GMC-4で動く3連ナイトライダー

10年前に書いた投稿(大人の科学No24 2012/09/27)にRESが付いた。

大人の科学No24の付録の4Bitマイコン(GMC-4)で動く3連ナイトライダーのプログラムを紹介した記事で、
・プログラム38ワード、データ2ワード
が最小と書いた。これに対して、
・プログラム37ワード、データ1ワード
に短縮できるという内容だった。

昔書いたコードを探したが見つからなかった、あれからPCを2回くらい変えたし、当時使っていたNASは死んだ。
まあ、1度書いたコードは簡単に書けるだろうと思って書き始めたら、38ワードは38hワードの間違いかと思うくらい書けなかった。
2週間以上ハマってしまった。

Qiitaの投稿では、当時の動画に初期状態が無いという理由で初期化を省略してある。
当時ココログは動画のサイズ1MBに制限されていたので初期状態を含めることができなかったのだが、初期状態は表示している。
記憶が正しければ、データ2ワード使用しているのは、データメモリ5Eh,5Fhのビットパターンを表示する CAL DSPRを使用して初期状態を表示しているからだ。初期状態を表示しなくて良いなら、データメモリを使わないで書ける。
↓こんな感じ

	ORG	0	;
INIT:
	TIA	1h	;	
 			;2 
L1:
	CAL	SETR	;
	AIY	3h	;
			;4
	AO		;
	CAL	RSTR	;
	CAL	TIMR	;
	AIY	Ch	;
	JUMP	L1	;	
			;10
L3:
	AIY	4h	;
	AO
	CAL	SETR	;
			;5
	AIY	Dh	;
	CAL	RSTR	;
	CAL	TIMR	;
	CIY	3h	;
	JUMP	L3	;
	JUMP	INIT	;
			;12
			; Total 35
こ

↑はプログラム35ワード/データ０ワードだ。
今のところこれが最小だと主張しておこう(^^。

なぜ今のところかというと、元記事で最小と主張していたプログラム38ワード/データ2ワードで初期状態を表示するために必要なプログラム4ワード/データ2ワードを省略すると、プログラム34ワード/データ0ワードで書ける．．．はず。

↓動画、GMC4simを使いました。

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74HC181 <4bit ALU>

ヤフオクで74HC181が出ていたいのでポチってみた。4個で2,500円でお手ごろだ。

74LS181と14581は持っていた。

74181や74F181は秋葉で見たことがある。

今時はTTLといっても74HCシリーズ(CMOS)を使うので74LS181を使おうとするとレベルが違うので74HCTシリーズを使わなければならない。(まじめに作るろうとすると)

74181は4bit ALU(Arithmetic and Logic Unit)算術論理演算で、四則演算や論理演算ができるICだ。昔昔、コンピュータが標準ロジックICで作られていたときには、74181が使われていたそうな。

標準ロジックICでコンピュータを作っている人がけっこういる。(TNACOM-1とかRETFORとかweb-ringもある)　今時はFPGAやCPLDを使うと簡単にできるようになったけど、標準ロジックIC作ってみるとCPUアーキテクチャが理解できるようになる。

簡単なのは「CPUの創りかた」で紹介されているTD4だ。標準ロジックで4bitのCPUを作るというもの。

実際に作ってみた。

TD4の演算は加算だけなので、四則演算や論理演算ができるようなCPUを作ってみたくなる。そうすると、でも紹介されている74181(ALU)が必要になる。

ところが、今時、ALUはCPUの中に一体化しているので単独で使う用途は無くなってしまったので流通在庫を探すしかない。webショップでTTLを売っていると、つい181で検索してしまう。部品屋でTTLを売っていると、つい引き出しを開けてしまう。(変なおじさんだ)

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TD4(2)

　以前作ったTD4のページに掲載しているサンプルプログラムが間違っているのではというコメントが付き、調べてみると確かに間違っていたのでシミュレータ(logisim)でシミュレーションしてサンプルプログラム（ナイトライダー）は正しく動作することを確認した。

　もうひとつのサンプルプログラム(テニスゲーム)は、プログラムが25byteある。作ったときにはスイッチで入力していたのだが、さすがに面倒になったので、arduinoを使ってプログラムローダを仕立てた。

　機能は、プログラムのロードと実行のモニタである。

○プログラムのロードは
手作業でやっていた、
スライドスイッチでプログラムをセット→書き込み(WE)ボタンを押す→ステップ・ボタンを押す
の動作を自動的にやるようにしたもの。

○実行のモニタは
クロックの立ち上がりをモニターして実行しているアドレスと機械語を表示するというもの。

←奥の緑色の基板が秋月で基板を買って作ったArduinもどき

　LコマンドでArduinoにプログラムをロードして、WコマンドでTD4もどきのプログラムRAMに書き込む。Mコマンドで実行しているアドレスと機械語が表示される。

ダウンロード TD4_tenis1.avi (923.5K)

Logisim

　以前作ったTD4のページに掲載しているサンプルプログラムが間違っているのではというコメントが付いた。　よく見ると確かに間違っているようだ。

　じつはTD4は3回くらい作った。
Spartan3Eとトラ技のおまけのMAXIIと
↓74シリーズで作ったTD4もどきだが、回路図も間違っていた。

　FPGA、CPLDで作るときにはISEやQuartusIIでシミュレーションできる。標準ロジックを使用した回路のシミュレーションも標準ロジックをHDLで書いてライブラリにしておくとISEやQuartusやModelSimでシミュレーションできるのだけれど、簡単に論理レベルでシミュレーションできるものを探したらLogisimを見つけた。

　Logisimはオフィシャルサイトの Downloadページ の Logisim's SourceForge.net page. からDLする。
シミュレーションに必要な7400シリーズのライブラリは Related linksページ の7400 series Logisim library from Ben Oztalay (ZIP, uncompressed) から7400シリーズのライブラリ(7400-lib.circ)をDLしておく。

　このライブラリには、74173(4bit D-type Registers with 3state output),74283(4bit binary adder), 74259(8bit addressable latches)が含まれていないので、
このライブラリ(7400-lib-td4.circ 33.3K) を使用する。

ライブラリは、[Project]→[Load Library]→[Logisim Libray...]で
7400-lib.circと7400-lib-td4.circを読み込んでおく。

シミュレーションファイルは、これ (TD4-Yoshi.circ 43.5K)。　プログラムは
これ KnightRider.bin

ダウンロード TD4-sim-1.avi (922.5K)

大人の科学 vol24

大人の科学 Vol24 4ビットマイコン

2009年に発売されたVol24の付録は４ビットマイコンで発売されてすぐに買って遊んだ。

付録のGMC-4は1981年に発売された電子ブロックシリーズに含まれるFXマイコンの復刻版らしい。

　レジスタは8個、命令は30個だが半分は組み込みサブルーチンへのCALLなので、アセンブラを作るのは簡単（スクリプト言語でチョコチョコっと作れるくらい）だ。何種類か公開されていたはず。

　yacc,flexの勉強がてら2パスアセンブラを作った。yaccの課題で電卓の次としてはちょうどいいくらいだった。プログラミングは命令が少ないので覚えてしまうくらいだがやはりアセンブラがあるとずいぶん楽だ。

　プログラムメモリが80ワード、データメモリが16ワードしかないので、如何にプログラムを小さくするかが問題である。

当時撮影したビデオがあった。（お約束のナイトライダー）

←リンク先にAVI

　LEDが1個流れるのは簡単で、3個が流れるのはちょっと面倒、
最小はプログラム38ワード、データ2ワードだ。　どうよ ＞T君

　改造ネタを考えていたのだがフェードアウトしてしまった。

TD4

「CPUの創りかた」のTD4を作ったときの記録