先週は、マイコンを知るのに最適なプログラム言語がアセン マイコンはどう動いている
ブリ言語であると教えられた哲さん。今週はじめに、子供の
ある質問で窮してしまいました。コンピュータは、どう動く
のかと質問されて、うまく答えられなかったのです。動作の
カラクリがわかれば、よりプログラムを作成しやすいのでは
考えて、今日は愛犬ロボを引っ張るようにして、やって来ま
した。
哲 ：おーい、いるかい。 啓二：いるよ。早速、今日のお題に入るか。 哲 ：いや、今日は質問があるんだ。 マイコンって、どうやって動いているんだ。 啓二：どうって、普通のコンピュータと同じだよ。 マイコンは、マイクロコンピュータの略だもの。 大小には関係ないんだ。 哲 ：じゃあ、あの４つの動作でいいのか。 命令取得(Fetch)→解読(Decode)→実行(Execute)→結果保存(Write) というので。 啓二：ああ、それでいいよ。ただし、命令を取出したり、実行したり するためには、ＰＣ（プログラムカウンタ）が必要だし、高速 動作させるために、いろいろと工夫しているけれど。 哲 ：どんな工夫なんだ。 啓二：まず、パイプライン処理と言って、４つの動作を並列に動作 させるようにしている。 命令取得→解読→実行→結果保存→命令取得→解読 命令取得→解読→実行→結果保存→命令取得 というようにさ。 あとは、命令とデータを別個のメモリに入れておいて、 命令とデータを１クロックで取得可能なようにする、 ハーバードアーキテクチャを使ったマイコンもある。 哲 ：ふーん。そうなんだ。 啓二：で、前に話したと思うんだが、実際には、マイクロプログラム と呼ぶ、クロックで、カウンタとレジスタ内容を移動する順序 回路でコンピュータを動かしている。 哲 ：ハーバードアーキテクチャにするメリットは何だ。 啓二：命令とデータの利用できる幅を、変えてしまえるし、 １クロックで命令とデータを同時に取得できる。 命令を１２ビット幅、データを８ビット幅になんかも できるなあ。確か、PICがこの形式だ。 哲 ：命令とデータの幅を８ビットにして、同じメモリに 入れておくと命令取得に、２回メモリアクセスしない と駄目で、ハーバードアーキテクチャの２倍時間が 必要か。 啓二：そういうこと。でも、何事も一長一短があるんだ。ハーバード アーキテクチャの場合、自分自身で命令を書き換えたりする ようなプログラムは作成するのは、すごく難しいんだ。 哲 ：前にＭＡＲ、ＭＤＲとかいうレジスタで説明してくれたよな。 あれを、もう少し、詳しく説明してくれないか。 啓二：いいよ。プログラミングモデルの中にはＰＣが出てくるが、 他にもマイコン内部には、たくさんのレジスタがあるんだ。 ＭＡＲ：Memory Address Register ＭＤＲ：Memory DataRegister ＩＲ ：InstructionRegister が、最初にでてくるかな。 哲 ：ＰＣの内容を、そのままＭＡＲに入れるのか。 啓二：そういうときもあるが、実際に命令があるのが、ＰＣが 指しているアドレスではないこともある。まあ、ＰＣの 値が、そのままＭＡＲに行くとしてよいよ。 命令を取得するときは、ＰＣの値をＭＡＲに入れて、ＭＡＲ からメモリにアドレスが出て、命令がデータとして出てくる。 哲 ：そのデータをＭＤＲに入れるんだ。 啓二：そういうマイコンもあるけれど、高速動作のために、 ＩＲに直接入れる方が多い。ＭＤＲに入れてから、 ＩＲに移すと、２度手間でクロックが余計になるんだ。 哲 ：そうか。でも、ビットサイズが異なることもあるから、 まずいんじゃないか。 啓二：ワンチップマイコンは、メモリもＩ／Ｏも、ひとつのパッケージ 内に入れてあるんで、内部でビット幅が異なっても問題はないの。 複数チップでの構成だと問題になるが、パッケージ内部で線を 引くのは、何も問題ない。 哲 ：ＩＲに入ってきた命令を、解読するとしているけれど、実際には どう動かしているんだ。 啓二：ＩＲには、１と０を組み合わせたパターンが入ってくる。 どこかのビットが立っていれば、それに対応した内部が 動作を始めるようにしておく。 １ビットのトリガーで、対応するシーケンサを走らせる という方が正確かな。 哲 ：シーケンサって、MIDIや何かのシーケンサと同じようなものか。 啓二：うん、そうだよ。自動販売機の動作をイメージするとよい。 自動販売機は、お金とボタンで指定された商品とお釣を出す だろう。お金とボタンが、シーケンサのトリガーになるのさ。 Ｃ言語のコードで記述すると、こんな感じになる。 switch ( state ) { case 0 : /* お金とボタン待ち */ if ( start_trigger == ENABLE ) { state++ ; } break ; case 1 : /* 商品出力 */ send_goods(); state++ ; break ; case 2 : /* お釣計算 */ calc_change(); state++ ; break ; case 3 : /* お釣出力 */ if ( return_change > 0 ) { send_change(); } state++ ; break ; case 4 : /* お釣出力 */ state = 0 ; break ; } 哲 ：フラグのstart_triggerが、このシーケンサを起動して、 自動的に停止するのか。うまくできているなあ。 啓二：これをデジタル回路で実現すると、シーケンサになる。 関数で記述している部分も、実際はフラグを利用して別の シーケンサを動かしているんだ。 哲 ：カウンタとレジスタの値を操作するというのが、よくわかるなあ。 啓二：そうだろう。これが、コンピュータの内容動作ってこと。 運動会の借り物競争と同じかな。 自動販売機の中には、PLC(Programmable Logic Controller) っていうのが、入っている。これが、コンピュータと 同じような処理をやっている。 哲 ：そう言えば、自動販売機の中をあけたときに、弁当箱 くらいの大きさの装置を見たことがあるなあ。中身の 詰まった缶を持ってきた担当者が、何やら数字を打ち 込んでいた。あれば、PLCだったのかな。 啓二：多分そうだよ。打ち込んでいた数字は、自動販売機に 入っている缶の数だろうなあ。コーラの缶が全部なく なれば、「売切」ランプが点灯するだろう。あれは、 PLCがやっているんだ。 哲 ：PLCって、どうやってプログラムを入力するんだろう。 アセンブリ言語かな。それともＣ言語かな。 啓二：ラダーっていうリレーの動作を記述する言語でプログラムする。 実際には、PLCに内蔵しているコンピュータの機械語に変換 されるんだが、有接点回路の動作記述用ラダー言語で書いて いるはず。 リレー動作を理解できる機械屋さんや、プログラム言語を 知らない技術屋でも、１週間程度の訓練でPLCのプログラム を作成できるようだよ。 哲 ：へえー、そうなんだ。子供には、自動販売機の動作で説明 するよ。今度から、自動販売機でビールを買うときは、PLC のことを思い出しそうだ。 啓二：お前、何でもビールに掛けてしまうんだな。 ビール漬けの頭じゃいいアイデアもでないぞ。 少しは、節制しろ。