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４５２回］

●計算が合いません？？？

前回は、
ＴＫ８０のＣＰＵクロックが２ＭＨｚだったのに、Ｚ８０版ＴＫ８０ボード（ＮＤ８０ＺＨ）のＣＰＵクロックが４ＭＨｚなので、モニタプログラムのチャタリングタイマーを補正しました。
というお話をいたしました。

ＣＰＵクロックが２ＭＨｚのボード（ＴＫ８０）で、９ｍｓｅｃのタイマープログラムを、ＣＰＵクロックが４ＭＨｚのボード（ＮＤ８０ＺＨ）でそのまま実行したら、４．５ｍｓｅｃタイマーになってしまいます。
キー入力時のチャタリングによる誤入力を回避するためのタイマールーチンですから、それが半分の時間になってしまっては、使い物にならない可能性がありますから、クロックを４ＭＨｚにしても、約９ｍｓｅｃになるように定数を書き換えたのです。

Ｚ８０は８０８０の命令をそのまま実行できますから、単純に考えたら、時間待ちのループ回数を倍にすれば計算が合う、はずでした。

念のために、ということで、オリジナルのままのタイマールーチンの各命令の実行クロック数を全部計算して、そこからＤ２のサブルーチンの実行時間が９ｍｓｅｃになるように、繰り返し回数を計算で求めて、得られた値が、
アドレス０２ＤＦのＭＶＩ　Ｅ，２３
でした。
１６進数の２３は十進数では３５です。

ところが。

オリジナルのＴＫ８０モニタプログラムのその部分は、
ＭＶＩ　Ｅ，０Ｃ
だったのです。
０Ｃは十進数では１２です。

あれま。計算が合いませんですねえ？
２ＭＨｚのときに繰り返し回数が１２回だったのですから、４ＭＨｚなら２４回になるはずでしょう。
それが４ＭＨｚだと３５回になってしまうのですよお。
５割近くも違うじゃありませんかあ。
なぜえ？

ＣＰＵクロック４ＭＨｚで約９ｍｓｅｃになるように計算で求めて書き直したタイマールーチンをテストプログラムを書いて確認してみたところ、間違い無く約９ｍｓｅｃであることは、テストプログラムを実行して得られた出力波形から明らかです（前回［第４５１回］のオシロの写真）。

では、ＴＫ８０モニタプログラムが間違っているのか？
いや、いくらなんでも、それはないでしょうよ。

どうでもよいことかもしれませんが…。
いやあ、これはどうでもよいことでは済まされませんでしょう。
むむ。納得がいきません。
こういうことは、やっぱり納得がいくところまで、追及してみたくなってしまいますです。
一旦、気になると、そのままにしておくのが、どうにも気持ちが悪いのですよねえ。

で。
オリジナルのＴＫ８０モニタのタイマールーチンの各命令に８０８０のクロック数を当てはめて、実行時間を計算してみました。

すると、意外な結果になったのです。

              ;
              ;CHATTERING TIMER
              ;
                ORG $02DD
02DD 1624     D1:MVI D,24;WAIT 1/2 BIT TIME 4.5112MSEC (7)
02DF 1E0C       MVI E,0C (7)
02E1 1D         DCR E    (5)
02E2 C2E102     JNZ $-1  (10)
02E5 15         DCR D    (5)
02E6 C2DF02     JNZ $-7  (10)
02E9 C9         RET      (10)
02EA 1648     D2:MVI D,48;WAIT 1 BIT TIME 9.0176MSEC (7)
02EC C3DF02     JMP D1+2 (10)
02EF 16D8     D3:MVI D,D8;WAIT 3 BIT TIME 27.0176MSEC (7)
02F1 C3DF02     JMP D1+2 (10)

［出典］ＮＥＣ日本電気㈱ＴＫ８０ユーザーズ・マニアル

前回お見せしたリストの各命令にクロック数を書き加えてみました。
このクロック数をもとに、実行時間を計算してみました。

Ｄ１～Ｄ３のルーチンは、いずれも０２ＤＦ～０２Ｅ９を実行しています。
そこでまずこの部分のトータルクロック数を計算してみました。
０Ｃは十進の１２ですから、
０２ＤＦ～０２Ｅ２の部分は、７＋（５＋１０）×１２＝１８７になります。
Ｄ２のＭＶＩ　Ｄ，４８の４８は十進の７２ですから、Ｄ２から０２Ｅ９のＲＥＴまでのトータルクロック数は、
７＋１０＋（１８７＋５＋１０）×７２＋１０＝１４５７１です。
ＴＫ８０のＣＰＵクロックは１８．４３２ＭＨｚを９分周して得られる２．０４８ＭＨｚですから、１クロックは１／２．０４８μｓｅｃです。
ですからＤ２の実行時間は、１４５７１×（１／２．０４８）＝７１１４．７μｓｅｃ…。

やっぱり計算が合いません…。

実はこの段階で気がついたことがあります。
それは、ＤＣＲ命令のクロック数です。
８０８０のＤＣＲ命令のクロック数は、Ｚ８０と違っていたのです。

前回お見せした、ＣＰＵクロック４ＭＨｚ用に書き直した、上と同じタイマールーチンのリストです。
このリストにコメントしてあるクロック数はＺ８０のクロック数です。

              ;
              ;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

Ｚ８０ではＤＣＲ命令のクロック数が４であるのに、８０８０では５になっています。
８０８０は１クロック余計にかかっているのです。

しかし、そのことと、８０８０の命令クロック数をあてはめて計算した結果、Ｄ２の実行時間がオリジナルのモニタプログラムのリストに書かれている９．０１７６ｍｓｅｃにならない、ということとは、別の問題です。
これは一体どういうことなのでしょうか？

●ＴＫ８０はメモリアクセスに１ウェイトを加えていた

あらためて、ＴＫ８０のユーザーズマニアルを読んでみて、そうだったのか！と合点がいきました。
昔はメモリのアクセスタイムが遅かったのです。
特にＲＯＭは遅かったことを、思い出しました。
ＣＰＵクロックが２ＭＨｚでも、ＲＯＭをアクセスするのには速すぎたので、ＴＫ８０はメモリをアクセスする度に１クロックを追加していたのです。
すると、ＤＣＲは１バイト命令ですから、そのクロック数は５＋１＝６になりますが、ＭＶＩは２バイト命令なので（メモリを２回アクセスするので）、クロック数は７＋２＝９になり、ＪＭＰは３バイト命令なので、クロック数は１０＋３＝１３になります。

むむむ。
やっと読めてきました。
もう一度、計算のやり直しです。

02DD 1624     D1:MVI D,24;WAIT 1/2 BIT TIME 4.5112MSEC (9)
02DF 1E0C       MVI E,0C (9)
02E1 1D         DCR E    (6)
02E2 C2E102     JNZ $-1  (13)
02E5 15         DCR D    (6)
02E6 C2DF02     JNZ $-7  (13)
02E9 C9         RET      (13)
02EA 1648     D2:MVI D,48;WAIT 1 BIT TIME 9.0176MSEC (9)
02EC C3DF02     JMP D1+2 (13)
02EF 16D8     D3:MVI D,D8;WAIT 3 BIT TIME 27.0176MSEC (9)
02F1 C3DF02     JMP D1+2 (13)

０２ＤＦ～０２Ｅ２の部分は、９＋（６＋１３）×１２＝２３７になります。
Ｄ２から０２Ｅ９のＲＥＴまでのトータルクロック数は、
９＋１３＋（２３７＋６＋１３）×７２＋１３＝１８４６７です。
Ｄ２の実行時間は、１８４６７×（１／２．０４８）＝９０１７．１μｓｅｃ！
おお！合いました。

ところで、上の計算の２３７＋６＋１３は、２５６になります。ここに１／２．０４８を掛けると、２５６×（１／２．０４８）＝１２５μｓｅｃになります（端数なし、ちょうどです）。
その昔、ＴＫ８０の回路図をはじめて見たとき、なんでこんな半端な周波数を使っているのだろう、と疑問に思ったのですが、その後にこのクリスタル（１８．４３２ＭＨｚ）がＲＳ２３２Ｃ回路で使われていることを知りました。
２のｎ乗を扱うバイナリ回路と相性がいい周波数だったのですねえ。

余談ですが、ＴＫ８０のユーザーズマニアルによりますと、８０８０はＲＥＡＤＹ（２３ｐｉｎ）とＷＡＩＴ（２４ｐｉｎ）を結線すると、メモリアクセス時に１ウェイト（１クロック）が追加される、のだそうです。
ということは、Ｚ８０を使って、実行時間の上でもＴＫ８０との互換性を維持するのは、事実上無理、とまでは言いませんけれど、そこまでやるか、ということですから、ＣＰＵクロックについての互換性は、前回にも書きましたように、考慮しないことにしましょう、というのが正解のようです。

●ＮＤ８０の回路図がでてきました

チャタリングタイマーの問題で、あれこれ調べようとして、昔の資料をあさっていましたら、なんととっくの昔に処分してしまったと思っていた、初代ＮＤ８０の回路図（原本）が出てきました。
昔はＣＡＤなどありませんでしたから、方眼紙にエンピツで手書きをしています。
むむむ。
懐かしいですねえ。

消費電流を押さえるために、速度が気にならない部分にはＣＭＯＳゲートを使っています。
ＲＯＭは１ＫＢの２７０８、ＲＡＭは１Ｋ×４ビットの２１１４を使っています。
メカニカルキーが高かったので（今でも結構高いですけれど）、メカニカルキーの代わりにＣＭＯＳゲートを利用したタッチキー回路になっています。
右上にはトランスとブリッジ整流回路、３端子による整流回路も見えます。
当時高かったマルチ電源も基板上に乗せてしまいました。

スキャナにかけようとしましたら、裏に日付が書いてありました。

昭和５４年ですから、え…と、１９７９年ですねえ。
おお、３１年前です。

ＣＰＵ部分を拡大してみました。
うう。こちらもちゃんと、ＲＥＡＤＹとＷＡＩＴが結線してありました。

２０１０．３．９ｕｐｌｏａｄ

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