8ビット CPU Z80タイミング

Zilog のCPU Z80 のタイミングについて説明します．

プログラムはどのように分解できるか

ユーザーが作成したプログラムの実行時の動作は，「命令(instruciton)」と「マシンサイクル」，「Tサイクルに」に分けて考えることができます．後者になるほど細かくなります．「プログラム」は「命令(instruction)」集まったもの，「命令(instruction)」は「マシンサイクル(Mサイクル」が集まったもの，「マシンサイクル(Mサイクル」は「Tサイクルに」が集まったものです．CPUの動作を理解するためには，これらの概念を理解しなくてはなりません．ここでは，これらについて，できるだけ簡単な説明を行います．

命令(instruction)とは

ユーザーが作成したソースプログラムを実行するためには，コンパイラーにより実行ファイルに変換する必要があります．コンパイラーは，ソースプログラムを命令(instruction)の集まりに変換します．この命令がプログラムの最小単位です．Z80 の命令(instruction)を別ページ「命令セット」に示します．これを見ると，命令が1バイト(8ビット)単位のビット列からできていることが分かるでしょう．

これらの命令をCPU で実行するためには，このビット列をメモリーにロードする必要があります．別の言い方をすれば，メモリーにロードされた命令のみが実行可能ということです．ユーザーが書いたプログラムはビット列である命令(instruction)に分解された形でメモリーにロードされ，実行されるということです．

マシンサイクルとは

マシンサイクルからは，CPUの実行単位になります．CPUの実行単位で意味のある最小単位です．

命令(instruction)は，複数の処理から構成されます．たとえば，「LD (HL),A7H」は，(1)命令をメモリーから読み込む，(2)データをメモリから読み込む，(3)データをメモリーに書き出す — という3つの処理があります．これらの処理単位をマシンサイクルと呼びます(図1参照)．この処理では，3マシンサイクル(M1, M2, M3)が実行されます．命令毎とマシンサイクル数も，別ページ「命令セット」に示します．

「命令セット」に示すとおり，ひとつの命令は数バイトのビット列でできています．CPUは，これを1バイトずつメモリーから読み込みます．1バイトの読み込み処理に1マシンサイクルが必要です．1バイトの書き込みにも，1マシンサイクルを要します．計算などの様々な処理には，数マシンサイクルが必要になります．従って，一つの命令のマシンサイクル数は，命令を構成数するバイト数よりも同じか，すこし多くなります．

Tサイクルとは

ひとつのマシンサイクルも複数の処理から成り立っています(図1)．この処理単位を T サイクルと呼び，CPU の6番ピン(CLK)に印可されたパルス周期で実行されます．この T サイクルが CPU の最小処理単位です．この単位で，CPUの各端子とおよび内部の論理回路の電圧は，変化します．

図1の例は，メモリーからデータを読み込んで，メモリーにそのデータを格納する命令のマシンサイクルとTサイクルの例です．3 マシンサイクル，10 Tサイクル必要なことが分かります．CPUのクロックが 1[MHz] ならば，実行時間は 10 [μsec]になります．

CPUの基本タイミング

マシンサイクルの動作

マシンサイクルとは

CPUにとって，意味のある動作の最小単位をマシンサイクルといいます．一つの命令(instruction)は複数のマシンサイクルから構成されます．命令の最初に実行されるマシンサイクルから，「M1サイクル」，「M2サイクル」，「M3」サイクル，… と呼ばれます．具体的に，1マシンサイクルで実行される動作は以下の通りです．

メモリー読み出し
メモリー書き出し
I/O入力
I/O出力
バス要求
割り込み要求

具体例

代表的な命令「LD (HL),A7H」処理を例にとり，マシンサイクルの動作を考えます．これは，16進数「F0」をHLレジスタが示すメモリーのアドレスに格納命令する命令で，3 マシンサイクルで，実行に 10 Tサイクルの時間がかかります(図1)．ここでは，この命令が CPU でどのように実行されるか，見ていきましょう．

この命令の実行開始前のメモリーの様子を図に示します．スタックポインターが示すアドレスに，LD 命令のビット列「00110110」が格納されています．次のアドレスは，データの(F0)16であるビット列「10100111」となっています．メモリーのどこかに，HLレジスターが示すアドレスがあり，そこななにがしかのビット列になっています．

実行開始後は，CPU (Z80)は，マシンサイクル毎に次のように動作します．

M1:OPコードフェッチ実行開示時に，プログラムカウンター(PC)は，この命令のオペコードが書かれているメモリーを指し示します．最初に命令のビット列「00110110」を読み込みます．そして，その命令を解読します．
M2:メモリー呼び出し読み込まれた命令に従い，次のアドレスのデータ「10100111」を読み出します．
M3:メモリー書きだし読み込まれた命令に従い，マシンサイクルM2で読み込んだデータ「10100111」をHLレジスターが示すアドレスに書き込みます．