マイクロ・プロセッサでの、テクニック

竹岡尚三

last update: 2010/MAR/28
初出: 2010/JAN/02

• 6809のテスト・アンド・セット命令
  
  6809には表立って、テスト・アンド・セット命令は無い。
  しかし、リード・モディファイ・ライト命令(メモリを読み出し、変更を加え、 再度書き込む命令) をうまく使えば、テスト・アンド・セット命令を実現できる。
  
  ここで実現するセマフォは、1がクリア状態(誰もセマフォを取っていない) 、 0でセマフォがセット状態(誰かがセマフォを獲得している)であるとする。
  すなわち、セマフォは1に初期化されている。
  test & set命令は、0を書き込みながら、もとのセマフォの値が、0か非0であるか が判定できるべきである。
  それができる命令は、メモリをシフトする命令である。
  
  セマフォがあるメモリ番地をSEMとする。
  セマフォ・セット命令、すなわちテスト・アンド・セット命令は、次のとおりである。

  
  *  テスト・アンド・セット命令
  *
    LSR  SEM
    BCS  セマフォ使用中   *　→ CPUを離さないとね。
  * セマフォ獲得成功
  *   きわどい領域でやるべきことをやる
   

  LSR はメモリを右シフトする。そして、古い最下位ビットの値をキャリーフラグ(C)に 入れる。
  つまり、セマフォが1であれば、LSR実行後の値は0になり、Cフラグは1になる。
  セマフォがもともと0であれば、LSR実行後の値は0になり、Cフラグも0である。
  Cフラグが0であれば、セマフォは誰かにすでに誰かに取られており、 セマフォ獲得に失敗したことがわかる。
  
  
  セマフォ・クリア命令は単純に、セマフォに1を書けばよい。この時点では、 他者との競合を意識する必要はまったくない。他者が、テスト・アンド・セッ トを正しく不可分に実行しているはずであるから。
  

  
  *  セマフォ・クリア命令
  *
    LD A,#1
    ST A,SEM
   

  このように、8bit CPUとはいえ、基本的な命令が、CISC的リード・ モディファイ・ライトを行っているため、基本的な命令がテスト・アンド・セット命令と して使用できる。
  
  ここには、割り込み禁止/許可などといううざったい命令は一切出てこない。
  また、近代的な16bitクラス以上のCPUでは、 割り込み禁止/許可の命令は特権命令であるから、ユーザ権限では実行できない。
  ここで紹介した命令(シフト命令)は、ごく普通の命令であるから、すべてユーザランドで 実現できる。非常にスマートであろう。
  
  6809でSMP,マルチ・プロセッサ(マルチコア)を実現するための「6809E」とい うCPUがある。
  6809Eでは、BUSYという信号線が、リード・モディファイ・ライト操作を行っ ていることを示す。BUSYの期間は、他のCPUがメモリ・アクセスをしないこと にすれば、リード・モディファイ・ライト操作は、不可分に行われることが簡 単に保証できる。
  したがって、6809Eでは、ここで紹介した命令で、マルチ・プロセッサ対応が 可能である。
  
  
• Z80の場合
  Z80にも、メモリをシフトし、最下位ビットをキャリー・フラグに入れる 命令があるので、6809とまったく同様に実現できる。
  
  Z80のマルチコアでは、メモリ・トランザクションを不可分に実行させることが、 若干難しそうであるが、データ・アクセスのメモリ・トランザクションが 始まってから、次のM1サイクルまでを不可分アクセスにすれば、 Z80のマルチ・プロセッサ・システムでもうまく動作するだろう。
  
  
• 8080の場合
  8080では、リード・モディファイ・ライトは、
  • Mレジスタ (HLレジスタで指された8bitのメモリ番地)に対する8bit演算
    add, sub, inr(インクリメント), dcr(デクリメント)など
  • XTHL(スタック・トップとHLレジスタの内容を入れ替える)
  しか存在しない。
  それらの命令は、残念ながら、演算前の変数の値を知ることが難しいので、 制限なしでは、テスト・アンド・セット命令には使えない。
  
  ただし…
  一時のセマフォのテストを127回程度までに制限できるなら、inrかdcrをテスト・アンド・ セットに使用できる。
  dcrを使用する場合、セマフォの初期値を1として、dcr後の結果が正(0を含む)なら セマフォ獲得成功。 dcr後の結果が負なら、セマフォ獲得失敗とすれば良い。
  そして、獲得に失敗したものは、CPUを手放す前に、 セマフォをinrして自分が取った分を返しておく。
  セマフォ獲得者が仕事後にセマフォを返すのも、セマフォをinrすればよい。
  
  この方法の場合、いちどきに、セマフォの獲得のトライを128回もやれば、 オーバーフローして、セマフォが正の値になってしまい、セマフォ獲得が成功したかと、 誤解してしまう。現実の通常のシステムでは、こういうことが発生する可能性は非常に 低いと思われる。が、制限としては重要な事柄である。
  
  
  

• Z80
  Z80には、Vフラグ(オーバフロー・フラグ)がある。
  符号付き比較では、このオーバフロー・フラグを参照しなければならない。
  
  符号なし整数の加算時のオーバフローは、ワードからはみ出して、キャリー フラグに入る。
  (符号なし整数の減算の引き過ぎは、ボローとなって、やはりキャリーフラグ に入る)
  オーバフロー・フラグは、2の補数表示の符号付き整数を加減算した時に、符 号ビットにキャリーやボローが入る時に、セットされる。 つまり、キャリーやボローで、符号が乱れる時に、オーバフロー・フラグが セットされる。
  下の表の通りである。

  Aの符号	Bの符号	演算結果の符号	A+BのOverFlow	A-BのOverFlow
  +	+	+	N	N
  +	+	-	V	N
  +	-	+	N	N
  +	-	-	N	V
  -	+	+	N	V
  -	+	-	N	N
  -	-	+	V	N
  -	-	-	N	N

  AとBの比較は、A-Bの減算を行う。
  符号なし比較なら、キャリーフラグ(正確にはボロー)を見て、ボロー が発生していなければ、Aが大きいとする。(正確には同じで場合もある)
  符号付き比較では、結果の符号を見る。 結果が正ならAが大きく、負ならばBが大きい。
  しかし、オーバフローが発生している場合は、符号が狂っているので、 符号だけを見てはいけない。
  Z80の場合は、Vフラグを先に見て、Vでなければ、結果の符号(Sフラグ)で 大小を判定。
  もし、Vが立っていれば、結果の符号を逆に見て、大小を判定する。
  
  Z80では、Vフラグは、パリティ・フラグと兼用になっているので、Vフラグの テストは、JPO(ジャンプ・パリティ・オド), JPE(ジャンプ・パリティ・イブ ン)命令で行う。
  V=1の時にジャンプするのは、JPE命令であり、JPOがV=0の時ジャンプ。
  

  
  
      SUB B
      JPE OV
  ;   オーバフロー無し
      JP  AGEQ   ; 正ならAはB以上
      ;  AはBより小さい(less than)
      JMP ALT
      ;
  OV:
      ; オーバフローの時
      JM AGT   ; 負ならAはBより大きい
  ;    AはB以下(less equal)
       ; ゼロ・フラグも見て、less thanを判定する
       ;;; そういう処理
       ;;
  
  ALT:
  ;    AはBより小さい(less than)
       ;;; そういう処理
       ;;
  AGEQ:
  ;    AはB以上 (greater equal)
       ; ゼロ・フラグも見て、greater thanを判定する
       ;;; そういう処理
       ;;
  AGT:
  ;    AはBより大きい (greater)
       ;;; そういう処理
       ;;
  
   

• 8080の時
  
  8080には、オーバフロー・フラグも無い。
  しかし、符号付き整数の大小判断は重要である。
  
  AとBの符号が同じなら、符号なしと同様に、 減算の結果のキャリー・フラグ(ボロー)だけを見て判定すればよい。
  AとBの符号が異なれば、負である方が、小さい。(当然すぎる)。
  

  
      XRA B
      JM DIFSIGN
      ; 同符号。この先、減算してキャリーを見る
      SUB B
      JNC  AGT
       ; Bが大きい
      ;
  AGT:
       ; Aが大きい
      ;
  DIFSIGN:
      ;異符号
      ORA A
      JM ALT
       ; Aが大きい
      ;
  ALT:
       ; Aが小さい
      ;
  
   

  という感じ。