ＴＴＬでＣＰＵを作ろう！

~~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２５３回］

●ＭＯＶ　Ｈ，Ｍが誤動作している？

前回、ＲＥＴキーが正しく機能していないようだ、ということで、その原因を追求してみましたら、ＭＯＶ　Ｈ，Ｍ命令のところで、Ｈレジスタに変な値が入ってしまう、というところまで書きました。

ＭＯＶ　Ａ，Ｍは正しく動作していますし、ＭＯＶ　Ｌ，Ａもまともです。
なぜかＭＯＶ　Ｈ，Ｍだけが、おかしいのです。

回路図を調べているうちに、気がつきました。
なんという、おばかなことを！

前回、そのヒントは［第２３３回］にあります、と書きました。

［第２３３回］は、８０８０の内部バス、外部バスとレジスタの関係などについて説明をしています。
そして、それに関連して、「つくるＣＰＵ」の外部アドレスバスについて次のように説明しました。

８０８０では外部アドレスバス出力部に「アドレスラッチ」が使われていますが、この「つくるＣＰＵ」ではラッチを使わずレジスタの出力ゲート（７４ＨＣ２４４）を介して直接外部アドレスバスにつながっています。

でも、これは間違いでした。
８０８０のように、やっぱりラッチ回路が必要だったのです。

どういうことなのか、タイミングチャートで説明しましょう。

●ＭＯＶ　ｒ，Ｍのタイミングチャート

ＭＯＶ　ｒ，Ｍのタイミングチャートは回路の変更にともなって、［第４２回］～［第４５回］にわたって、出てきていますが、それでも今から見れば、「初期」のタイミングチャートです。
ですので、ここであらためて再掲することにします。

ＭＯＶ　ｒ，Ｍ命令は、ＨＬレジスタで示されるメモリアドレスのデータをレジスタに書き込む命令です。メモリのデータを読み出すために、外部アドレスバスＡ０～Ａ１５にはＨＬレジスタの値が出力されています。

もう、おわかりだと思います。
もしも書き込む相手のレジスタがＨレジスタだったとすると、Ｔ４のタイミングでデータバスにＭ（ＨＬレジスタが示すメモリアドレス）からのデータが出力され、そしてｒｅｇＷＲがＬになると、そのデータバスの値が、Ｈレジスタに書き込まれます。
すると、Ｈの値が変わってしまいますから、その瞬間に外部アドレスバスＡ０～Ａ１５も変化してしまいます。

ところがレジスタ回路に使われている７４ＨＣ３７３はｒｅｇＷＲが↓のときに値をラッチするのではなくて、Ｌの期間中、入力が出力に筒抜けになってしまいます。データがラッチされるのは、ｒｅｇＷＲが↑のときです。

［０９．６．１９追記ここから］
上の２行の表現が不適切でしたので、追記いたします。
タイミングチャートも差し替えました。

７４ＨＣ３７３はＧ入力がＨの期間、入力データが出力に筒抜けになります。
Ｇ入力が↓の瞬間に入力データをラッチします。
レジスタの回路（ＨＬレジスタの回路は、［第２３回］ＨＬレジスタ回路図を参照してください）の７４ＨＣ３７３のＧ入力には、ｒｅｇＷＲ信号を７４ＨＣ２３８で、各レジスタのみをアクセスするＨパルスに変換した信号が入ります（［第７２回］ｒｅｇＷＲ回路）。
ですから上の２行の説明は、少し冗長になりますが、こうなります。

ところがレジスタ回路に使われている７４ＨＣ３７３はｒｅｇＷＲが↓のとき（Ｇ入力が↑のとき）に値をラッチするのではなくて、ｒｅｇＷＲがＬの期間中（Ｇ入力がＨの期間中）、入力が出力に筒抜けになってしまいます。データがラッチされるのは、ｒｅｇＷＲが↑のとき（Ｇ入力が↓のとき）です。
［０９．６．１９追記ここまで］

ということは、アドレスバスが変化すると、当然メモリアドレスが変化してしまうため、そこから読み出されるデータバスの値も変化してしまい、そしてそれがまた、Ｈレジスタの７４ＨＣ３７３のところで筒抜けになって、また外部アドレスバスを変化させてしまうという、とんでもない動作をすることになるのです。

ここではＭＯＶ　Ｈ，Ｍについて説明しましたが、もちろんＭＯＶ　Ｌ，Ｍについても全く同様の現象となって現れます。

●なぜＲＥＴはダメで、ＲＵＮはよかったのか？

ところで、今の説明のように、ＭＯＶ　Ｈ，Ｍが正しく機能しないことが、ＲＥＴキー動作がうまく働かなかった原因だったとすると、同じようにキーコードからジャンプ先アドレスを求めている他のキールーチン、とりわけＲＵＮルーチンが正しく動作しているのは、なぜなのでしょうか？

実はそれにも理由がありました。
もう一度、キーコードからジャンプアドレスを求めるプログラムと、ジャンプテーブルを見てみましょう。


0064 78         MOV A,B
0065 E60F       ANI 0F
0067 0600       MVI B,00
0069 87         ADD A
006A 4F         MOV C,A
006B 217400     LXI H,TABL
006E 09         DAD B
006F 7E         MOV A,M
0070 23         INX H
0071 66         MOV H,M
0072 6F         MOV L,A
0073 E9         PCHL
              ;
0074 CC00     TABL:DW GOTO
0076 F901       DW RESRG
0078 9400       DW ADSET
007A B800       DW ADDCX
007C 9D00       DW ADINX
007E C200       DW MEMW
0080 D500       DW SDATA
0082 0701       DW LDATA
              ;

ＲＵＮキーの処理ルーチンは００ＣＣにあります。
ですから、ジャンプテーブルの一番上の２バイトをＨＬレジスタに入れて、ＰＣＨＬ命令で、００ＣＣにジャンプします。
ここで、ＭＯＶ　Ｈ，Ｍが実行されるときの状況を詳しく見てみます。

００６Ｅ　ＤＡＤ　Ｂから００７０　ＩＮＸ　Ｈの命令の実行によって、ＨＬレジスタはジャンプテーブルのＲＵＮ（ＧＯＴＯ）の上位アドレスを示す００７５になっています。
そしてＭＯＶ　Ｈ，Ｍによって、メモリアドレス００７５の値、００がデータバスに出力されます。

すると、さきほどの説明によって、このデータバスの値がＨレジスタ回路を通して、アドレスバスの上位８ビットにつつぬけになってしまいます。
ところが、幸いにして、つつぬけになるデータの００は、もとからのＨレジスタの値（であると同時に外部アドレスバスの上位８ビット）と同じなので、この場合に限っては、正しく動作してしまうのです。

一方ＲＥＴの場合には、ジャンプ先アドレスが０１Ｆ９で、その上位アドレスデータをＨに入れるときの、ＭＯＶ　Ｈ，Ｍ命令での、ＨＬレジスタの値は００７７になっています。Ｈレジスタの値は００です。
そしてＭＯＶ　Ｈ，Ｍの実行の結果Ｈレジスタに読み込まれる値は０１です。
ＭＯＶ　Ｈ，Ｍ命令の実行の途中で、Ｍを示すＨＬレジスタのうちのＨレジスタの値が００から０１に変わってしまうために、異常な動作をすることになってしまったのです。

●たまたまＲＥＴルーチンの上位アドレスが０１だったから

そうなんです。
たまたま、ＲＥＴ命令のジャンプ先アドレスの上位８ビットが０１で、そのテーブルが置かれているアドレスの上位８ビットの００と異なっていたから、今回の異常動作となって、回路の不備が発見できたのですが、もしも、それが０１ではなくて、ＲＵＮキーなどと同じ００だったなら、多分そんなこととは全く知らないで、脳天気にも基板を発注してしまっていたことでしょう。

うわあ。

こういうことを経験してしまうと、やっぱり、テストプログラムを作って、全命令の動作を再度確認してからでないと、ちょっと、恐くて、基板の発注はできません。
それ（命令の動作テスト）が済むまで、基板配線図の最後の修正作業も一時停止です。

●ところで、ＭＯＶ　Ｈ，Ｍはどうするの？

そうでした。
これは、困った。
今更、こんなベースになる部分での変更なんて、とてもじゃないけどムリ…。
だって、ですねえ。もう、隙間が無いんですから…。
ここに、１６ビット分のラッチを追加するなんて、そりぁあ、いくらなんでも、不可能ですってば。
勘弁してほしいなぁ、もう。

うー。
何から何まで８０８０と同じにしなくたって、よいじゃ、ありませんか。
１つぐらい実行できない命令があったって、まあ、愛嬌みたいなもので…。

都合により、ＭＯＶ　Ｌ，ＭとＭＯＶ　Ｈ，Ｍは使えません。
たとえば、
ＭＯＶ　Ｅ，Ｍ
ＭＯＶ　Ｄ，Ｍ
ＸＣＨＧ
のようにしていただければ…。
そうそう、それでいきましょう…。

いやあ、だめ。だめです。
やっぱり、だめ。
せっかくここまで苦労してやってきて、最後にそんないいかげんな妥協で、終わってしまうなんて。
それは、できません。
大げさなたとえですけれど、こういうのを、「九仞の功を一簣にかく」というんですよねえ。

頭を抱え込んで、沈思黙考いたしましたよ。
これは、つらい。
ほとんど、不可能。
だったのですけれど。ついに。

お。お。お。
なんとか、なりそうな…。
しかし、本当に、それでいけるのか？
うう。いけそう、なのでは…！

現在の基板配線の状態で、そこからなんとか変更可能な範囲で、対策をとることができそうな、回路変更案を思いつきました。
２００９．６．１８ｕｐｌｏａｄ
２００９．６．１９追記

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