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１５７回］

●タイマールーチンをつくりました

ＣＰＵのクロックは大抵は水晶発振です。正確な周波数のクロックが得られます。
これを利用しない手はありません。
といっても、ＢＡＳＩＣやＣではそれほど正確なタイマールーチンを作ることはできません。
ここはマシン語（アセンブラも同じ）の独壇場です。

今回はＮＯＰの利用例として、タイマールーチンを作ってみました。
実行時間が０．５秒のサブルーチンです。
テストプログラムの動作を確認するのに、０．５秒程度の周期でＬＥＤ表示が点滅するようにできれば、便利かなあ、と思ったからです。
また、正確なパルス出力などにも応用できます。

ＣＰＵクロックが２ＭＨｚと非常に速いので、いきなり０．５秒を作るのは、ちょっと面倒です。
まずは２．５ｍｓのタイマールーチンを作って、それを２００回ＣＡＬＬすることで目的の０．５秒のサブルーチンを作ります。
2段階サブルーチンです。

●２．５ｍｓのタイマールーチン

００４０　Ｆ５　　　　　　　ＰＵＳＨ　ＰＳＷ　（４）
００４１　３ＥＦ６　　　　　ＭＶＩ　Ａ，Ｆ６　　（３）
００４３　３Ｄ　　　　　　　ＤＣＲ　Ａ　　　　（４）
００４４　Ｃ２４３００　　　ＪＮＺ　００４３　（６）　ｏｒ　（４）
００４７　００　　　　　　　ＮＯＰ　　　　　　（２）
００４８　００　　　　　　　ＮＯＰ　　　　　　（２）
００４９　００　　　　　　　ＮＯＰ　　　　　　（２）
００４Ａ　００　　　　　　　ＮＯＰ　　　　　　（２）
００４Ｂ　Ｆ１　　　　　　　ＰＯＰ　ＰＳＷ　（４）
００４Ｃ　Ｃ９　　　　　　　ＲＥＴ　　　　　　（４）

命令の後ろの（　）はその命令の実行時間です（単位μｓ）。
「つくるＣＰＵ」のＣＰＵクロックは２ＭＨｚですから、１マシンクロックは０．５μｓです。
各命令のクロック数に０．５μｓを掛けたものが、その命令の実行時間になります。
命令のクロック数はタイミングチャートを見ればわかります。

ＩＮＲ　ｒ／ＤＣＲ　ｒ命令のクロック数（および命令実行時間）は［第１４８回］で説明しました（ＩＮＲ／ＤＣＲ命令の詳しい説明は［第５９回］にあります）。
ＤＣＲ　ＡはＡレジスタの値を−１します。
結果が００のときにＺフラグが立ちます。また結果の正負によってＳ（サイン）フラグがＯＮ／ＯＦＦします。

ＪＮＺ命令についても、同じく［第１４８回］で説明しています（ＪＮＺ命令の詳しい説明は［第６１回］、［第６３回］にあります）。
Ｚフラグが立っていなければ、指定したアドレスにジャンプします。
Ｚフラグが立っているときは、何もしないで、その次の命令に行きます。

ＲＥＴ命令は［第１５４回］で説明しました（ＲＥＴ命令の詳しい説明は［第９８回］にあります）。
このサブルーチンがＣＡＬＬされた、もとのルーチンに戻ります。
動作としては、スタックから戻り先アドレスを取り出してＰＣ（プログラムカウンタ）にセットします。

ＮＯＰ命令は前回説明しました。
何もしないで、次の命令に行くという命令です。
クロック数は４クロックです。ですから実行時間は２μｓになります。
ちなみに８０８０での、ＮＯＰ命令のクロック数も４クロックです。

ＰＵＳＨ　ＰＳＷ命令の説明は［第６９回］にあります。
ＡレジスタとＦ（フラグレジスタ）をスタックに格納します。
スタックについては［第６７回］で説明をしています。
クロック数は８クロックです。実行時間は４μｓになります。
８０８０のＰＵＳＨ命令のクロック数は１１クロックです。

ＰＯＰ　ＰＳＷ命令の説明は［第７０回］にあります。
ＰＵＳＨ　ＰＳＷ命令と逆の動作をします。
スタックから取り出した２バイトの値をＦ（フラグ）レジスタとＡレジスタに格納します。
クロック数は８クロックです。実行時間は４μｓになります。
８０８０のＰＯＰ命令のクロック数は１０クロックです。

ＭＶＩ　Ａ命令の説明は［第４９回］にあります。
この命令に続く１バイトの定数値をＡレジスタに格納します。
クロック数は６クロックです。実行時間は３μｓになります。
８０８０のＭＶＩ　ｒ命令のクロック数は７クロックです。

●２．５ｍｓタイマールーチンの説明

このルーチンはＡレジスタを一定回数ダウンカウントすることで、そのトータル実行時間が２．５ｍｓになるようにしています。
ＰＵＳＨ　ＰＳＷとＰＯＰ　ＰＳＷは、このルーチンがＣＡＬＬされることによって、Ａレジスタ（およびフラグレジスタ）の値や状態を壊してしまわないために、一時的にスタックに退避させるために使っています。
ＰＵＳＨ命令とＰＯＰ命令は、このプログラムのように、そのレジスタの値を一時的に保存しておきたいときに使うのが、一般的な使い方です。

ＭＶＩ　Ａ，Ｆ６でＡレジスタにＦ６をセットしたあとで、ＤＣＲ　ＡとＪＮＺ　００４３を実行します。
Ｆ６は十進数では２４６です。
ＤＣＲ　Ａ命令でＡレジスタの値を−１します。結果が００になるまでは、ｎｏｔ　Ｚ（ｚｅｒｏ）ですから、次のＪＮＺ命令で、またＤＣＲ　Ａに戻って、−１されるという動作が繰り返し実行されます。

ＤＣＲ　ＡとＪＮＺが２４６回、繰り返し実行されますから、ここの実行時間は、
（４＋６）×２４６＝２４６０μｓ
になる、と思ってしまいますが、最後の１回はＤＣＲ　Ａの結果、Ａ＝００になってＺフラグが立ちますから、ＪＮＺ命令は条件が不成立になります。このときだけは、指定アドレスにジャンプしないで、次の命令に進みます。実行時間も条件成立時の６μｓよりも２μｓ短い４μｓです。
ですからその分を引いて、
２４６０−２＝２４５８μｓになります。

その他の命令は１回実行されるだけですから、それぞれの実行時間を加算したものが、このサブルーチンの実行時間になります。
４＋３＋２４５８＋２＋２＋２＋２＋４＋４＝２４８１μｓ

２．５ｍｓルーチンなのですが、計算した結果は２５００μｓに足りません。
これは、最終的に０．５秒を作るためのパーツなので、０．５秒サブルーチンが２．５ｍｓルーチンをＣＡＬＬするときにかかる時間を考慮しているためです。

●０．５ｓｅｃのタイマールーチン

００３０　Ｆ５　　　　　　　ＰＵＳＨ　ＰＳＷ　（４）
００３１　３ＥＣ８　　　　　ＭＶＩ　Ａ，Ｃ８　　（３）
００３３　ＣＤ４０００　　　ＣＡＬＬ　００４０　（９＋２４８１）
００３６　３Ｄ　　　　　　　ＤＣＲ　Ａ　　　　　（４）
００３７　Ｃ２３３００　　　ＪＮＺ　００３３　　（６）　ｏｒ　（４）
００３Ａ　Ｆ１　　　　　　　ＰＯＰ　ＰＳＷ　　（４）
００３Ｂ　Ｃ９　　　　　　　ＲＥＴ　　　　　　　（４）

プログラムの動作は２．５ｍｓルーチンとほとんど同じです。

ＣＡＬＬ命令は［第１５４回］で説明しました（ＣＡＬＬ命令の詳しい説明は［第９７回］にあります）。
指定したアドレスから始まるサブルーチンをＣＡＬＬします。
ＣＡＬＬ命令の実行時間は９μｓですが、ＣＡＬＬされるサブルーチンの実行時間も加算しなければなりません。
ＣＡＬＬされる２．５ｍｓサブルーチンの実行時間は２４８１μｓですから、それとＣＡＬＬ命令自身の９μｓを加算すると、２４９０μｓになります。

ＣＡＬＬ命令の次にはＤＣＲ　Ａ命令があって、さらにその次にはＪＮＺ命令があります。
ＤＣＲ　Ａの結果が００になるまでの間は、００３３に戻ってまたＣＡＬＬ命令とＤＣＲ　Ａ命令とそしてＪＮＺ命令がが繰り返し実行されます。
CALL命令とＤＣＲ　Ａ命令とＪＮＺ命令が１回実行されるときにかかる時間は、
２４９０＋４＋６＝２５００μｓ
ちょうど２．５ｍｓです。

Ａレジスタには、ＭＶＩ　Ａ，Ｃ５命令で、Ｃ８（十進数の２００）が入れられますから、２００回のループでは、２．５×２００＝５００ｍｓの実行時間となります。
厳密には、ＪＮＺ命令の最後の１回分の−２とＰＵＳＨ　ＰＳＷ、ＰＯＰ　ＰＳＷ、そしてＭＶＩ　Ａ，Ｃ５とＲＥＴの分の実行時間を加減算すると、この０．５ｓｅｃサブルーチンは
５００−０．００２＋０．００４＋０．００４＋０．００３＋０．００４＝５００．０１３ｍｓ
になります。
さらにこの０．５ｓｅｃサブルーチンもメインルーチンからＣＡＬＬされるのですから、そのＣＡＬＬ命令の分も加算すると、正確な実行時間は５００．０２２ｓｅｃになります。

しかし、ここでは、とりあえずは、プログラムサンプルとして、正確な２．５ｍｓサブルーチンを作り、そしてそれをＣＡＬＬして作る、ほぼ正確な０．５ｓｅｃサブルーチンの例をお見せすることが目的ですので、最終的な５００ｍｓの正確さについては、問わないことにします。

●タイマールーチンでのＮＯＰ命令の働き

２．５ｍｓサブルーチンをＣＡＬＬするときに、そのサブルーチン本体の実行時間以外に、ＣＡＬＬ命令とＤＣＲ　Ａ命令とＪＮＺ命令の実行時間が余分にかかることを説明しました。
１回について、４＋９＋６＝１９μｓです。

２．５ｍｓサブルーチンはＮＯＰ命令４回を含めて２４８１μｓなので、それに１９μｓを加算するとちょうど２５００μｓになります。
では、ＮＯＰ命令を使わないことにしたら、どうなるでしょうか。

ＮＯＰ命令は２μｓです。それを４回実行していますから、ＮＯＰ命令の分の実行時間は合計８μｓです。
これを使わないことにしますから、２４８１−８＋１９＝２４９２μｓになって、８μｓ足りません。
ループ回数を１回増やして、MVI　Ａ，Ｆ７にしてみたら、どうでしょうか？

ＤＣＲ　ＡとＪＮＺが１回増えることで、実行時間は４＋６＝１０μｓ増加します。
２４９２＋１０＝２５０２μ
になって、２μｓオーバーしてしまいます。

このように、必要な命令の組み合わせだけでは、必要な実行時間を正確に作り出せないときに、ＮＯＰ命令が時間調節のためのダミー命令として使われます。
なお、ＮＯＰ命令の実行時間は２μｓなので、１μｓ単位の調節には、そのままでは使うことはできません。
そのような場合には実行時間が奇数μｓであるような命令を組み合わせて、ダミー時間を作り出すなどの工夫が必要になります。

アランブラと違って、マシン語のプログラムは、一度書いたプログラムの変更には困難を伴います。
間に命令を挿入するのは最も困難で、通常は別の空きアドレスへのＪＭＰ命令で対処します。
逆に途中の命令を削除するような場合に、それが数バイト程度の削除ならば、不要になった命令をＮＯＰで置き換えることで、実質的に削除したと同じ効果を得ることができます。
マシン語プログラムの場合には、そういう目的でも、ＮＯＰ命令はしばしは用いられることの多い命令です。

以上の説明のように、ＮＯＰ命令はそれそのものが、いわばムダであることが明白な命令なので、あとからプログラムを見たときでも、そこで使用した目的がはっきりしていてわかりやすいという利点があります。
しかし、わかりやすさ、という利点さえ無視するならば、ＮＯＰ命令以外にもダミー命令として使える命令はいくつか存在します。

その例は、ＭＯＶ　ｒ，ｒ’の中にもあります。
たとえば、ＭＯＶ　Ａ，Ａ、ＭＯＶ　Ｂ，Ｂなどのように、同じレジスタ間でのＭＯＶ命令は、結果としてはフラグを含めてなにも変化しませんから、ＮＯＰ命令と同じようなダミー命令として使うことができます。
ＭＯＶ　ｒ，ｒ’の実行時間は３μｓですから、奇数μｓの補正に利用することができます。

ＭＯＶ　ｒ，ｒ’は１バイトの命令ですが、複数の命令を組み合わせてダミーの命令動作をさせることもできます。
たとえば、

ＰＵＳＨ　Ｂ
ＰＯＰ　Ｂ

のように同じレジスタに対するＰＵＳＨ命令とＰＯＰ命令を続けて使ったときも、結果は実行時間がかかるだけで、何も変化しませんから、実行時間を増やすという特殊な目的では有効な使い方といえます。

さて、このあと、上で作った０．５ｓｅｃタイマールーチンをＣＡＬＬする、ＸＣＨＧ命令他のテストプログラムの説明をしようと思ったのですが、サブルーチンの説明に時間がかかってしまって、本日はもう時間がなくなってしまいました。
ＸＣＨＧのテストプログラムとその実行結果については、また次回に説明することにいたします。
２００９．２．８ｕｐｌｏａｄ

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