CPUエミュの作成を考える

一度は作ってみたいと思うがどこまでやるのか？
というのは迷うところ。

例えば１命令の処理を行う場合
Z-80の LD A，(aabbh)
(aabbh = 16bitアドレス aa=上位バイト bb=下位バイト)

CPUの動きは
PC=プログラムカウンタ
（１）OPコードフェッチ
　アドレスバスにPCが指すアドレスが出力→
　→PCが指すアドレスの内容 OPコードがメモリからデータ
　　バスに現れＣＰＵに読み込まれる→ＰＣ＝ＰＣ＋１→
（２）オペランドフェッチ
　→PCが指すアドレスの内容 ｂｂh がメモリからデータバスに
　　現れる→Ａレジスタに読み込まれる→ＰＣ＝ＰＣ＋１→
　→PCが指すアドレスの内容 ａａh がメモリからデータバスに
　　現れる→Ａレジスタに読み込まれる→ＰＣ＝ＰＣ＋１→
（３）処理
　→読み込まれたアドレス ａａｂｂｈがアドレスバスに出力→
　→出力アドレスのデータがデータバスに現れる→
　　Ａレジスタに読み込まれる。

この流れが LD A，(aabbh) の動作で、よくCPUの
データシートの命令のタイムチャートで示される動作の
説明である。


エミュの実現手段として３パターン程あるか？
実物の動作に近いエミュ２パターン
［１］ 先に示したようにＣＰＵの動作にソフトウェア側の
　　処理も近い記述をして実現する方式
［２］命令単位で処理を記述（命令ごとカスタム）してその
　　命令の実行クロックだけをカウントしサンプリング
　　時間レート内での空時間でウェイト処理を入れ
　　処理時間を実機に近い値で処理をする方式。
［３］命令コードの機能だけ見たし出来るだけ高速に実現
　　して今の時代ならこれくらい出来るはずという
　　極限追及方式

この３種類だろうか？


［３］の実現方法でも更に２パターンはある。
各命令内記述ではインラインアセンブラまで使う方法と
あくまでもC/C++の記述駆使までの方法と分けられ
どちらもプログラマの挑戦し甲斐のある部分である。
インラインアセンブラを使ってしまうと実行環境
毎に用意する必要性がありポータビリティは損なわれるので
C/C++による構造化の効率化と記述の限界で留めるべき
である。

個人的には正当コードのエミュ作成の場合［３］を目指すこと
になるが今のＰＣではどのくらい（何ＭＨｚ）相当なのだろうか？
4MHzのZ-80Aから今のCPUは3GHzのQuadコアなら…
クロックは単純に3000/4=750倍なので
4MHzのCPUを余裕でエミュできるはずである。
但し、Windowsの他の処理がバックグラウンドで動いているの
でエミュ環境がCPUエミュに割ける時間はの1/16～1/4くらい
か？それでも楽々でリアルエミュできるはず。
という概算が出るので

それから考えるとZ-80Hや40～60MHzくらいまでは
エミュ可能か？面白い！
スペックを勝手仕様設定でRISC的に１命令１～2クロックとし
てしまえばもっと早いCPUとなる。

だから 8bit CPUエミュでも相当遊べるエミュパソコンを
実現できるはず。

PS2エミュがあそこまでできるのだからレトロ8bitPCは
軽快に動作するのは明らか。

だからこちらとは別カテゴリーの『仮想８ビットCPUおやじ』
を立ち上げて理想の８ビットPCを作ろうとしているのだ。
（いつ完成するか完成するのかも分からない
　人生の余興度が高いカテゴリーではある）

Z-80のリアルCPUエミュに関しては拘りたいのは
CPUコア部分だけなのでそれ以外の部分は
オープンソースのものをベースにコア部分の差し替え
でかなり楽に実現は出来るので暇さえあればやってみたい
気持ちはある。


［余談］
実際に差し替えて遊んでみたいのは完成度の高い
EmuZ-2500だが MZ-25xx系の集めた仕様書籍が少なく情報
不足で遊び辛い。

X1turboZは中古書籍を買いあさってかなり揃っているので
できればX1turboZのエミュがあればよいのだがX1シリーズは
X1turboまでのエミュしかない。
またMZ25はROMバイナリ入手可能に対しX1系ROMは
各自吸出ししかできず turboZ本体は以前にヤフオクで入手し
ているものの吸出しツールと表示できるディスプレイもないの
で非常に残念な状態だ！

こうなるともう少し楽な自分仕様の８ビットCPU＆PCを
作ってしまう方が早いと思ってしまう。

Z-80の検証(レジスタ編)

ある部分では致し方のない仕様も含んでいるが
割と好き勝手に改造できているようにも思えることから
自分ならこうしたという仕様をレジスタから検討してみる。

互換モードとオリジナルモードを搭載しても良かったという
思いが先ずある。
但し当時の回路集積技術では無理だったかもしれない。

レジスタ
◆Aレジスタ
　非常にそもそも論になるがこれはHLレジスタを
　アキュムレータにすべきでこれはi8080のバイナリ互換
　が原点のための最大の呪縛となっている。
　（これはi8080自身の最大の失敗でもある。）
  Z-80ベースならAレジスタは廃止してＦレジスタとＩレジスタを
　16bitペアのフラグレジスタにした方が良い。

◆BCレジスタ
　これはＩ／Ｏポートレジスタとしても使われ
　BCレジスタペアで16bitＩ／Ｏ空間のアクセスが可能と
　なっていた隠し仕様は正しい。
　（i8080でもそうだったのかは不明）

◆IX，IYレジスタ
　この２つは必要ない。
　それなら IX を DEで IY を BCのレジスタペアで
　拡張インデックス機能に機能拡張した方が良かった。

◆Ｉ，Ｒレジスタ
　Ｒはソフトウェア側から見ると全く不要なレジスタ。
　ＩはFにペア統合するのが良い。

◆裏レジスタ
　IX，IYレジスタが無い上でならば、あれば良いという程度
　8bitCPUでは処理速度とメモリ空間の制限を考慮す
　ると割り込み発生時のレジスタ内容の保護によるスタック
　退避はレジスタ本数が多いほどリソース消費は負荷が
　大きい。
　組込ＣＰＵでもレジスタセットを複数バンク持つＣＰＵ
　があるが実は必要性はない。
　複数バンク持とうが固定的なバンク数のため汎用的
　にはなりえないからだ。
　ならばレジスタセットの本数は必要最小限にしそれらに
　アドレッシングモードを出来るだけ与え割り込みでの
　退避数を抑える方が良い。
　これは経験上可能であることも実践的に証明できる。

◆Fレジスタ
　問題は中身
　・P/Vフラグ これは不要
　　8bitの中に１が偶数個あるときまたはあふれるとき
　　ビットが逆は逆の意味という機能は全く使えない。
　　有効性があるなら溢れる寸前（フルビット）のときだけ
　　あればよいがそれも無意味であるし使う必要性も感
　　じない。
　　実際6809を見ても分かるがそういったフラグは存在
　　していないのでないとどうしうようと思う必要もない。

　・Ｈビット
　　これは4bitCPU時代の名残でしかない。
  　レジスタのビットシフト命令が1bitシフトでなく
　　x86のように複数ビット指定命令にしていれば効率的な
　　判別ができるので無用である。

結論
Z-80の必要最低限の汎用レジスタは
HL，DE，BCの３セットである。
裏レジスタを付ける場合は各レジスタペア毎の
表裏の入れ替えができないと不便である。

そしてレジスタセットを少なくするのはマルチタスク処理
を意識するためでコンテキスト切換えで遅い8bitCPUでは
レジスタ退避の負荷を最小限にできるからだ。

現在では基本命令は高速実行に設計できるので尚更で
ある。

この検討を元に命令の検討となる。

部屋の気温が低いからだったのか？

録画ＰＣ用の電源ＦＡＮの異音が頻繁になり
取り換えようと新しい電源を用意したが異音も治まった。

少し寝るときに冷えすぎるかな？と換気のためにいつも
窓を少し開けているがそれを完全に閉めたら電源ＦＡＮ
の異音も治まった。

冷えから来ていたのか？
駆動系は冷えてもダメなのね？
ＣＰＵは良いんだけど？

結局まだ録画用ＰＣの中開けて掃除してない。
もう少し暖かくなって３月の第１クール終わりあたり
でＰＣの中のほこり取りをすることにしよう。

それまでに余計な大破は無く行って欲しい。