(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第４１回］
●ステップ動作について
[第３８回］で「ステップ動作の回路」は削除する、と書いたところ、「ステップ動作は削除しないでほしい」というメールをいただきました。
どうも私の書き方が悪かったようで、誤解されてしまったようです。
当初、回路として用意していたステップ動作は、外部からステップパルスを入れるごとに、１命令ずつ実行していく機能で、これがあるとマシン語プログラムのデバッグに役立ちます。
しかしそれは１命令ごとに停止しながら実行するので、１命令そのものは通常の速度で一瞬のうちに実行してしまいます。
たとえば前回のＭＯＶ ｒ，ｒ’命令のタイミングチャートで説明したＴ０〜Ｔ６の期間が、一瞬で実行されてしまうので、そんなステップ動作は、この「つくるＣＰＵ」ボードにはあまりうれしい機能でもない、と考えたので、削除してしまうことにしたのです。
実はこのボードにはもっとうれしい「ステップ動作」の機能があるのです。
●外部クロックを使ってマシンサイクル毎に実行できる
通常は８ＭＨｚの水晶発振回路をもとにした、４ＭＨｚのクロックで動くのですが、「つくるＣＰＵ」ボードは、その４ＭＨｚをちょいと横に外しておいて、外部からもっとゆっくりしたクロックを与えて動作させることができるのです。
究極の動作としては、１クロックパルスずつ与えていくこともできます。
その場合には、１クロックパルスを与えるごとにＴ０→Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３…というように、１クロックずつ回路が動作していく様子をボード上のＬＥＤで観察することができるのです。
いままでにお見せしたクロック回路は、この部分を省略していたために、そういう機能は無いのか、という誤解を受けてしまったようです。
ですので、あらためて、外部クロック入力の部分も含めた回路図をお見せします。
ＥｘｃｌｋＥをＬにすると、水晶発振回路からの４ＭＨｚクロックが禁止されて、外部クロック入力端子、Ｅｘｃｌｋから入力されたクロックがＣＰＵクロックとして回路に供給されます。
●ＭＯＶ ｒ，ｒ’の動作をクロックごとに実行させてみました
［第３９回］で説明したＯＰコードフェッチサイクルと前回、［第４０回］で説明したＭＯＶ ｒ，ｒ’の動作を、タイミングチャート通りの、Ｔ０〜Ｔ６（Ｔ０）のクロック毎にステップ動作をさせてみました。
例としてＤレジスタの値（あらかじめデータとして５５を入れておきます）を、Ｅレジスタ（あらかじめデータとしてＦ０を入れておきます）にＭｏｖｅさせることにします。
ニーモニックは、ＭＯＶ Ｅ，Ｄ です。
マシン語命令コードは、 ０１０１１０１０ になります（ｄｄｄ＝０１１、ｓｓｓ＝０１０）。
Ｄ、Ｅレジスタに初期値を入れるための命令を実行したあと、ＭＯＶ Ｅ，Ｄ を実行させるため、ＭＯＶ Ｅ，Ｄ はメモリの０００４番地に書くことになりました。
●クロック毎の動作の様子を写真に撮りました
写真はプログラムカウンタが０００４になった、ＯＰコードフェッチサイクルのＴ０からスタートします。
アドレスバス下位８ビット（Ａ７−Ａ０）には０００００１００が表示され、データバスには、命令コード０１０１１０１０が表示されています。
緑色のアドレスバス表示ＬＥＤ（Ａ１５−Ａ８、Ａ７−Ａ０）の少し上にあるＰＣＡＤｏｕｔが点灯しています（アクティブＬで点灯））。
ＰＣＡＤｏｕｔは、プログラムカウンタの値を外部アドレスバス（Ａ０〜Ａ１５）に出力するための、７４ＨＣ２４４のｐｉｎ１、ｐｉｎ１９につながっています。
ＰＣＡＤｏｕｔがアクティブ（Ｌ）になると７４ＨＣ２４４のゲートが開いて、プログラムカウンタの値が外部アドレスバスに出力されます。
右下の黄色ＬＥＤグループの左から２番目はＭＥＭＲＤ（アクティブで点灯）で右から３番目はＥｘｃｌｃＥ（外部クロックイネーブル）です。
すこし離れた右端の赤色ＬＥＤは電源ＯＮ表示です。
ＭＥＭＲＤがアクティブなのでｉｎｎｅｒＢＵＳ（内部データバス）には、外部データバスの０１０１１０１０が入っていますが、ＯＰｒｅｇ（ＯＰコードレジスタ）にはまだひとつ前の命令がラッチされたままです。
写真中央付近にレジスタＤとレジスタＥがあります。
レジスタＤには０１０１０１０１が、レジスタＥには１１１１００００が表示されています（あらかじめそのようにセットしておきました）。
写真左上の黄色ＬＥＤはｒｅｇＷＲとｒｅｇＲＤです。アクティブのときに点灯します。
写真右上には縦に並んだ黄色ＬＥＤがあります。
レジスタ選択信号です。上から順に、ｄ０〜ｄ３、ｓ０〜ｓ３です。通常はｄ３とｓ３はＨになっています。
ｄ０〜ｄ３、ｓ０〜ｓ３もまだ前の命令の状態のままです。
その少し左下にあとから追加された４個の赤色ＬＥＤがあります。
Ｔ、Ｍ、Ｗクロックのもとになる、Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄ信号です。
写真はＴ０のタイミングですから、全部消灯しています。
Ｔ１の写真です。
Ｔ１になって、ＯＰレジスタに命令コード０１０１１０１０がラッチされました。ｄ２〜ｄ０はもとから０１１（レジスタＥ）でしたが、ｓ２〜ｓ０は０１０（Ｄレジスタ）に変わりました。
Ｔ２の写真です。
ステップが進んだだけで、ＬＥＤに変化はありません。
Ｔ３の写真です。
これも変化はありません。
プログラムカウンタはＴ３の終了時にカウントアップされるので、この時点ではまだ変化はしません。
Ｔ４の写真です。
ＭＯＶ命令が実行されている様子です。
左上のｒｅｇＷＲとｒｅｇＲＤがともに点灯しています。
また写真中央部のＤレジスタ回路の、ＤｒｅｇＲＤが点灯しています。
ｒｅｇＲＤとｓ０〜ｓ２によって、レジスタ選択回路の７４ＨＣ２３８の出力のうち、ＤｒｅｇＲＤがＨアクティブになったことを示しています。
ＤｒｅｇＲＤがアクティブになると、Ｄレジスタの値が、７４ＨＣ２４４を通して、内部データバスに出てきます。
レジスタＤのデータ０１０１０１０１が内部データバスに出力されるとともに、Ｅレジスタも（ｒｅｇＷＲとｄ０〜ｄ２によって選択され、７４ＨＣ３７３のｐｉｎ１１がＨになっていて）データが筒抜け状態なので、内部データバスと同じ０１０１０１０１が表示されています。
ＯＰコードフェッチ期間は終わっているので、ＭＥＭＲＤは消灯しています。
外部アドレスバスとデータバスが全点灯していますが、これは、Ｔ４、Ｔ５のタイミングは内部だけで行われる処理サイクルなので、メモリから何かを読む必要が無いため、ＰＣＡＤｏｕｔもＭＥＭＲＤも非アクティブにしているからです。
外部アドレスバスもデータバスも非アクティブ（ハイインピーダンス）になってしまうため、プルアップ抵抗によってＡ０〜Ａ１５とＤ０〜Ｄ７の全ＬＥＤが点灯します。
確かにこの期間では、ＯＰコードもフェッチしてしまって、メモリからデータ（命令コード）を読む必要がないため、アドレスバスもデータバスも開放してしまって構わないのですけれど（事実、Ｚ８０ではＯＰコードフェッチ後に、アドレスバスをダイナミックＲＡＭのリフレッシュサイクルとして利用しており、一時的にアドレスバスをプログラムカウンタの出力から切り離しています）、こうやってマシンサイクルごとにステップ動作をさせていると、一時的にせよ、アドレスバスとデータバスの表示が全部Ｈになってしまうのは、なんだかなぁ、という感じがします。
ことにＴ３からＴ４へのタイミングでプログラムカウンタが＋１される様子が確認できないのは残念です。
アドレスバスとデータバスについているＬＥＤ表示回路は、本来は、ＣＰＵ回路の外の基板に置くべきものです。
でも、どうせプログラムカウンタの表示も行うのだから、ここで兼用してしまおう、と考えたため、外部アドレスバスの表示回路を「つくるＣＰＵ」基板に含め、その代わりに、プログラムカウンタの表示をサボッてしまったのです。
しかし、こうやって実際に、マシンサイクルごとに動作させてみると、やっぱり外部アドレスバスの表示とは別に、プログラムカウンタの表示も、あった方がいい、ようです。
うーん。なんとか、考えてみます（なんとか、できるかなぁ…）。
Ｔ５の写真です。
ｒｅｇＲＤとＤｒｅｇＲＤはまだ点灯していますが、ｒｅｇＷＲは消灯しました。
Ｔ６（Ｔ０）の写真です。
アドレスが”０００５”になって、次のＯＰコードフェッチサイクルＴ０になっています。
ＯＰコードレジスタには、まださきほどのＭＯＶ命令（０１０１１０１０）がラッチされたままですが、内部データバスには外部データバスと同じデータ（０１１１０１１０）が表示されています。
２００８．８．１９ｕｐｌｏａｄ
２００８．８．２０追記
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