おびやまロボット研究所

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　K-COMシミュレータ　

２．　K-COMシミュレータの構成

２．１　仕様概要

　コンピュータの構造を理解するために，ここでは必要最小限の規模で動作するマイクロコンピュータを考え，K-COMと名づけたシミュレータを作成した．以下のサイトよりダウンロードできる．シェアウェアだが未登録で使える．（機能制限もない）

K-COM マイコンの仕組みの学習用教材(高専,工業高校,大学初等向け) http://www.vector.co.jp/soft/win95/edu/se178902.html (Vectorより)
K-COMの仕様は，
（１）扱う数は整数のみとし，簡単な加減乗除算を行えるようにする．データ長を１バイト（８ビット）とすると，０から２５５（ー１２８～１２７）までの整数値を扱える．
（２）直接使用できるレジスタはアキュームレータ１種類とし，演算は基本的にアキュームレータとメモリ内容との演算に限定した．その他，プログラムカウンタ，命令レジスタの必要最小限のレジスタしか準備しない．
（３）コンピュータの構造を単純化するため，１バイトを上位３ビットと下位５ビットに分けて，それぞれ命令コード（オペコード）と番地指定（オペランド）に用いるものとする．その結果，命令は最大８個，番地指定は０から３１番地までとなる．
（４）メモリレジスタ間の転送命令，算術演算命令，ビット演算命令，条件ジャンプ命令の必要最小限の命令のみの構成とする．
（５）命令数が限られているので，入出力（Ｉ／Ｏ）命令は省いた．そのためマップトＩ／Ｏ方式を取り，メモリにマッピングされた番地に書き込み，読み込みを行うことで，外部装置との入出力を行う．
　以上の仕様一覧を表２．１に示す．続いて，各仕様についてより詳細な説明を行う．

表２．１　K-COMの仕様
　

２．２　命令構成

K-COMで使用される命令数は８個である．これを表２．２のように定めた．算術演算命令としてＡＤＤ命令（加算），ＳＵＢ命令（減算）の２種類，論理演算命令としてＮＡＮＤ命令，ＳＨＩＦＴ命令の２種類，転送命令としてＬＤ（ロード）命令，ＳＴ（ストア）命令の２種類，最後にジャンプ命令としてＪＰＣ命令，ＪＰＺ命令の２種類の計８個とした．実行停止のためのＨＡＬＴ命令は，ＪＰＺ命令のアドレス部分が全て１，つまり１ＦH番地にジャンプする時をハード的に（回路内で）検出し，停止するものとした．また，命令コードを２進数で”０００”から”１１１”までを順に割り振った．
演算及び転送命令は，基本的にアキュームレータ（ＡＣＣ）とメモリとの間で行われる．

表２．２　命令一覧

２．３　機械語

　図２．１の様に，データ長を８ビットのうち上位３ビットを命令コード，下位５ビットをアドレスまたは数値として機械語を構成する．そのため，命令数は２^３＝８，メモリ空間は２^５＝３２バイトとなる．ただし，演算はアキュームレータとメモリを介して行うため８ビットの定数値０～２５５（-１２８～１２７）までを用いることができる．

　

図２．１　機械語の構成

例として，アセンブリ言語”ＡＤＤ　０ＦＨ”の機械語を生成してみる．スペースで区切られた”ＡＤＤ”の部分は命令コード（オペコード）であり，実行する命令が種ＡＤＤ”命令であることを表す．また，スペース後の”０ＦＨ”は番地指定（オペランド）で，数値またはアドレスを示し，命令を修飾する部分である．命令によっては，オペランドを取らないものもある．ＡＤＤ命令のコードは表２．１より”０００”である．オペランドはメモリ上のアドレスを示し，１６進数の”０ＦＨ”を５ビットの２進数に直して，”０１１１１”となる．両者を並べて８ビットの２進数とし，４ビットごとに１６進数に直した”０ＦＨ”が対応する機械語となる．以上をまとめて図２．２に示す．

manual7

図２．２　機械語の生成

２．４　メモリ及びＩ／Ｏマップ

K-COMのメモリマップを図２．３に示す．マップドＩ／Ｏ方式を取ったため，利用できるメモリ領域としては０～１ＤＨ番地までである．１ＥＨ番地は入力ポート，１ＦＨ番地は出力ポートにそれぞれ対応させた．メモリからデータを読み込むのと同様に，ロード命令（ＬＤ）により１ＥＨ番地からデータを読みとると，実際には入力ポートよりデータが入力される．同様に，ストア命令（ＳＴ）により１ＦＨ番地に対してデータを書き込むと出力ポートにデータが出力される．

manual8

図２．３　メモリマップ

２．５　その他の仕様

クロックは，ウエイト無しの実現しうる最高速（シミュレーションを行うパーソナルコンピュータの処理速度に依存）から，１秒間隔まで可変できるようにした．また，ステップ実行も可能とした．
Ｉ／Ｏポートに外部機器を接続して制御の演習を行うため，仮想的な外部機器の作成と，K-COMと外部機器とのデータの受け渡しが出来るようにした．具体的には，ＯＳ（Microsoft，Windows9X）上で管理されている一時記憶領域（クリップボード）を介してデータを受け渡す方式を取ることにした．

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