(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第２００回］
●算術演算命令のテストプログラムです
算術演算命令のＡＤＤ、ＡＤＣ、ＳＵＢ、ＳＢＢの動作を確認するためにテストプログラムを作りました。
Ｚ８０アセンブラをもとにして作った８０８０アセンブラ（［第１８０回］）を使ってマシン語に翻訳しました。
下がそのリストです。
ソースプログラムからマシン語に翻訳したファイルは、［第１８９回］で作った２３２Ｃ送信プログラムで、「つくるＣＰＵ」試作基板に送りました。
そのようにして、「つくるＣＰＵ」試作基板のＲＡＭに書き込まれたプログラムを、いつものようにマシンクロック毎にステップ動作させて、その写真を撮りました。
プログラムは先頭からマシンクロック毎にステップ動作で実行させていきましたが、全ての命令動作の写真を撮るのは大変ですし、算術演算命令以外の動作はすでに確認済みですから、今回は加算、減算命令の部分だけの写真を撮りました。
●テストプログラムの説明です
プログラムの前半部分では、キャリー無し加算命令のＡＤＤとキャリー付加算命令のＡＤＣの動作を確認するため、２バイトの１６進数同士の加算を行います。
ＨＬレジスタに５６ＡＢを、そしてＤＥレジスタに３４８９を入れたあとで、最初にＬレジスタとＥレジスタの値を加算（ＡＤＤ）し、次にその加算でのキャリーを含めて、ＨレジスタとＤレジスタの値を加算（ＡＤＣ）します。
加算した結果はＢＣレジスタに格納します。
８０８０は、加算されるレジスタはＡレジスタでなければなりません。加算の結果もＡレジスタに入れられます。
ですから、まずＬレジスタの値をＡレジスタに入れてから、ＡレジスタとＥレジスタの間で加算を行います。加算の結果は、ＡレジスタからＣレジスタにＭＯＶ命令で転送します。
ＨレジスタとＤレジスタとの間の加算も同様に、まずＨレジスタの値をＡレジスタに入れてから、ＡレジスタとＤレジスタの間で加算を行います。加算の結果は、ＭＯＶ命令で、ＡレジスタからＢレジスタに転送します。
プログラムの後半部分では、キャリー無し減算命令のＳＵＢとキャリー付減算命令のＳＢＢの動作を確認するため、２バイトの１６進数同士の減算を行います。
先の加算のときに、ＤＥレジスタに入れた３４８９をＸＣＨＧ命令でＨＬに入れ、ＤＥレジスタには１２ＣＤを入れたあとで、最初にＬレジスタからＥレジスタの値を減算（ＳＵＢ）し、次にその減算でのボローを含めて、ＨレジスタからＤレジスタの値を減算します。
減算した結果はＢＣレジスタに格納します。
８０８０は、減算されるレジスタはＡレジスタでなければなりません。減算の結果もＡレジスタに入れられます。
ですから、まずＬレジスタの値をＡレジスタに入れてから、ＡレジスタとＥレジスタの間で減算を行います。減算の結果は、ＡレジスタからＣレジスタにＭＯＶ命令で転送します。
ＨレジスタとＤレジスタとの間の減算も同様に、まずＨレジスタの値をＡレジスタに入れてから、ＡレジスタとＤレジスタの間で減算を行います。減算の結果は、ＭＯＶ命令で、ＡレジスタからＢレジスタに転送します。
１６進数２バイトの加算と減算の結果は以下のようになります。
５６ＡＢ
３４８９（＋
８Ｂ３４
３４８９
１２ＣＤ（−
２１ＢＣ
８０８０には２バイトの加算命令ＤＡＤがあります。
ＤＡＤ Ｄ命令を使えば、ＨＬレジスタとＤＥレジスタの加算を１命令で実行することができます。
でも今回は、１バイトの加算命令のテストですから、上の説明のように、ＬレジスタとＥレジスタの加算、ＨレジスタとＤレジスタの加算、のように分けて計算を行います。
なお８０８０には２バイトの減算命令はありません（Ｚ８０にはあります）。
●ＡＤＤ命令のクロック毎の動作の写真です
アドレス０１０７のＡＤＤ Ｅ命令のＴ０の写真です。
ここまでに実行された、ＬＸＩ命令、ＭＯＶ命令によって、Ｈレジスタに５６、ＬレジスタにＡＢ、Ｄレジスタに３４、Ｅレジスタに８９が入れられていて、ＡレジスタにはＬレジスタの値のＡＢが入れられています。
上から３列目の左から、Ｄ、Ｅ、Ｂ、Ｃ、Ａの各レジスタ、
その下の列の左からＨ、Ｌレジスタがあります。
プログラムカウンタはその下の行の右側です。０１０７が表示されています。
その下の列は、左から外部アドレスバスのＡ１５〜Ａ８、Ａ７〜Ａ０、外部データバスのＤ７〜Ｄ０があります。
少し下に下がって、内部データバスｉＢ７〜ｉＢ０があり、その右上にはＯＰコードレジスタがあります。
外部アドレスバスには０１０７が表示されていて、データバスは外部、内部ともＡＤＤ Ｅ命令のＯＰコード８３が表示されていますが、ＯＰコードレジスタにはまだ読み込まれていません。
ＯＰコードレジスタの列の右端の５個のＬＥＤはマシンクロックのＴサイクルを示す５ビットの表示です。
写真の上から２列目、少し下がって、左から、ＡＬＵのレジスタ”Ａ”とレジスタ”Ｂ”があります。
その列の、少し上に上がって右端にあるのが、ＡＤＤレジスタ（８ビット加算器回路）からの出力表示です。
実は写真を撮るときに、ステップ動作の途中でちょっと失敗をしてしまって、もう一度最初から撮り直しをしました。
そのために、Ｃレジスタと、ＡＬＵのレジスタ”Ａ”、レジスタ”Ｂ”、それとＡＤＤレジスタには、計算した結果が入ってしまっています。
なんだかおかしな感じですけれど、全部レジスタをクリアして、また最初から写真を撮るのも大変なので、そのままの写真でいくことにしました。
毎回説明していますように、ＯＰコードフェッチサイクルのＴ１〜Ｔ３は、どの命令でも同じ動作ですから、そのところの写真は省略することにします。
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ４の写真です。
Ａレジスタの値、ＡＢが内部データバスに読み出され、ＡＬＵのレジスタ”Ａ”に書き込まれています。
Ａレジスタの左にある、ＡｒｅｇＲＤ（黄ＬＥＤ）が点灯しています。
ＡＬＵのレジスタ”Ａ”の左にある、ＡＬＵｒｅｇ”Ａ”ＷＲ（緑ＬＥＤ）が点灯しています。
このとき、ＡＬＵのレジスタ”Ｂ”の値はまだ書き込まれていなくて、先に行った演算のときの値の３４が残っています。
しかしＡＤＤ回路は、このレジスタ”Ａ”とレジスタの”Ｂ”の値の加算をただちに行って、ＡＢ＋３４＋１＝Ｅ０の結果を表示します。
最後に加算した１はキャリーです。
フラグレジスタは一番上の列の左から２番目にある、５個のＬＥＤです。
左から、Ｓ（サイン）、Ｚ（ゼロ）、Ｈ（ハーフキャリー）、Ｐ（パリティ）、Ｃ（キャリー）の各フラグです。
キャリーフラグは消灯していますが、ＡＤＤ回路では、下位桁からの桁上げがあることを示すＬＥＤ（ＡＤＤレジスタの右下の赤ＬＥＤ）が点灯しています。これも、先に行った計算結果がそのまま残って表示されているためです。
もちろんこれらの計算結果は過渡的なもので、命令の実行ステップが進むことによってクリアされて正しい値に変わります。
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ５の写真です。
ＡＬＵｒｅｇ”Ａ”ＷＲ（緑ＬＥＤ）が消灯しました。
［２００９．４．１０追記ここから］
ＡＤＤレジスタ表示ＬＥＤの右下にある、下位桁からの桁上げを示すＬＥＤが消灯しました。
この桁上げは８ビット加算器を構成する２個の７４ＨＣ２８３のうちの下位４ビットの方の７４ＨＣ２８３のＣ０に入力されます。
７４ＨＣ２８３周りの回路図はこちら（［第１９１回］加算回路）です。
同回路図の右下に、７４ＨＣ２８３のＣ０への、下位桁からのキャリーを保持する７４ＨＣ７４回路があります。
７４ＨＣ７４のＤ入力は、ＯＰコードのＯＰ３、ＯＰ４によって１か０か、または現在のＣＦ（キャリーフラグ）か、ＣＦを反転したものか、のいずれかの値になります。
今はＡＤＤ Ｅ命令（ＯＰコードは１０００００１１）の実行中です。
ＡＤＤ命令はＯＰ３＝ＯＰ４＝０です。このとき、７４ＨＣ７４のＤ入力は０になります。
ＡＤＤ命令はキャリー無し加算ですから、加算前のキャリー（Ｃ０入力）を０にします。
７４ＨＣ７４のＤ入力はこれだけでは、出力には伝わりません。
ＣＫ入力がＬ→Ｈになって、はじめて出力に反映されます。
もう一度さきほどの回路図（［第１９１回］加算回路）を見てください。
ＣＫにはＡＬＵｒｅｇ”Ａ”ＷＲが入っています（「ｒｅｇＡＷＲ」になっていますが、記載ミスです）。
ＡＬＵｒｅｇ”Ａ”ＷＲは、［第１７９回］●ＡＬＵ命令のデコード回路にあります。
Ｔ４のときにアクティブになっています（信号名がまだ定まっていなくて、「”Ａ”ＷＲ」になっています）。
Ｔ４のときに、↓＿↑という信号が、さきほどの７４ＨＣ７４のＣＫ端子（ｐｉｎ３）に入力されますから、Ｔ４の終りに、Ｄ入力の０が、Ｑから出力されます。
下位４ビットの加算をする７４ＨＣ２８３のＣ０入力が、この時点（Ｔ４の終り、つまりＴ５になったとき）にクリアされたのは、以上説明した働きによります。
このタイミングで７４ＨＣ２８３のＣ０入力がクリアされたことは、ただちに加算結果に反映されます。
さきほどまでの加算結果の表示は、ＡＢ＋３４＋１＝Ｅ０だったのが、ＡＢ＋３４＝ＤＦ（１１０１１１１１）に変わりました。
［２００９．４．１０追記ここまで］
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ６の写真です。
Ｅレジスタの値、８９が内部データバスに読み出され、ＡＬＵのレジスタ”Ｂ”に書き込まれています。
Ｅレジスタの左にある、ＥｒｅｇＲＤ（黄ＬＥＤ）が点灯しています。内部データバスに読み出された８９は、ＡＬＵレジスタ”Ｂ”に書き込まれていて、ＡＬＵレジスタ”Ｂ”も８９になりました。
ＡＬＵレジスタ”Ｂ”の左側にあるＡＬＵｒｅｇ”Ｂ”ＷＲ（緑ＬＥＤ）が点灯しています。
ＡＬＵレジスタ”Ａ”とＡＬＵレジスタ”Ｂ”の値は即座に加算されて、ＡＤＤレジスタに表示されます。
ＡＢ＋８９＝３４の計算が行われて、ＡＤＤレジスタの表示が３４になりました。
キャリー無し加算を行うＡＤＤ命令なので、さきほどまで点灯していた、下位桁からの桁上げを示すＬＥＤは消灯しています（２００９．４．１０追記）。
その代わりに、上位桁への桁上げを示す左側のＬＥＤが点灯しました。
ＡＢ＋８９の加算によって、上位バイトへの桁上げが発生したことを示しています。
しかし、まだこの段階では、キャリーフラグへの反映は行われません。
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ７の写真です。
ＡＬＵｒｅｇ”Ｂ”ＷＲ（緑ＬＥＤ）が消灯しました。
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ８の写真です。
ＡＤＤレジスタのＬＥＤ表示の左側にある、ＡｄｄＲＤ（黄ＬＥＤ）が点灯して、ＡＤＤの結果（３４）が内部データバスに出されています。
Ａレジスタの右側にあるＡｒｅｇＷＲ（緑ＬＥＤ）が点灯して、Ａレジスタに内部データバスの値、３４が書き込まれています。
フラグレジスタは、左端のＳ（サイン）フラグとその右のＺ（ゼロ）フラグが消灯、その右のＨ（ハーフキャリー）フラグと、右端のＣ（キャリー）フラグが点灯しました。
ＡＤＤ Ｅ命令のＴ９の写真です。
ＡｒｅｇＷＲ（緑ＬＥＤ）が消灯しました。
まだ、説明の途中ですが、本日は時間がなくなってしまいました。
この続きはまた次回にいたします。
２００９．４．９ｕｐｌｏａｄ
２００９．４．１０追記
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