前回までCP/Mエミュレータで古のデジタルリサーチ社の遺産である8080アセンブラやデバッガを使用。「今時の若者というか中年も」8080とかZ80のお名前は知っている。でも知らないことも多いことに気付きましたです。当然か。そこで今回は老人が蘊蓄を垂れさせていただきます。お前がそんなこと言うかと怒られそうだけれども。
先達の方々の偉大なご努力により、ヤマシイところもなくデジタルリサーチ社のCP/Mとそのツールチェーンをエミュレータ上で使用させていただいております。当時のマシンよりずっと速いんでないかい。ファイルの在処は以下に。
さて、CP/M‐80は、インテル8080、インテル8085、ザイログZ80とその互換機上で実行可能なOSでした。この３つの8bit CPUの互換性は非常に高く、命令セット的には、
(8080≒8085 ) ≦ Z80
という感じっす。別記事にて命令セットについても述べるつもりです。今回はこの３者のハードウエアについて思うところを勝手に述べさせていただきます。ざっくりしたところを書いてしまうと
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- まだ集積度的には発展途上だった8080（いろいろ外付け部品必要）
- 8080の延長上にあって使いやすくなったZ80
- 次の16ビット8086への橋渡し的な立ち位置の8085
です。３者ともオリジナルはNMOS製品ですが、ハードウエアの設計思想は大分異なっています。
先ずは電源
以下の図は３者の電源端子について黄色のマーカを施してみました。
左端が８０８０、真ん中が８０８５、右端がZ80です。パッと見、直ぐに分かるのが８０８０にはプラスマイナス５V電源以外に＋１２V電源まで必要だったことです。この当時８０８０に使用されたＮＭＯＳプロセスは最先端で、まだこなれていたとは言い難かったことに注意しなければなりません。この時代以前はＭＯＳーＬＳＩといえばまだＰＭＯＳプロセスが主力だったのです。そこに登場したＮＭＯＳプロセスは、ＮｃｈーＭＯＳトランジスタの速度の速さ（キャリアの移動度がだいたい３倍ということで良いのかしらん）もあり、性能でＰＭＯＳを圧倒するのですが、まだじゃじゃ馬状態ではなかったかと。そこで８０８０の時代には、オンチップで電源に細工しようなどという「冒険」は考えもしなかったのだと思います。結果、外部で３種類の電圧を作って頂戴ね、ということになったんだと思います。
しかし、次の８０８５およびＺ８０の世代となると、コストカットの圧力がかかってきたのでしょう。３電源を１電源にできれば大きなコストカットが見込まれます。そこで新世代のＮＭＯＳではバックバイアスジェネレータとかテクを使って＋５Ｖ単一電源で動作させるようになったものと考えます。
しかし、それにしても8085のピン配置は端正。電源、ＧＮＤはこの時代の「業界標準」であった右上と左下の対角線位置です。ただし、実はこの配置はマズイ配置ということが少し後になると分かってきます。後の世代になると電源、ＧＮＤ端子はなるべく近くに寄せるのが定石（遠くになるほどインダクタンス成分が効いてくるため。）またパッケージング技術の進展により複数のＧＮＤ端子が一般化するとバスのような同タイミングで変化する端子群の両側にＧＮＤを置くような端子配置（対ノイズ）も一般化します。この8085の端子配置は「古き良き時代の」お作法に則ったものですな。
一方Ｚ８０の方はチップを横切るものの配置が近いので８０８５よりインダクタンス的には有利かと。でもま、速度も遅いし気持ちか。それにインダクタンス成分のことを考えて配置したわけじゃないだろうし。。。すみません。
続いてクロック
つづいて３者のクロック端子を緑で色付けしてみました。
まず、左端の８０８０の場合は、PH1、PH2と２端子使ってます。この場合、
２相ノンオーバラップクロック
を外部で作って入力せねばならないのです。「ノンオーバラップ」というのは２つのクロックの「ハイ」期間に重なりがまったくなく、隙間のあるクロックです。８０８０の内部回路で使っているクロックそのものと言ってよいです。当然「専用」的なクロックジェネレータを外部に設けねばなりません。
当然、コスト的にはいかがなものかとなって、外部回路削減の要求が強かったんんだと思います。そこで長足の進歩を遂げたのが８０８５です。８０８５にはX1、X2と２端子ありますが、これは振動子をここにとりつければ自分で発振させてクロックを作るよ、という端子です。現代のマイコン等でも踏襲されている端子構成です。つまり８０８０では外部回路が必要であった発振回路まで取り込まれてます。コスト削減っと。また、内部クロックが隠蔽されてしまって外部回路で見えないと困るという意見もあったのでしょう。わざわざCLKという名の出力端子まで備えています。なお、X1、X2は必ず振動子を接続しなければならないというわけではなく、X1に単相クロックを与えても動作します。
Z80の場合、発振回路の取り込みまでは至らなかったようです。オシレータは結構アナログだしなあ。とはいえ２相ノンオーバラップクロックを外部で作ってというのはコスト高につながるので、シンプルな単相クロックで動作するように変更されてます。多分、内部じゃ２相ノンオーバラップクロック使ってると思うケド。
８０８５はハードウエア設計者に対しては非常によく考えてサービスした石で、RESETに対しても入力だけでなく、出力端子まで用意しています。外部からRESETかけたつもりでも本当に内部で受け付けられたのが否かは見えません。RESET_OUT信号が出てくると。安心して使えますからな。
バス
アドレス端子を黄色、データ端子を緑に色付けした図が以下に。
ここでは8080をそのまま継承したのはZ80で、8085は次のステップに突き抜けてしまっていることが分かります。
８０８０ではアドレス、データ分離のバスでした。８ビットなのでデータバスは８ビット幅、６４Kバイト空間なので１６ビットのアドレスバスです。Ｚ８０もこの方式です。色付けしていませんが、８０８０とＺ８０のバス制御信号名は異なっているようにも見えますが、最終的には似た信号になります。
８０８０はバスステータスをデコードする外付け回路
を当てにしていた、ということがあります。ここでも８０８０は外付け回路に頼ってます。８０８０の回路にくらべるとＺ８０の制御信号はごく簡単な外付け論理ゲートで作れるようになっておりシンプル、ここでもコストカットね。
一方、ひとり８０８５は過激な方向に一歩を踏み出してます。データバス８ビットとアドレスバスの下８ビットをマルチプレクスしてしまったのです。そして悪名高い？ALE(アドレス・ラッチ・イネーブル）信号を設けました。アドレスデータの８ビットについては、まずアドレスを出しておいて、ＡＬＥ信号で外付けのラッチに確保しておいてもらい、次のタイミングでデータバスに切り替えて使うという技です。アドレス、データ分離の８０８０やＺ８０に比べるとメンドイし、外部ラッチが必要な分コスト高になるのですが、これには先を読んだ効果があったのです。それは
後継の１６ビット機、８０８６（もちろん８０８８も）が４０ピンＤＩＰに収まる
という利点です。その当時パッケージ技術はまだまだで、現在のような多ピンパッケージなど登場するのは遥か先です。通常の（当然コストが安い）ＤＩＰパッケージは４０ピンが最大。それ以上となると特殊でお高いものにつきました。この８０８５で採用したマルチプレクスバスのお陰で、８０８６は皆さまが使い慣れている４０ピンパッケージで１６ビット化できたのです。Ｚ８０００や６８０００のパッケージが大きくなってしまった（特に６８ＫのＤＩＰは今だにインパクトが強すぎるパッケージです）のにくらべると差はデカいです。８０８６そしてそのデータバス８ビット縛り版である８０８８はボードコスト的にも８ビット並み。これがＩＢＭーＰＣの８０８８採用につながった大きな決め手になったと。偉大なアドレス・ラッチ・イネーブル。
そうだＺ８０についても１端子、RFRH端子をあげとかないとなりますまい。ＤＲＡＭリフレッシュのための端子デス。当時のＤＲＡＭなのでリフレッシュといってもそんなに難しい回路ではないのだけれども、ともかく他のＣＰＵでは外付け回路が必要であったです。それがＺ８０を採用するとＣＰＵ自身がＤＲＡＭリフレッシュをかけてくれる。当時は大うけ。Ｚ８０の成功の柱の一つ。ただし今じゃそのありがたみは分からないけど。