メインCPUとサブCPUはお互いに割込みを掛け合います。メインCPUからは通常、サブCPUのbusyを確認し、readyであればサブCPUをHALTし、共有メモリにコマンドを書き込んだ後、HALTをネゲートします。サブCPUはすぐにbusyにした後、コマンドを解析し、処理を行います。

これが通常シーケンスですが、例えば時間のかかる処理をサブCPUがやっていた場合に中止させたい時には割込みをかけるしかありません。これをCANCEL割込みといいます。逆に、サブCPUからメインCPUに用事がある場合にはATTENTION割込みをかけます。

さて、メインCPUの割込みの一つにタイマー割込みがあり、これをシミュレーションしてみます。タイマー割り込みはIRQに接続されているため、IRQ割り込みハンドラをプログラムします。IRQは全レジスタのセーブリストアが自動で行われます。割り込みハンドラでは、まずタイマ割り込み要因のクリアを行った後、要因レジスタは負論理であるため、反転してメモリに書きだした後でRTIで元の命令列に戻ります。

1000　　　　　　　　　stack　　equ　　　\$1000
2000　　　　　　　　　ustack　equ　　　\$2000
FE00　　　　　　　　　start　　org　　　\$fe00
　　　　　　　　　　　
FE00　10CE1000　　　　　　　　lds　　　#stack
FE04　CE2000　　　　　　　　　ldu　　　#ustack
FE07　8EFD02　　　　　　　　　ldx　　　#\$FD02　　　　　;　IRQ　Mask　Reg
FE0A　86FF　　　　　　　　　　lda　　　#\$FF　　　　　　;　Timer　IRQ　unmask
FE0C　A784　　　　　　　　　　sta　　　,X　　　　　　　;　Timer　IRQ　enabled
FE0E　20FE　　　　　　　　　　bra　　　*
　　　　　　　　　　　
FE10　　　　　　　　　firq　　equ　*
FE10　　　　　　　　　irq　　　equ　*
FE10　8EFD03　　　　　　　　　ldx　　　#\$FD03　　　　　;　IRQ　event　reg
FE13　A684　　　　　　　　　　lda　　　,X　　　　　　　;　IRQ　clear
FE15　8AFB　　　　　　　　　　ora　　　#\$FB
FE17　70FE17　　　　　　　　　eora　　　#\$FF
FE1A　B73000　　　　　　　　　sta　　　\$3000
FE1D　3B　　　　　　　　　　　rti
　　　　　　　　　　　
FFF6　　　　　　　　　　　　　org　　　\$fff6
FFF6　FE10　　　　　　　　　　fdb　　　firq
FFF8　　　　　　　　　　　　　org　　　\$fff8
FFF8　FE10　　　　　　　　　　fdb　　　irq　　　　　　　;　Timer　IRQ
FFFE　　　　　　　　　　　　　org　　　\$fffe
FFFE　FE00　　　　　　　　　　fdb　　　start
　　　　　　　　　　　
0000　　　　　　　　　　　　　end

まずリセット後にFD02をライトし、割込みマスクを許可します。'1'をライトすると許可となります。

次にタイマー割込みがかかるとスタックに全レジスタを退避します。PC, US, IY, IX, DP, B, A, CCの12バイトです。

次に\$FFF8から2バイトをフェッチします。ところが、\$FFF8の示すアドレスにジャンプする前に再度全レジスタをスタックに退避しています。

割込みが入った場合、直ちに割込みマスクがかからなければ、無限に割込みが入るので、これはCPUのIRQマスクのバグと思われます。

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アドレスデコード及びレジスタ類を実装していきます。FM-7のI/Oの情報は参照場所にあります。メインシステムI/Oアドレスマップはその1から、サブシステムI/Oアドレスマップはその7からです。

メインシステム

FM-7メインシステムは64KbitDRAMが存在するため、フルデコードされています。

• $FD00 R キーボードデータ bit8
• $FD00 R キーボードデータ bit7-bit0
• $FD02 W 割込み(IRQ)マスクレジスタ(タイマ、キーボード)
• $FD03 R 割込み(IRQ)フラグレジスタ(タイマ、キーボード)
• $FD04 R 割込み(FIRQ)フラグ (ブレーク、アテンション)
• $FD05 R サブ状態 (busy)
• $FD05 W サブ・Z80制御 (HALT, Cancel, Z80)
• $FD37 W マルチページレジスタ (リセット時イネーブル)
• $FD38 R パレットレジスタ0から読み出し(初期値=黒)
• $FD38 W パレットレジスタ0へ書き込み
• $FD39 R パレットレジスタ1から読み出し(初期値=青)
• $FD39 W パレットレジスタ1へ書き込み
• $FD3A R パレットレジスタ2から読み出し(初期値=赤)
• $FD3A W パレットレジスタ2へ書き込み
• $FD3B R パレットレジスタ3から読み出し(初期値=マゼンタ)
• $FD3B W パレットレジスタ3へ書き込み
• $FD3C R パレットレジスタ4から読み出し(初期値=緑)
• $FD3C W パレットレジスタ4へ書き込み
• $FD3D R パレットレジスタ5から読み出し(初期値=シアン)
• $FD3D W パレットレジスタ5へ書き込み
• $FD3E R パレットレジスタ6から読み出し(初期値=黄)
• $FD3E W パレットレジスタ6へ書き込み
• $FD3F R パレットレジスタ7から読み出し(初期値=白)
• $FD3F W パレットレジスタ7へ書き込み

図144.1にメインシステムブロック図を示します。今回はアドレスデコーダとそれからアクセスされるレジスタを分離して設計しました。モジュラー化のためです。図では上方左側にアドレスデコーダ、上方右側にレジスタが配置されています。

サブシステム

FM-7サブシステムはフルデコードされていません。

• $D400 R キーボードデータ bit7-bit0
• $D401 R キーボードデータ bit8
• $D402 R キャンセルIRQ ACK
• $D404 R メインCPUへのアテンションIRQ
• $D408 R CRT ON
• $D408 W CRT OFF
• $D409 R VRAM Access Set
• $D409 W VRAM Access Reset
• $D40A R Ready
• $D40A W Busy
• $D40D R INS LED ON
• $D40D W INS LED OFF
• $D40E W VRAM Offset Address bit13-8
• $D40F W VRAM Offset Address bit7-0

図144.2にサブシステムブロック図を示します。図では真ん中にアドレスデコーダとレジスタを階層ブロックにしたモジュールが配置され、その内部左側にアドレスデコーダ、右側にレジスタが配置されています。

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もう少し詳しく見てみます。HALTREQがアサートされたのは、たまたま\$E021のblo命令の第1バイト\$25をフェッチした直後でした。図143.2に示すように、blo命令の\$25と\$F4のフェッチの間に入ったことになります。

HALTREQが"blo l2"命令の間であるため、すぐにはHALTステートに遷移せず、blo命令の第2バイトである\$E022の\$F4のフェッチが行われます。

前稿で新設したhalt_save_stateは、HALTに入る直前のステートを保存するようにしたため、HALTステートに入るまではサイクル毎に書き換えられています。

分岐命令をデコードし分岐が実行された後に、アドレスが分岐先である\$E017に変化しています。分岐命令はPCを変更するだけであり、これで分岐命令の実行は完了です。

分岐先命令フェッチの前で新設のHALTステート(\$40)に遷移し、次のサイクルでHALTACKがアサートされています。HALTステートに遷移したので、halt_save_stateは、HALTステートの前の値(\$09)を保持し、更新は止まります。

一方、HALTREQネゲート時の状態を観測すると、前稿でも見たように、内部ステートが回復され、分岐先である\$E017、\$E018の命令を順次フェッチしています。このように分岐先命令のフェッチが実行されており、命令の切れ目、具体的には分岐命令の実行後にHALTに入り、分岐先命令の実行前にHALTから出る動作を正しく実行しているようです。

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前稿のコードを追加し、シミュレーションしたところ、HALTをアサートしてもHALTステートへの遷移ができないことが判りました。前稿のコードのように、外部信号により内部フラグを立て、内部フラグが立っていたらすぐにstateをHALTステートに遷移させたのですが、別の要因によりstateが上書きされてしまうようです。

そこで、同種と思われるNMIのコードのように、HALTステート遷移を「NMIの内部フラグを見てNMIステートに遷移する場所」に移動したところ、正しく動作しました。シミュレーション結果を見ると、HALTがかかっても直ちにstateを遷移するのではなく、継続したバスサイクルを終了した命令の切れ目でHALTがかかっていることがわかります。

つまり、前稿のようにすぐにstate遷移させても上書きされてしまい、NMIのように命令の切れ目で判定して遷移させるのが正しいということです。

HALTREQがアサートされてから、次のサイクルで内部フラグが立ちますが、数サイクル遅延した後にHALTステートに入っています。その後HALTACKが出力されます。

一方、HALTREQがネゲートされると、次のサイクルで内部フラグが落ち、次のサイクルでHALTACKが落ちると同時にHALTステートに入る前に保存されていたステートから再開します。こちらは遅延していません。

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さて、サブシステムの共有メモリを実装する際には、実機では図141.1のようにメインCPUがサブCPUをHALTさせてアクセスしています。前稿のように、共有メモリは128ByteとなっていてメインCPUとサブCPUの間に物理的な128Byteのメモリがあるように思えますが、実態はサブCPUの物理メモリ(MB8416, 2KB SRAM)の半分しか使用しておらず(\$D000~\$D3FFの1KB SRAMとして使用)、さらにそのうちのメインCPUから見える窓が128Byteであり、メインCPUが使用する際にはHALTをかけてサブCPUのバスを開放し、メインCPUがアクセスするという構造のようです。

物理メモリのMB8416がシングルポートで同時にアクセス不可であるため、HALTによりバスを開放させています。FPGA実装では、デュアルポートRAMが可能なので同時アクセス可なのですが、同時にアクセスすると、サブCPUがコマンドを読み出し中に、メインCPUが書き換えてしまうという論理的なデータ競合の問題が起こります。従って、メインCPUとサブCPUの論理的な同期化のために、HALT信号が必要です。

ところが、図138.2をみてもわかるように、本IPの信号はLSIの6809と異り、HALT端子がありません。従って、HALTREQ、HALTACK端子を実装します。

IPの6809のソースを追うと、FSMの最初に割込み受信のコードが存在します。その辺に以下のような疑似コードを挿入します。HALTREQ信号をhaltreq変数に入れているのは、HALTREQ信号を見るのは一か所にしたかったためです。逆に複数個所でHALTREQ信号を見ると、状態の不一致が起きる可能性があります。

もしHALTREQ信号がHならば、
　haltreq変数をHにし、
　現stateがSEQ_HALTで無い場合にのみ、stateを戻りステートとして保存し、
　次のサイクルでSEQ_HALTに移行
そうでなければ
　haltreq変数をLにする

SEQ_HALT:
　もしhaltreq変数がHならば、
　　HALTACKをHにし、
　　次のサイクルでSEQ_HALTに移行
　そうでなければ、
　　HALTACKをLにし、
　　次のサイクルで戻りステートに移行

これをVerilogで記述すれば、

となります。

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ROMデータからCOEデータを作成するスクリプト。

#! /usr/bin/bash -f
FILE_NAME=\${1}
FILE=\${FILE_NAME%.*}
echo 'memory_initialization_radix=16;' > \$FILE.coe;
echo -n 'memory_initialization_vector=' >> \$FILE.coe;
od -An -t x1 -v \$FILE_NAME >>\$FILE.coe
echo ';' >> \$FILE.coe

これにより、

-rwxrwx--- 1 root vboxsf 1631 7月 25 16:56 boot_bas.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 1631 7月 25 16:57 boot_dos.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 97279 7月 25 16:57 fbasic30.coe
-rwxrwx--- 1 root vboxsf 31423 7月 25 16:59 subsys_c.coe

の4つのファイルを作成し、FPGAに組み込みます。

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アドレス空間

6809デュアルCPUシステムの、メインCPU及びサブCPUのそれぞれのアドレス空間を示します。

これは、FM-7仕様のアドレス空間であり、FM-7用のソフトウェアを動作させることを目的としています。

これとネットで入手したROMデータの対比表です。ROMのアドレスをグレーで表記しています。

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Vivadoによる6809サブシステム回路図です。

注意としては、下図のようにCPU RESETが負論理で現れますが、正論理なので与えるリセットの論理に注意します。

前稿のプログラムを6809で実行した結果を下図に示します。6809は2MHzで動作させています。

画面書き換えが上から下に進むのがはっきり見えますが、これは2MHz動作の6809だからであり、8MHzに上げて見ると書き換えがほとんど見えなくなるほど速くなりました。

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次に、

$ cat header.coe > rom.coe; od -An -v test.o >>rom.coe; echo ';' >> rom.coe

ただし、header.coeは、

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=

これを実行すると、

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
4f 8e 00 00 a7 80 4c 8c 3e 7f 25 f8 8e 40 00 a7
80 4c 8c 7e 7f 25 f8 8e 80 00 a7 80 4c 8c be 7f
25 f8 20 dd 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
　:
　:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 c0 00
;

というテキストファイルのCOEファイルが生成されるので、これをROMデータとしてFPGAに組み込みます。

本プログラムはVRAMのアドレスにデータを書き込み、次のアドレスに別のデータを書き込みという処理を繰り返し、VRAMをランダムなデータで埋めるものです。RGBで異なるデータを書き込むために、カラフルな縞模様を表示します。

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さて、目的はレトロコンピュータの設計ですが、そのために8bit CPUを搭載します。ここでは使用するソフトウェアの関係上6809を取り上げます。入手元はOpen Coresで、VivadoにはRTLとして取り込みます。
https://opencores.org/projects/6809_6309_compatible_core

開発ツールが必要ですが、6809アセンブラを以下から入手します。
https://www.6809.org.uk/asm6809/

画面表示用のサンプルソースファイルをテキストエディタで、

VRAMB　equ　\$0000
VRAMR　equ　\$4000
VRAMG　equ　\$8000
;
start　org　\$c000
;
　clra
l1　ldx　#VRAMR
l2　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMR+16000-1
　blo　l2
;
　ldx　#VRAMG
l3　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMG+16000-1
　blo　l3
;
　ldx　#VRAMB
l4　sta　,x+
　inca
　cmpx　#VRAMB+16000-1
　blo　l4
　bra　l1
;
　org　\$fffe
　fdb　start
;
　end

として、以下のようにアセンブルします。

asm6809 --bin test.asm -l test.lst -o test.o

以下のアセンブルリストのようにアセンブルされ、合わせてバイナリファイルが生成されます。

0000　　　　　　　　　VRAMB　 equ　　 \$0000
4000　　　　　　　　　VRAMR　 equ　　 \$4000
8000　　　　　　　　　VRAMG　 equ　　 \$8000
　　　　　　　　　　　;
C000　　　　　　　　　start　 org　　 \$c000
　　　　　　　　　　　;
C000　4F　　　　　　　　　　　clra
C001　8E0000　　　　　l1　　　ldx　　 #VRAMR
C004　A780　　　　　　l2　　　sta　　 ,x+
C006　4C　　　　　　　　　　　inca
C007　8C3E7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMR+16000-1
C00A　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l2
　　　　　　　　　　　;
C00C　8E4000　　　　　　　　　ldx　　 #VRAMG
C00F　A780　　　　　　l3　　　sta　　 ,x+
C011　4C　　　　　　　　　　　inca
C012　8C7E7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMG+16000-1
C015　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l3
　　　　　　　　　　　;
C017　8E8000　　　　　　　　　ldx　　 #VRAMB
C01A　A780　　　　　　l4　　　sta　　 ,x+
C01C　4C　　　　　　　　　　　inca
C01D　8CBE7F　　　　　　　　　cmpx　　#VRAMB+16000-1
C020　25F8　　　　　　　　　　blo　　 l4
C022　20DD　　　　　　　　　　bra　　 l1
　　　　　　　　　　　;
FFFE　　　　　　　　　　　　　org　　 \$fffe
FFFE　C000　　　　　　　　　　fdb　　 start
　　　　　　　　　　　;
0000　　　　　　　　　　　　　end

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