大人の科学、4ビットマイコンの製作

普段、マイコンを使用していますが、その最初は、インテルの4004です。日本のビジコン社が電卓に使うためにインテルに発注したものをインテルが工夫したものです。組み込みマイコンなどでは、今でもこのようなプログラミングをしているわけですが、大人の科学には、マイコンの原点である4ビットマイコンのプログラムを学ぶために、ネジ止めだけで組み立てられるマイコンが付録についています。書籍のリストを自分で入力することで、マイコンが動作するようになっているので、アセンブラの勉強にもなります。

画像大人の科学の、Vol.24では、マイコンの歴史を辿るとともに、初期に使われた4ビットマイコンを自分でプログラムし、動作を確認することが出来ます。付録の4ビットマイコンは、テンキー、7セグLED、7個のLED、スピーカなどを備え、テンキーからプログラムを入力することにより、自分で作ったプログラムも動作させて見ることが出来ます。4ビットマイコンには、次の7つのプログラムが予め内蔵されており、すぐに動作させてみることもできるようになっています。

1.電子オルガン
2.音階当てゲーム
3.モグラたたきゲーム
4.テニスゲーム
5.タイマー
6.音楽の自動演奏
7.モールス電文の自動発信

内蔵されたプログラムは、「RESET」「数字」「RUN」と操作することで実行できます。自分でメモリに入力したプログラムも同様に実行することが出来ます。(数字の部分が違います)

画像4ビットマイコン(GMC-4)は、4ビットのマイコンによって動作します。基板の上に、チップが貼り付けられてモールドされています。単3乾電池3本で動作し、動作クロック4MHz、プログラムメモリとして80ニブル(40バイト)、データメモリとして16ニブル(8バイト)を内蔵しています。レジスタは、計8個ありますが、A/B/X/Yと、裏のA’/B’/X’/Y’となっています。
このマイコンキットは、いきなり開発されたものではなく、電子ブロックFX-マイコンとして開発されたものが元になっています。

マイコンのトレーニングキットなどでは、使われるCPUが直に命令を実行するように作られ、プログラムもCPUの命令を使います。この4ビットマイコンでは、推測ですが、内蔵のマイコンが命令をそのまま実行するプログラムを作るのではなく、仮想的な4ビットマイコンの命令を実行していくようです。このようにすると、命令をユーザの学びやすい命令とすることができ、4ビットマイコンの多くが、分かりにくい命令であることを回避できます。また、直接、プログラムを実行するようにすると、プログラムが間違っていて暴走してしまうようなときに対処できなくなってしまいます。その場合、リセットするしかないことも多く、プログラムが消えてしまうことにもなります。
仮想的な4ビットマイコンであったとしても、4ビットマイコンとしての特徴は残されているので、要点だけを効率的に理解することができるようになります。

4ビットマイコンと、8ビットマイコンの違いは、扱うデータが4ビットであるか8ビットであるかの違いなのですが、4ビットが使われる応用から、それに適した操作ができるような命令を備えています。4ビットマイコンの多くは、メモリアドレスをレジスタに持ち、それに対して演算を行なうことになります。4ビットは、BCD演算(数字1桁ごとに計算)をすることが多く、桁数分繰り返して計算する必要があります。例えば、8桁の数値では、8回繰り返すことになります。レジスタにメモリアドレスが置かれてそのアドレスに対して演算するのは、そのような繰り返し演算をするからです。演算ごとに、メモリアドレスがインクリメントされるようになっていたり、繰り返し計算が容易になる繰り返し命令などがあるのもそのためです。
8ビット以上では、アドレスの指定の仕方は似通った方法になりますが、4ビットは、すこし違った方法になると思ったほうが良いでしょう。マイコンは、その使われ方にあわせて設計されるものなので、4ビットマイコンは独特な構成となっています。

8ビット以上しか知らない人にとって、4ビットはすこし違ったプログラムとなると思いますので、知っておいて損はないと思います。



大人の科学マガジン Vol.24 (4ビットマイコン) (Gakken Mook)
学習研究社

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とにかく懐かしい.. ...
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