(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第３７回］
●まずは、メモリテストから始めましょう
ここ２〜３日、大急ぎで、ほとんど結果のみお知らせしてきました。
とりあえず簡単な動作テストのみ行って、期待通りに動作することが確認できましたので、あとはじっくり落ち着いてテストすることにいたします。
ということで、駆け足で飛ばしてきてしまったところを、あらためて説明していくことにしましょう。
［第３５回］で、即席で作ったデバッグ回路の回路図と写真をお見せしました。
まずはこの回路について見ていくことにいたします。
あ。また戻るのも面倒ですねぇ。もう一度回路図をお見せします。
メモリボードとして利用したのは、当社製品ＺＢ２１Ｋの基板です。ちょうど手ごろだったので利用することにしました。
３２ＫＢのＳＲＡＭ６２２５６は日立の品名ですが、もうとうの昔に製造中止になってしまいました。
いま使っているのは、輸入品です。ピンコネクションや動作は同じですので、”６２２５６”と言うことにします（６２２５６互換とはいえ、今の石は当時の６２２５６などに比べると、アクセスタイムはめちゃめちゃ速いです）。
端子番号は面倒なので、省略、です。
この回路基板でなにをするか、というと、まずメモリにプログラムを書いておいて、次に今回作ったＣＰＵボードでそのプログラムを実行させ、最後にその結果をメモリから読み取ろう、というテスト作業をします。
なんたってＣＰＵボードなのですから、プログラムを実行させてみないことには、まったくテストにも何にもなりません。
プログラムはメモリに書いておかねばなりません。
いずれ将来全部の基板が完成したあかつきには、ＲＯＭも実装して、スタンドアローンで動作させてみたいものですけれど、それは先の話。今はＲＡＭがあれば十分です。というより、ＲＡＭでなければ、ことが面倒になるだけです。ここはＲＡＭが必須です。
ＣＰＵボードは”８０８０互換”ですからアドレスはＡ０−Ａ１５までの６４ＫＢをアクセスできます。
しかし、今回はテストですから、そんなにたくさんのメモリがあったって仕方が無いですし、配線するのも面倒なので、Ａ８−Ａ１５の上位８ビットは無視して、Ａ０−Ａ７の下位８ビットだけを有効にしています。
アクセスできるアドレスは００００〜００ＦＦの２５６バイトです。
テスト回路として必要なのは、このメモリ基板に、今回作ったＣＰＵボードと、そのメモリ基板やＣＰＵボードを自由に制御できるデバッグ用回路（当社のＢＡＳＩＣ制御基板、ＺＢ２５Ｋ）を同時に接続しておいて、ＺＢ２５Ｋからメモリへのプログラム、データの読み書きと、ＣＰＵボードからメモリへのプログラム、データの読み書きをそれぞれ、ＺＢ２５Ｋからの制御下で必要に応じて行える、機能です。
というと難しいようですが、回路にしてしまえば、こんなに簡単になってしまいます。
図の左側はＢＡＳＩＣ制御ボードＺＢ２５Ｋの８２Ｃ５５に接続されています。
８２Ｃ５５はプログラマブルな８ビット×３ポートのＩ／Ｏポートで、入力／出力の向きをプログラムで指定することができます。
図を見ると、アドレスバスＡ０−Ａ７とデータバスＤ０−Ｄ７がＣＰＵボード側とＺＢ２５Ｋ側（８２Ｃ５５）との両方につながっています。
きちんとコントロールしないと信号がぶつかってしまいます。
ＺＢ２５Ｋがメモリをアクセスするときには、ＣＰＵボード側のアドレス線、データ線、制御線はハイインピーダンスである必要があります。逆にＣＰＵボードがメモリをアクセスするときには、ＺＢ２５Ｋがそれを妨げてはいけません。その間はＺＢ２５Ｋ側がハイインピーダンスである必要があります。
こういうアクセス方式をＤＭＡ（ダイレクトメモリアクセス）といいます。
８０８０にはそのための制御線、ＢＵＳＲＱとＢＵＳＡＫがあるのですが、ここではそんな面倒くさいことはやらず、もっとダイレクトにＣＰＵボードのＲＥＳＥＴ信号を制御することでやってしまいます。
ＲＥＳＥＴがアクティブな間、ＣＰＵボードの全ての出力はハイインピーダンスになりますから、ＲＥＳＥＴさえアクティブにしておけば、ＺＢ２５Ｋは自由にメモリをアクセスすることができます。
ＺＢ２５Ｋがメモリに対して必要な作業を完了したら、８２Ｃ５５のポートの向きを入力にすると同時に、ＲＥＳＥＴをハイにすれば、ＣＰＵボードが動き出して、メモリに書かれたプログラムを実行してくれる、わけです。
回路図でＭＥＭＲＤ、ＭＥＭＷＲに対する８２Ｃ５５の出力ＰＣ４、ＰＣ５が７４ＨＣ１２６によるスリーステートの反転出力になっているのは、８２Ｃ５５がポートの向きを設定するたびに、（向きを変更しない出力ポートの）出力までリセットされてＬ出力になってしまうという、まことに困った仕様に対する対策のためです（こうしておかないと、ポートの向きを変えるたびに、ＷＲ信号が出てしまう）。
ＲＤ信号はもとから配線があったので、オマケです。
７４ＨＣ１２６を使ったのは、利用したＺＢ２１Ｋに７４ＨＣ１２６の回路がついていたから、それを利用しただけで、もちろんここは、７４ＨＣ０５で構いません。
回路を作ったら、念のため、正しく機能するかどうかを確認しておく必要があります。
まずは、肝心のメモリテストです。
００００〜００ＦＦに正しくアクセスできて、リード、ライトできるかどうかのテストです。
ＢＡＳＩＣなら簡単です。
テストしたときのログをお見せします。
こちらをクリックするとテキストファイルが開きます。
ＢＡＳＩＣのいいところは、プログラムが理解しやすいところです。
最初にまず、アドレス００〜ＦＦに、００、０１、０２…、ＦＥ、ＦＦと順番にデータを書いて行って、次にそれをまた００〜ＦＦの順に読み出して、アドレスとデータをＰＲＩＮＴ文で表示しています。
間違い無く、読み書きできていますね。
●いよいよお待ちかね、の本番テスト、です
その前に。
今回製作した基板は全３枚組のうちの、最初の１枚です。ボードの上には、クロック回路、プログラムカウンタ回路、外部入出力回路、プログラム解読（ＯＰコードフェッチ）回路、レジスタ回路、のほかには、命令回路としては、ＭＯＶ、ＭＶＩ、ＨＬＴ（これは必然的副産物です）しかありません。
ですけれど、たったＭＯＶだけ、ということなかれ、です。
８０８０のマシンコード、００〜ＦＦの２５６命令（一部未割当命令があるので実際は２５６よりも少ない）のうち、なんと２５％、実に１／４をＭＯＶだけで占めているのです。
ＭＯＶはレジスタ間、レジスタメモリ間のデータ転送なので、他の命令に対しても基礎となるべき動作であると言えます。ここがしっかりと動けば、「はじめの１歩」は成功したと言えるでしょう。
●最初はクロックを入力して１マシンサイクルずつ実行
いきなり実行しても、あっという間に終わってしまい、途中の動きを確認することができません。
そこでパソコンのキーを押すたびに、１クロックパルスを出力するようにＢＡＳＩＣでプログラムしておいて、１マシンクロックずつ動作させてみました。
ＢＡＳＩＣプログラムと、実行の結果を記録したログをお見せします。
こちらをクリックするとテキストファイルが開きます。
ＢＡＳＩＣプログラムの説明です。
30 DATA $26,$00,$2E,$07,$3E,$76,$77,$AA
メモリに書き込むマシン語プログラムです。
メモリには次のように書き込まれることになります。
マシン語コードだけでは、何がなんだかわからないので、後ろにニーモニックをつけて示します。
００００ ２６００ ＭＶＩ Ｈ，００
０００２ ２Ｅ０７ ＭＶＩ Ｌ，０７
０００４ ３Ｅ７６ ＭＶＩ Ａ，７６
０００６ ７７ ＭＯＶ Ｍ，Ａ
０００７ ＡＡ ”ＡＡ”
これはどういうプログラムかというと、まずＨレジスタに００を、次にＬレジスタに０７を入れます。
次にＡレジスタに７６を入れたあと、Ａレジスタの値（つまり７６）を、メモリに書き込みます。
何？それ？わからないよー。
解説します。
８０８０はメモリをアクセスするアドレスを直接指定する方法のほかに、Ｈレジスタの値をメモリアドレスの上位８ビット、Ｌレジスタの値を下位８ビットとしてメモリをアクセスすることができます。
このように直接メモリアドレスを指定する代わりに、レジスタの値によって示すようなアクセス方法を間接アドレッシングといいます。
ニーモニックでＭと示したメモリアドレスは、ＨＬレジスタの値で示されます。
Ｈに００、Ｌに０７を入れたということは、ＭＯＶ Ｍ，ＡでＡレジスタの値が書き込まれるメモリアドレスは０００７番地になります。
０００７番地には、ＣＰＵがプログラムを実行する前に、適当な値（ここではＡＡ）をいれておきます。
すると、ＣＰＵが正しく命令を実行すると、０００７番地の内容はＡＡから７６に書き変えられるはずです。
ＣＰＵを走らせたあとで、もう一度メモリを読んでみて、０００７番地が７６になっていたら、ＣＰＵが正しく命令を実行した証拠になります。
実は、このテストにはまだ続きがあります。
ＣＰＵによって、０００７番地に書き込まれるはずのコード、７６はＨＬＴ命令なのです。
ＣＰＵは０００６番地のＭＯＶ Ｍ，Ａを実行して、０００７番地に７６を書き込みます。
しかし、０００７番地はデータアドレスとしてアクセスするだけなので、プログラムの実行の流れは変わりません。
今回は目的があってわざと０００７番地を選んで７６を書き込むようにしていますが、０００７番地に書き込む代わりに別のアドレス、たとえば００５０番地に書き込むようにしたとしても、０００６番地のＭＯＶ Ｍ，Ａの次に実行されるのは、順序として次の０００７番地になります。
だからこそ、次に実行されるように、わざわざ最後のＭＯＶ命令の次のアドレスに７６を書くようにしたのです。
プログラムカウンタが０００６まで進むと、ＣＰＵは０００６番地のＭＯＶ命令を読み、その命令にしたがって０００７番地に７６を書きこみます。
次にプログラムカウンタが＋１されて、０００７になると、ＣＰＵは次の命令として、自分がデータとして書き込んだばかりの７６を、今度は命令として読み出して実行しようとします（［注意］プログラムカウンタの値が０００７になるのは、０００７番地に対するＭＯＶ命令が実行されたからではなくて、ただ単にプログラムカウンタが＋１されたからです）。
ところが７６はさきほど書きましたようにＨＬＴ命令ですから、そこで停止してそこから先へは進まなくなります。
ここから先には命令が書いてありませんから、どんどん先まで進んでもらっては困るので、それを停止させるために、わざと最後に７６（ＨＬＴ命令）を書くようにしたのです。
同時にＣＰＵの動作テストとしての役も果たせますから、一石二鳥です。
ＢＡＳＩＣプログラムは、まず、メモリにマシン語命令を書き（行番号４０〜７０）、念のため最初から書いた内容を読み出して確認し（行番号８０〜１１０）、そのあとＲＥＳＥＴをＨにして、リセットを解除しますが、ＣＰＵクロックとしては外部クロックセレクトをイネーブルにしていますから（ＥＸＣＬＫＥ）、いきなり実行はされずに入力される外部クロックにしたがって実行されていきます。
外部クロックは８２Ｃ５５のＰＣ０から出力されます。
ＯＵＴ ＄８３，１で外部クロックがＨになり、ＯＵＴ ＄８３，０で外部クロックがＬになります。
キーボードの”Ｚ”を押すたびに、外部クロックがＨ、Ｌと変化し、１パルスがＣＰＵボードにＣＰＵクロックとして与えられます（行番号１２０〜１９０）。
”Ｚ”キーを押しながらＣＰＵの動作をモニタし、ＨＬＴ命令まで実行されたところで、”Ｍ”キーを入力します。
”Ｍ”キーを入力すると、ＲＥＳＥＴをＬにしてＣＰＵボードの外部アドレス出力ラインを非アクティブにしておいて、メモリの中身を読み出します（行番号２００〜２８０）。
プログラムリストの表示の次に、ＲＵＮコマンドで実行した結果の記録があります。
ＲＵＮのあと、００〜０７まで書き込んだデータの読み出しを行っています。
そのあとのＥＸＣＬＫ ＯＮで、外部クロックモードになり、外部クロックとして”Ｚ”キーを押すたびに１クロックをＣＰＵボードに与えていっています。
ＣＰＵ ＲＥＳＥＴ ＆ ＭＥＭＯＲＹ ＣＨＥＣＫで、再びメモリを読み出しています。
最後の０７番地がＡＡから７６に書き変えられていることがわかります。
●今度はいよいよ、本番中の本番、通常のクロック（４ＭＨｚ）で一気に実行させます
ＢＡＳＩＣプログラムと、実行の結果を記録したログをお見せします。
こちらをクリックするとテキストファイルが開きます。
さきほどのプログラムと基本動作は同じです。
さきほどはＣＰＵを実行させるのに、外部から１パルスずつ与えながら、ステップ動作をさせました。
今度はリセットを解除して一気に実行させます。
実行は一瞬で終わりますが、ＣＰＵが実行を完了するのに十分なだけの時間をウェイトした後に、メモリの中身を読み出しています。
今回の実行によっても、アドレス０７の中身はＡＡから７６に書き変えられていて、通常のスピードでも正しく命令が実行されたことがわかります。
最後のＨＬＴ命令（７６）を実行して停止した状態のＣＰＵボードの写真です。
Ｈレジスタに００、Ｌレジスタに０７が、Ａレジスタには７６が保持されています。
アドレスバス出力は０００７になっており、外部データバスには０００７番地のメモリの内容７６が表示されていて、その値がＯＰコードレジスタにラッチされ、同時に内部バスにも流れています。
写真右上にＬＥＤが４個と集合抵抗が追加されているのが、気になりませんか？
これは命令ごとにカウントアップされるマシンクロックカウンタの出力表示のために追加したものです。
デバッグを進めるうえでどうしても欲しくなって追加しました（うーん。これはあるといいですねぇ）。
マシンクロックカウンタは今回のシステムのキモ中のキモです。全ての動作はこのカウンタに依存しています。
マシンクロックカウンタについては、回路の説明を進める中で、多分近日中に紹介することができると思います。
２００８．８．１５ｕｐｌｏａｄ
２００８．８．１６一部加筆
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