることで、４．７ＫΩと１ＫΩの接合点の電位が押し上げられる、とも言えます。
そのようになった結果、ベース電位がＶｃｃに接近してしまうと、シリコントランジスタは動作しなくなってしまいます（エミッタ・ベース間に０．６Ｖ以上の電圧が必要です）。
すると、ベース電流が流れなくなり、ベース電位は低くなります。
そこでちょうどエミッタ・ベース間が０．６Ｖになるところで回路が安定することになります。
ところで、Ｖｃｃがどんな値でも、エミッタ・ベース間電圧は０．６Ｖになるか、というと、そんなことはありません。
上の理屈から、トランジスタが完全にＯＦＦでベース電流が全く流れない状態のときの、ベース電位が一番低く（つまりエミッタ・ベース間電圧が最大）、その値はＶｃｃを１ＫΩと４．７ＫΩで分圧したものになります。
ベース電流が流れれば流れるほど、ベース電位は高く（エミッタ・ベース間電圧は小さく）なります。
ということは、Ｖｃｃを１ＫΩと４．７ＫΩで分圧して得られる値とＶｃｃの差が０．６Ｖ以下になってしまうようなＶｃｃになると、もはやシリコントランジスタは機能せず、したがって７４ＨＣ１２６ゲートはＯＦＦになります。
このときのＶｃｃの値（Ｖｏｆｆとします）を計算で求めることは、ちょっと難しそうです。
トランジスタが完全にＯＦＦになっている、という仮定なら、計算することができます。
０．６：Ｖｏｆｆ＝１：（１＋４．７）ですから、
Ｖｏｆｆ＝０．６×５．７＝３．４２Ｖ
ところが、少しでもベース電流が流れてしまうと、トランジスタのエミッタ・ベース間抵抗が１ＫΩと並列につながっていることになるので、１ＫΩよりも小さい値になってしまいます。
さらに、この値は温度によっても影響を受けるでしょうし、抵抗の誤差も関係してきます。
もうひとつ、別のファクターも考慮する必要があります。
Ｖｃｃが低くなるにつれて、７４ＨＣ１２６の電源電圧も低くなります（ここにはＢ＋が供給されますが、Ｖｃｃがうんと低くなってバッテリに切り換わるまでは、Ｖｃｃ−ダイオードの電圧降下（０．６Ｖ）です）。
Ｖｃｃが低くなると、スレッショルド電圧（Ｖｃｃの２分の１）も低くなります。
トランジスタはいきなりＯＦＦになるのではなくて、過渡的な傾きを持ってＯＦＦになっていきます。
このトランジスタの動作とＶｃｃが低下していくなかでの、７４ＨＣ１２６をＯＦＦするための１ｐｉｎ入力のスレッショルド電圧の低下の関係は、うーん、ちょいと複雑で、よく、わかりません。
わからないときは、試してみることが一番です。
簡単な回路を作って実験してみた結果、Ｖｃｃが３．５Ｖ以下になるあたりで、７４ＨＣ１２６ゲートの出力が影響を受け始め、３Ｖぐらいでゲート出力がＯＦＦになりました。
案ずるより産むが易しです。
７４ＨＣ１２６の出力がハイインピーダンスになると、そのラインは抵抗でＢ＋にプルアップしてありますから、ＲＡＭのＣＥがＨになって、ＲＡＭへのアクセスが無効になります。
２００８．１２．２２ｕｐｌｏａｄ
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