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４５１回］

●実行速度について

前回の終わりのところで、Ｚ８０版ＴＫ８０（ＮＤ８０ＺＨ）とＴＫ８０との互換性について、「まだ問題が残っていた」と書きました。
それは何かといいますと、ＣＰＵクロックの違いなのです。

ＴＫ８０は１８．４３２ＭＨｚのクリスタルを９分周して得られる２．０４８ＭＨｚをＣＰＵクロックにしていました。
それに対してＮＤ８０ＺＨの方は８ＭＨｚのクリスタルを２分周して得られる４ＭＨｚをＣＰＵクロックにしています。
ＮＤ８０ＺＨでＴＫ８０用に書かれたプログラムを実行させると、倍速で実行してしまうのです。
速ければいい、とは言いきれません。
プログラムによってはちょっと困る場合がでてきます。
たとえばＭＹＣＰＵ８０のサンプルプログラムにもある、スピーカーから音を出すようなプログラムでは、音の高さが変わってしまいます。

ここまで書いてきて思い出しました。
当社がスタートするきっかけになった、ＴＫ８０互換ボードＮＤ８０のＣＰＵクロックは２ＭＨｚだったのですが、その後にＣＰＵを８０８０からＺ８０ＡにしたＮＤ８０ＺではＣＰＵクロックを倍の４ＭＨｚにＵＰしました。
しかしボード上に設けたスイッチによって、ＣＰＵクロックの２ＭＨｚと４ＭＨｚを切り換えることができるようにしてありました。

むむむ。
ちゃんと互換性を確保していたのですねえ。
そんなことはすっかり忘れてしまっていました。

あ。ＭＹＣＰＵ８０はたまたまＣＰＵクロックを２ＭＨｚにしましたので、この問題には遭遇することなく済んでしまいました。
ええ。ＭＹＣＰＵ８０の場合は、ほんとに、たまたま、でした。
当初は４ＭＨｚでスタートしたのですが、７４ＨＣ０３や７４ＨＣ０５の出力回路の遅れが原因で、クロックを半分の２ＭＨｚに落としたのですが、それはそういう理由からだったので、ＴＫ８０との互換性を考慮したから、というわけではなかったのです。

まあ、しかし。
せっかく４ＭＨｚで実行できるＺ８０Ａを、わざわざその半分の２ＭＨｚに落として使うというのも、なんだかなあ、という気がいたしますから、実行速度が関係するようなプログラムについては、ＣＰＵクロックに合わせてプログラムを書き換えていただく、ということで納得していただくことにいたしましょう。

それに。
Ｚ８０は８０８０の命令コードを全て実行できますが、実は命令によっては、実行クロック数が異なっているものもあるのです。
細かいことになりますが、そうすると、たとえＣＰＵクロックをＴＫ８０と同じにしたとしても、ＣＰＵが８０８０からＺ８０になったことで、同じプログラムでも、実行速度が微妙に異なってくるということも有り得るのです。

そんな細かい点には全く気がついていなかったのですが、以下に説明する作業をする過程で、偶然ですが、そのことに気がつきました。

●チャタリングタイマー

さきほどの説明で、スピーカーから音を出すプログラムでは音の高さが変わってきてしまう、ということを書きましたが、そんなこと以前に、もっと根本的なところで、ＣＰＵクロックの違いが影響する部分があったのです。
ＴＫ８０モニタプログラムにはカセットテープレコーダを使ってプログラムをＳＡＶＥ、ＬＯＡＤする機能がありますが、その録音波形を生成するためのタイマールーチンがあって、その一部が、キーのチャタリング回避のタイマーとしても利用されていました。

ＴＫ８０モニタプログラムのその部分のリストです。

              ;
              ;CHATTERING TIMER
              ;
                ORG $02DD
02DD 1624     D1:MVI D,24;WAIT 1/2 BIT TIME 4.5112MSEC
02DF 1E0C       MVI E,0C
02E1 1D         DCR E
02E2 C2E102     JNZ $-1
02E5 15         DCR D    
02E6 C2DF02     JNZ $-7
02E9 C9         RET
02EA 1648     D2:MVI D,48;WAIT 1 BIT TIME 9.0176MSEC
02EC C3DF02     JMP D1+2
02EF 16D8     D3:MVI D,D8;WAIT 3 BIT TIME 27.0176MSEC
02F1 C3DF02     JMP D1+2

［出典］ＮＥＣ日本電気㈱ＴＫ８０ユーザーズ・マニアル

アドレス０２ＥＡの９．０１７６ＭＳＥＣタイマールーチンがチャタリングタイマーです。
ここが倍速で実行されてしまうと、ちょっと都合が悪いことになります。
まあ、チャタリングタイマーとして９ｍｓｅｃの時間が絶対に必要か、というとそうは言いきれないのですが、ここが余り短くなってしまうと、キーのチャタリングが回避できなくなってしまうかもしれません。

で、上のリストのコメントを参考にして、Ｄ２のルーチンが約９ｍｓｅｃになるように、プログラムを変更しました。
ひょっとして、ＴＫ８０用のアプリケーションプログラムで、この部分が（Ｄ２だけではなくて、Ｄ１やＤ３のタイマーも）使われているかもしれないということを考慮して、コアの部分の
０２ＤＦ　１Ｅ０Ｃ　　ＭＶＩ　Ｅ，０Ｃ　
のところを計算して変更することにしました。

そのようにしてタイマールーチンの部分を変更した、ＮＤ８０ＺＨのモニタプログラムです。

              ;
              ;CHATTERING TIMER
              ;
                ORG $02DD
02DD 1624     D1:MVI D,24;=36 ck=7 127.75*36+(7+10)*0.25=4603.25microsec
02DF 1E23     D1_2:MVI E,23;=35 ck=7  7+14*35+14=511 0.25*511=127.75microsec
02E1 1D       D1_3:DCR E;       ck=4
02E2 C2E102     JNZ D1_3; ck=10
02E5 15         DCR D;    ck=4    
02E6 C2DF02     JNZ D1_2; ck=10
02E9 C9         RET;      ck=10
02EA 1648     D2:MVI D,48;=72  127.75*72+(7+10+10)*0.25=9204.75microsec
02EC C3DF02     JMP D1_2
02EF 16D8     D3:MVI D,D8;=216 127.75*216+27*0.25=27600.75microsec
02F1 C3DF02     JMP D1_2

ＣＰＵクロックを４ＭＨｚとして計算した結果、０２ＤＦのＭＶＩ命令でＥに与える値を２３（十進数の３５）に決めました。
Ｄ１～Ｄ３の実行時間はＴＫ８０の値より少し大きくなりますが、チャタリングタイマーという目的から考えて、ここは大き目の方が安全サイドであると考えました。
Ｅ＝２２（十進数の３４）の方がオリジナルにより近い値になるのですが、そうすると、オリジナルよりも実行時間が短くなってしまいます。

●テストプログラムで確認してみました

変更したタイマールーチンが、計算通りの値なのかどうか、簡単なテストプログラムを書いて確認してみました。

そのプログラムリストは、［第４４８回］で紹介しました、逆アセンブルリスト出力機能を利用してプリンタに出力して作成しました。
プログラムは簡単なものなので、キーから１６進コードを直接入力して作成しました。
アドレス８０００～８０１４の短いプログラムです。

そのプログラムの逆アセンブルリストを出力するには、７セグメントＬＥＤのアドレス表示部にプログラムの先頭アドレスの８０００を表示させて、データ表示部に終了アドレスの８０１４を表示させたあとで、［＊Ｉ／Ｏ］に続いてデータキーの［Ｂ］（［ＤＡ］）を押します。

キーから［８］［０］［０］［０］［ＡＤＲＳＳＥＴ］［８］［０］［１］［４］と入力したところです。

このあと［＊Ｉ／Ｏ］に続いてデータキーの［Ｂ］（［ＤＡ］）を押すと、下のリストがプリンタに出力されました。

０２ＥＡのサブルーチン（９．２ｍｓｅｃタイマールーチン）をＣＡＬＬするごとに８２Ｃ５５のＡポートからＦＦと００を交互に出力するだけの簡単なプログラムです。

Ａポートからの出力波形をオシロで観測してみました。

確かに９．２ｍｓｅｃです。
プログラムに間違いがないことが確認できました。

ところで、今回変更したモニタプログラムのタイマールーチンとオリジナルのＴＫ８０モニタプログラムの変更前のタイマールーチンとを比較していて。

あれえ？

ちょいとおかしなことに気がついてしまいました。

変更を行ったのはただ１ヶ所、アドレス０２ＤＦのＭＶＩ　Ｅ，０Ｃを、ＭＶＩ　Ｅ，２３にしただけだったのですけれど…？

そのどこが、あれえ？なのか。
さて、みなさま。おわかりになりますでしょうか？

本日は、時間がなくなってしまいましたので、そのことにつきましてはまた次回に説明することにいたします。
２０１０．３．８ｕｐｌｏａｄ

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