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２４２回］
●割込みとは？
前回は、ＴＫ８０のステップ動作について説明をしました。
ステップ動作には割込みが利用されています。
モニタプログラムのリストもお見せしましたが、プログラムについての説明はしていませんので、「なにがなんだかさっぱりわからんではないか」と言われてしまうかも知れません。
どうも説明の順番がめちゃくちゃで、というか、ことの成り行きでこういうことになってしまいましたので、ほんとうは、モニタプログラムのリストはもっとあとの方でお見せするはずだったのです。
ですので、プログラムについての説明は、もう少しあとまで、いましばらくお待ち下さい。
とにかく、まずは割込みについての説明を片付けてしまいましょう。
そうしないことには、とにかく話が先に進みません。
で、「割込み」とは？というお話です。
たとえば、何か作業をしている、としましょう。
なんでもいいです。
ＣＰＵ君は、言われたとおりの仕事をしています。
これが通常のプログラムの実行です。
すると、そこに電話がかかってきました。
お得意様からです。
「わるいけど、急ぎで配達してもらいたいものがあるんだけど、持ってきてくれない？」
お得意様からの注文ですから、断るわけには行きません。
ＣＰＵ君は、今していた作業を中断して、先にお得意様からの仕事を片付けます。
これが「割込み」です。
お得意様からの仕事が片付いたら、またさきほど中断した仕事の続きから作業を再開します。
お得意様からの電話はいつかかるかわかりません。
でも、かかってきたら、とにかくただちに応答しなければなりません。
しかし、状況によっては、応答できない場合もあります。
たとえば、てんぷらを揚げている真っ最中、などというときには、目を離せませんから、電話に出ることができません。
電車の中とか、病院などでは、携帯の電源は切らなくてはいけません。当然電話に出ることができません。
●ＥＩ（Ｅｎａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）とＤＩ（Ｄｉｓａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）
ＣＰＵには電話はありませんから（当たり前です）、代わりにＩＮＴ入力端子に信号を入れます。
Ｈアクティブの信号を入れるＣＰＵもあれば、Ｌアクティブの信号を入れるＣＰＵもあります。
８０８０では、命令の実行サイクルの特定のクロックのときに、信号の状態をチェックします。ですから割込み信号はエッジではなくてレベル（ある幅をもった信号）ということになります（信号幅については、またのちほど説明をします）。
都合が悪いときには携帯の電源を切ってしまうように、今は都合が悪いから、割込み信号が入ってきても、応答しませんよ、ということで、割込み信号の受け付け回路を遮断してしまうための命令が用意されています。
それがＤＩ（Ｄｉｓａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）です。
逆に、今は大丈夫だから、ＩＮＴ信号が入ってきたら、割込みプログラムを実行しなさいよ、という場合にはＥＩ（Ｅｎａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）命令を使います。
ＥＩが実行されると、それ以後は、ＩＮＴ信号が入力されると、割込みプログラムが実行されます。
●割込みプログラム
８０８０での割込みの仕組みは、本当は難しくて、外部回路が必要です。
ＩＮＴ信号を入れるだけではなくて、それと同時に、ある特定のタイミングで外部データバスに８ビットの命令コードを入れる必要があります。
この命令コードは、８ビット１バイトのコードならばなんでもよいのですが、割込みの目的からして、ＲＳＴ命令を入れることになります。
ＲＳＴ命令については、［第２１７回］で説明をしました。
１バイトのＣＡＬＬ命令です。
通常のＣＡＬＬ命令とは違って、プログラムの開始アドレスが最初から決まっています。
ＲＳＴ０〜ＲＳＴ７の８種あります。
ＲＳＴ０の開始アドレスは００００で、ＲＳＴ１が０００８、というように８バイト単位で並んでいて、最後のＲＳＴ７は００３８になります。
この最後のＲＳＴ７はマシン語コードがＦＦ（１１１１１１１１）で、データバスに何も入れない場合には、このコードになることから、実質的にはただＩＮＴ信号を入力するだけで、割込みプログラムを実行させることができます。
８０８０では、そのように特別の外部回路が不要な割り込みとして、もっとも普通にＲＳＴ７が利用されます。
ＩＮＴ信号だけを入力した場合には、ＲＳＴ７が命令されたことになりますから、ＣＰＵがＥＩ命令を実行したあとで、割込みが受け付け可能状態になっていれば、割込みが発生し、００３８からのプログラムが実行されることになります。
００３８から割込みプログラムを書いてしまっても全く構わないのですが、割込みプログラムというのは、普通の処理ではない、特別の処理の場合が多いので、割込みプログラムは通常の処理プログラムの後ろの方に書くことが多いようです。
そして００３８には、その割込みプログラムへのＪＭＰ命令だけを書いておきます。
参考までに、前回（［第２４１回］）のＴＫ８０モニタプログラムを見ていただければ、そのようになっていることがわかります。
００３８には、Ｃ３５１０１ ＪＭＰ ＢＲＥＮＴ があって、そのジャンプ先、０１５１から割込み処理プログラム（ＢＲＥＮＴ）が始まっています。
割込みが受け付けられると、それ以後、新たな割込みは受付けられません。
つまり勝手にＤＩ命令が実行された状態になります。
通常は、ＩＮＴ信号の信号幅として、必ず受付けられるための十分な時間を（しかもアバウトな時間幅）アクティブにするので、もしこういう仕組みになっていないと、割込みプログラムの実行開始直後に、また割込みが発生してしまい、それがＩＮＴ信号がなくなるまで続いてしまうことになって、使い物にならなくなります。
そこで割込みが受付けられると、それ以後ＩＮＴ信号がまだ継続してアクティブであっても、重ねて割込みが受け付けられないように、自動的に割込み禁止状態になるような回路になっています。
したがって割込みプログラムの実行中に、複数回のＩＮＴ信号が入力された場合でも、その信号は無視されます。
お、お、お。
そうでした。あの、電話の「お話中」と全く同じですよね。
しかし、すると、割込みプログラムの処理が終わって、メインプログラムに戻ったら、自動的に割込みが再び受付け可能になるか、というと、８０８０ではそのような仕組みにはなっていません。
割込みが受付けられると同時に、割込み禁止状態になるのですが、それを再び割込み可能にするためには、プログラムの中でＥＩ命令を実行しなければならないのです。
なおＣＰＵがリセットされると、割込みは禁止状態になります。
つまり、ＣＰＵが００００から実行を開始した初期状態では、割込みは受け付け禁止状態になっていますから、割込みを可能にしたいときには、その時点で、まずＥＩ命令が実行されるようにプログラムを書く必要があります。
そして、通常は、次の割込みを受付け可能にするために、割込みプログラムの最後のＲＥＴ命令の直前に、ＥＩ命令を書きます。
あ。割込みプログラムは強制的に実行される「サブルーチン」ですから、最後はＲＥＴ命令で終わります。
ところで、ＴＫ８０モニタプログラムの割込み処理ルーチンを見てみますと…。
あれ？どういうわけか、最後がＲＥＴ命令ではありません。
;
; BREAK ENTRY
; BREAK & ONE STEP OPERATION
;
ORG $0151
;
0151 E3 BRENT:XTHL
0152 22E0FF SHLD PSAVE
0155 F5 PUSH PSW
0156 210400 LXI H,$0004
0159 39 DAD SP
015A F1 POP PSW
015B 22E2FF SHLD SSAVE
015E E1 POP H
015F 31ECFF LXI SP,DATA
0162 F5 PUSH PSW
0163 C5 PUSH B
0164 D5 PUSH D
0165 E5 PUSH H
0166 31D1FF LXI SP,MONSP
0169 3AF2FF LDA BRKCT
016C A7 ANA A
016D CA8B01 JZ BSTOP
0170 2AF0FF LHLD BRKAD
0173 EB XCHG
0174 2AE0FF LHLD PSAVE
0177 7D MOV A,L
0178 BB CMP E
0179 C28501 JNZ NOBRK
017C 7C MOV A,H
017D BA CMP D
017E C28501 JNZ NOBRK
0181 21F2FF LXI H,BRKCT
0184 35 DCR M
0185 CD9101 NOBRK:CALL ADDSP
0188 C3F901 JMP RESRG
018B CD9101 BSTOP:CALL ADDSP
018E C35100 JMP START
0191 2AEAFF ADDSP:LHLD FSAVE
0194 22ECFF SHLD DATA
0197 2AE0FF LHLD PSAVE
019A 22EEFF SHLD ADRES
019D CDA101 CALL RGDSP
01A0 C9 RET
;
; REGISTER RESTORE
;
01F9 2AE2FF RESRG:LHLD SSAVE
01FC F9 SPHL
01FD 2AE0FF LHLD PSAVE
0200 E5 PUSH H
0201 2AE4FF LHLD LSAVE
0204 E5 PUSH H
0205 2AEAFF LHLD FSAVE
0208 E5 PUSH H
0209 2AE8FF LHLD CSAVE
020C 4D MOV C,L
020D 44 MOV B,H
020E 2AE6FF LHLD ESAVE
0211 EB XCHG
0212 F1 POP PSW
0213 E1 POP H
0214 FB EI
0215 C9 RET確かに、最後はＲＥＴになっていて、その前にＥＩがあります。
実は、このルーチンは［ＲＥＴ］キーが押されたときに実行されるルーチンでもあるのです。
うーん。どうなっているのか、ちょっと、難しいですねー。
ま。プログラムの説明は、難しいですから、ちょいとあとにしておきましょう。
●割込みが受付けられるタイミング
割込みが受付け可能になっていたとしても、ＩＮＴ信号が入ってきたら、いつでも割込みが受付けられる、というわけにはいきません。
たとえば命令の実行の途中で割込みプログラムが実行されてしまって、レジスタの中身が、命令が開始されたときと終了したときで変ってしまったりしたら、もうめちゃくちゃになってしまいます。
ですから、ＩＮＴ信号はいつ入ってくるかわかりませんが、その信号が受付けられて、割込みプログラムがＣＡＬＬされるのは、今実行中の命令が完了してから、ということでなければならない、ということになります。
８０８０のマニュアルには、ＩＮＴ信号は「各命令の最後のマシンステートメントの時に」受け付けられる、と書いてあります。
８０８０の命令は実行にかかるマシンクロックが命令によって異なっており、当然命令によって、最後のクロックは異なっています。
８０８０の内部回路では、各命令の最後のステートメントを区別する回路が組んであったのだろう、と思います。
でも「つくるＣＰＵ」の回路では、そのような特別の仕組みは考慮していません。
どうやったら、「命令の最後」のタイミングをみつけることができるでしょうか？
「つくるＣＰＵ」の回路では、最も簡単で確実なタイミングとして、その命令サイクルが始まった直後のＴ０のタイミングでＩＮＴ信号を認識するように考えました。
逆転の発想です。
このタイミングなら、その直前の命令がどんな長さの命令でも、必ず実行は完了しています（わかりますよね）。
そして、次の命令のサイクルは始まっていますが、まだメモリから命令の読み込みを開始したばかりで、まだＯＰコードレジスタにはラッチされていない、というタイミングですから、実質的には、次の命令はまだ実行開始前の状態です。
ＯＰコードがラッチされるのはＴ１で、実際に命令の回路がアクティブになるのはＴ４からです。
ところで、このタイミングでＩＮＴ信号を受け付ければ、通常は問題がないはずなのですが、それではまずい場合がでてきます。
それはＥＩ命令が実行された直後に発生します。
さきほど、ＴＫ８０モニタプログラムの割込みルーチンの終りについて説明をしました。
最後はこうなっていました。
0214 FB EI
0215 C9 RET
もしも、ＥＩが実行されて、割り込みが受け付け可能になった直後、つまり次のＲＥＴ命令のＴ０のタイミングでＩＮＴ信号がアクティブになったとすると、割込み処理プログラムが終わるためのＲＥＴ命令が実行される前に、割り込みが発生してしまうのではないか？
それでは、都合が悪い、はずです。
なぜなら、割込みが二重に発生してしまうからです（８０８０のように命令の最後のステートメントでＩＮＴが受け付けられる、ということでも、問題は同じです）。
８０８０の開発者は、当然このことに気がついたはずです。
そのために、ＥＩ命令の回路には、特別の工夫がされています。
というあたりで、本日は終り、です。この続きはまた次回にすることにいたします。
２００９．６．６ｕｐｌｏａｄ
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