TTA-8
発展2. CPU の箱と番地を 大きくするには？
ここは 回路を改造するときの設計メモ です。以下の新しいポートや仕組みは、現行のTTA-8とラボには まだありません。 そのまま入力して動くサンプルではなく、「どこを変える必要があるか」を考える補題です。
16bitにしたら、何が変わる？
8bitの数の箱を16bitにすると、0〜65,535を一つの箱に入れられます。
ただし v の宣言だけを変えても、ほかの8bitの箱へ渡した時点で上位の桁が落ちます。
| 大きくする部分 | 一緒に考えること |
|---|---|
| V、ALU_A、ALU_B、RAMの各要素 | 計算結果とデータの通り道も16bitに揃える |
| 定数の読み込み | 今の IMM は後続1バイト。大きな数を2バイトで読むなら、順序とPCの進み方を決める |
| LEDへの出力 | 今は下位6bitだけ。16bit化してもLEDが自動で増えるわけではない |
| PCとプログラムROM | データ幅とは別に決める。Vを16bitにしてもプログラム容量は自動では増えない |
| アセンブラ、BASIC、ラボ | 数の範囲、命令の長さ、表示、計算結果の扱いを揃える |
命令を8bitのままにして、運ぶデータだけ16bitにする設計もできます。 IMMを後続2バイトに変える案なら、命令1バイト＋定数2バイトで、次のPCは3進みます。 既存のプログラムは新しい形式で作り直します。
外のメモリには「番地の箱」と「データの窓口」を作る
今のRAMは32個で、命令に書いた番号で直接選びます。 外のメモリをたくさん読み書きするなら、先に アクセスしたい番地をレジスタに覚えさせる 方法があります。 ここでは、この番地を覚える箱をアドレスインデックスレジスタと呼びます。
たとえば8bitデータのまま、番地用に8bitの箱を二つ作ります。
| 新しく作るポートの例 | WRITE | READ |
|---|---|---|
| MEM_LO | 番地の下位8bitを保存 | 下位8bitを読む |
| MEM_HI | 番地の上位8bitを保存 | 上位8bitを読む |
| MEM_DATA | 選んだ番地へデータを書く | 選んだ番地のデータを読む |
; 改造後の使い方の案（現行版では動きません）
READ IMM, 0x12
WRITE MEM_HI
READ IMM, 0x34
WRITE MEM_LO
READ MEM_DATA ; メモリの 0x1234 番地を V へ
WRITE $A
16bitの番地なら 65,536か所を選べます。1か所1バイトなら64KiBです。 命令の7bitアドレスは、この 窓口の番号 を選ぶために使います。 窓口が少なくても、その先の場所は多く選べるわけです。
ただし外付けメモリには、信号を出す回路やピン、読み書きのタイミング制御も必要です。 応答が間に合わないときはCPUを待たせます。その間に同じWRITEを何度も発行しない仕組みも必要です。 番地を覚える箱だけを追加すれば、メモリがつながるわけではありません。
考えよう：READのあとに番地を1増やす機能があれば、連続したデータを読むプログラムはどう短くなるでしょう？
入出力も「選ぶ窓口」と「使う窓口」に分けられる
同じ考え方で IO_INDEX と IO_DATA を作れます。
先に IO_INDEX へ装置の番号を書き、IO_DATA でその装置を読み書きします。
番号を受け取る選択回路が、LED・ブザー・センサーなどへ振り分けます。
8bitの番号なら256か所、16bitなら65,536か所を選べます。 命令に直接書ける128個のポート数を超えて拡張できる のが利点です。 容量は番号の幅や接続先の回路で決まり、物理ピンや通信速度にも限りがあります。 外部の通信回路を使って装置を増やす場合は、その通信手順も作ります。
プログラムは、ページ番号とページ内番地で選ぶ
今は8bitのPCだけなので、0〜255番地です。 256バイトを1ページとして、上位に8bitのページ番号を付ければ、256ページを選べます。 全部で65,536バイト、64KiBのプログラム空間になります。
通常の実行では、ページ内番地255の次は、次ページの0番地へ進めます。
READ IMM がページ末尾に来た場合も、次のページから定数を読み、全体のPCを2進める設計にします。
ページ255の末尾を超えた場合にどうするかも決めます。
ジャンプ先の上位と下位を別々に書くなら、途中で命令を読むページだけが切り替わらないように します。 一つの案は「次のジャンプ先ページ」の箱を別に用意することです。
; 改造後の設計案。NEXT_PAGE は予約するだけ
READ IMM, 2
WRITE NEXT_PAGE
READ IMM, 40
WRITE JMP ; ここでページ2・番地40へ同時に切り替える
JZなら、条件が成立したときだけページと番地を同時に切り替えます。 成立しなければ今のページの次の命令へ進みます。 この案では毎回ジャンプ前にページを指定する約束にし、予約値の取り違えを防ぎます。 ラベルをこの命令列に翻訳する処理も、アセンブラ側に必要です。
ページ番号を固定の窓へ切り替える「バンク切り替え」という別案もあります。 どちらを選んでも、ROM本体・PCの更新・IMM・ジャンプ・ツールを 一緒に設計します。
改造は、一つずつラボと回路を揃える
最初の改造には、10章 の演算を一つ追加する課題が向いています。 そのあとで、次のように範囲を広げられます。
- FPGA内部の小さなRAMに インデックスでアクセスする。
- 選ぶ番号を増やし、ラボと回路で同じ読み書きになるか確かめる。
- 応答を待つ仕組みを作ってから、外付けメモリへ進む。
- プログラムをページ化し、ページ境界のIMMと条件分岐を試す。
これらの拡張は「今のCPUを理解する」ための必須条件ではありません。 今ある制限が、どの箱や配線の幅から来ているかを説明できたら、設計を変える入口に立っています。