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LSIとは、いったい何をしているのでしょうか? そうですLSIは日本語で大規模集積回路と呼ばれ「Large Scale Integration]の頭文字を取った物です。現在はVLSI(超LSI)まで出てきましたがここでは止めておきましょう。ここではLSIと言うよりマイコン(CPUなど)とPLD関係について学んでみましょう。 <ロジックからLSI(CPU)へ> ロジックICでは回路を決めるとそれしかできませんがCPUの誕生によりソフトしだいである程度自由に変更できることができるようになりました。CPUをロジックICで作ることができますがかなり複雑ですしスピードも早くできません。そこでLSIが誕生しますロジックICで作った回路自体をそのまま全てをICにまとめることができるようになりました。このLSIが製造されることにより小型化、省電力、高速などが可能になりました。小型では携帯電話などもこの技術ですね! <LSIには何があるでしょう> LSIにはCPUの他に何があるのでしょうか、フロッピーディスクコントローラ、CRTコントローラー、PIO、SIO、PLD、CPLDなどいろいろなICががあります。ここでは80系の周辺ICについて簡単に説明します。 |
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LSIでは何があるのでしょうか調べてみましょう。電子工作ではあまり関係ないのでさらっと進みましょう。 コンピュータでよく使われていたLSIは、CPU、ROM,RAM,PIO,SIO,Timer,FDC,CRTC,GPIBCなどがありますので簡単に説明しましょう。 但しもう使う頻度がなくなったといえるでしょう、それはワンチップCPUの登場により使用されなくなったのではないでしょうか? ■ CPUとは? ■ 最近のDOS/Vマシンでは「セレロン」とか「ペンティアム」とかの名称で言われていますが実はこれがCPUです。購入するときのスペックではCPU自体のクロックが問題ですよね、どうせ買うのであれば早いほうが良いのですが価格との問題もあります。 CPUは日本語で中央演算装置(central processing unitの略)のことで次の仕事をします。 プログラムされた順番に命令(マシン語)を翻訳して演算、比較をする。 上記の結果などを外部の入出力などをコントロールしてデータの入力と結果の出力を行います。 外部の入出力はCPU自体ではできず周辺ICが必要です。 周辺ICをコントロールするためアドレスバス、データバス、コントロールバスがCPUより出ています。 周辺に必要なIC(LSI)は、ROM・RAM・PIO・SIO・その他のLSIなどが必要となります。 |
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・ソフトとは ソフトとは簡単に言うとプログラムのことですがCPUが変わればプログラムも違います。これはCPU自体を動かしている機械語(マシン語)という2進数のコードでできていますがCPUが変わるたびに機械語も違うためです。このプログラムは自由に変えることができるためハードを超える変更以外ならソフトの変更で修正可能です。以外と簡単にできるためプログラムを作る方は結構多いようです。 でも最終的にはハードがなければ成り立ちませんのでハードもガンバロウ! ・ハードとは ハードとはCPU及びその他の周辺ICをつなぐ基板が必要ですが、この回路を設計して基板まですることがハードとしておきましょう。そのためハードの場合は修正がきかないのですが、どうしても修正するときはカッターなどでパターンカットそしてジャンパー線で配線などをして修正します。できればすぐに基板も修正したいのですがソフトと違い簡単に直せない問題点もあります。 ■ CPUの足は? ■ ・LSIの足は8ピン〜40ピン位で多数有りますが最近はDIPタイプよりフラットタイプがかなり増えてきました。。 ・ICの足のピッチですがDIP型の場合は2.54mmピッチと決まっています。 (ユニバーサル基板(等間隔に穴が開いている基板)はこのピッチの物を購入するとICが差さります) ・ 最近のICはピッチの細かいICやフラットなどもあります。 |
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CPUの歴史をチョット見てみましょう。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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最近はワンチップマイコンが主流になりつつあります。それは上記の周辺ICをCPUと一緒にしたものでかなりの小型化が可能でしょう。国産では日立のH8シリーズが有名で外国産ではマイクロチップテクノロジのPICシリーズがよく知られています。 これは電子工作などでも手軽に作れるためなのでしょうが、そこでここでは電子工作でもお馴染みのPICを取り上げてみましょう。 |
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<H8> 国産のH8シリーズは日立製のICでいろいろな種類が販売されています。ワンチップと言われていますが完全なワンチップでなくCPUの他にRAMが必要になります。やはりワンチップですのでそんなに大きいRAMは必要ないので内蔵タイプがほしい物です。このICもRISCチップですのでかなり高速処理が可能でしょう。 ROMはフラッシュタイプですので1万回は書き込み可能でしょう、このフラッシュROMは何回も書き込めるので大変便利です。しかも製品になった後でもソフトのバージョンアップも可能です。 そのためキットなどでは必要最低限のRAM、ドライバーICなどが組み込まれている基板が販売されていますので、そのボードを拡張することで自分のオリジナルな回路を付け加えそれにソフトを組み込んで動かすことになります。 |
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<PIC> 外国産でPIC(ピックと呼ぶそうです)がありますがマイクロチップテクノロジ社よりいろいろな種類が販売されています。このPICは完全にワンチップと言えるでしょう。H8と違い少ない容量ですがRAMも内蔵されています、そのためPICの足は電源で2本、発振子の2本、リセットの1本と5本を除いたすべてが入出力に使える優れものです。PICによってはリセット、発振子までも内蔵され電源の2本以外は全部入出力に使えるという具合にかなり便利なICと言えます。 これもROMはフラッシュROMですので1万回は書き込みできますので非常に便利です。種類によってはワンタイムROMも有りますので購入時には注意しましょう。 電子キットもH8と違い周辺があまりいらないので、そのままPICと一体のキットになっている商品が多いようですの色々ありますので色々探してみましょう。 |
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ROMとは読み込み専用メモリ(Read Only Memory)でCPUなどからデータを読み込むためにあるICです。読み込みだけではどうやって書き込むのかなと言う問題が出ますがEPROMなどはPROMライターを使って書き込みます。 ROMにも色々とありますが何があるのでしょう。 ・マスクROM 製品自体にすでに記憶されているROMです。漢字ROMなどはそれに含まれます。またソフトのコピーを防止できるのでワンチップ化されたROMはこのマスクタイプが多いようです。(電化製品などで大量に作る必要があるので小ロットに向かない) ・UVEPROM 紫外線で消去可能なROMですので書き込みが何回もできます。これは専用のPROMライターで書き込みをするためあまり一般の方では使う機会は少ないし、また紫外線イレーサーも必要です。 有名は型番では2716,2732,2764,27256などは8ビット系では充分でしたが現在は中止品が多いようです。 ・フラッシュROM 最近はデジカメなどでよく使われているROMです。データの内容をPROMライターなどの書き込み器を使わず電気的に消去できるのでCPUの命令で自由にデータを書き込みや読み込みができます。(これは大変便利ですし最近は1万回以上は書き込みできるようです) 但しRAMと違い書き込みや読み込み時にはある程度ソフトにて管理しなければならないので、その辺がやっかいなポイントでしょう。 ・EEPROM PICなどにも内蔵されていますが単独のROMもあります。主にシリアルで転送する8ピンの小さい物がよく使われています。外付けの場合CPUとのリンクが問題となりますがシリアルであれば2,3本のI/Oがあればつなげるので大変便利です。このROMにパラメータや簡単なデータ収集などに使用されます。 これも読み込みと書き込みにソフトで対応しなければなりません。(最近はかなり簡単にやりとりができるようです) |
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RAMとは書込み読込みが自由にできるメモリ(random-access memory)でCPUなどが頻繁に使うデータやプログラムなどを書き込み自由に使えるメモリーですので大変便利でしょう RAMにも色々とありますが何があるのでしょう。 ・SRAM(スタティクRAM) これは電源が入っている間はデータは保持されますが電源が切れるとすべてが忘れてしまいます。そのため通常のプログラムはROMにいれCPUのレジスターだけで足りない情報をRAMに入れておきます。最近はEEPROMなどでパラメータなどはそちらの方が安全ですがソフト的にRAMの方が管理が楽(何もせずに読み書きできます)なため現在でも使われています。またCMOS化が進みNiCd電池でのバックアップなどが可能になり一時期はこの方法が主流でした。但しワンチップ化が進むにつれて使用頻度も激減するようです。 バックアップで有名なのが6116、6264、62256など日立から販売された物が有名でしたが現在はセカンドソースのみとなっているようです。 ※語句「セカンドソース」 開発した企業以外が承諾を得て同じICを作ること ・DRAM(ダイナミックRAM) これも電源が入っていれば覚えていますが放っておくと忘れてしまう問題児です。でもたまにリフレッシュという作業をすると忘れないため現在でも使われています。このRAMはSRAMの記憶容量をはるかにしのぐ大容量が可能なためSRAMとは別な道を歩んでいるようです。初期のパソコンのシステムメモリーから始まり現在ではDOS/Vのシステムメモリーに使われているようです。 |
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PIOとはパラレルの入出力ICです。CPUはボタンなどを押した情報は自分では確認できませんその情報をPIOより読み込んで処理します。また読み込んで処理したデータを出力するのもこのPIOで出力します。人間の五感の部分に相当するでしょう。 歴代のPIOを簡単に説明しましょう。 ・8255 80系のCPUにつながる唯一のI/Oで40ピンDIPタイプです。セカンドソースも各社からでるほどの人気者でしたが最近は使う頻度が少なくなりあまり見かけません。PAポート、PBポート、PCポートの3組がありそれぞれ8ビット構成でできていますのでポートとしては24ポートとなります。ただし入力と出力の設定が個別にできないためハード設計するときに割付が大変でした。 ・8155/8156 8085というCPU専用のI/Oでこれも40ピンDIPタイプです。85専用のためワンボード化を考えて入出力ポートに256バイトのRAMとカウンターが内蔵されていた優れものでした。基本的にはPAポート(8)、PBポート(8)、PCポート(6)の計22ポートにRAMが追加されたICですがハード設計上ピン配置が簡単に8085とつながるようになってるので大変便利なICでした。 最小構成は8085(CPU)、8156(I/O)、2716など(ROM)、74373(アドレスセパレータ)の4チップで可能でしたのでかなり小型な基板が作れました。 ・8755 これも8085というCPU専用のI/Oで40ピンDIPタイプ窓付です。窓付とはRAMではなくEROMが内蔵されています。EPROMは2Kバイト(ちょうど2716と同等)でI/OがPAポート(8)とPBポート(8)の計16ポートとなります。 これを使うと8085(CPU)+8156(I/O&RAM)+8755(I/O+ROM)の3チップ構成が可能となりますがこの方法ではあまり使われなかったようです ・Z80PIO Z80ファミリーのPIOで40ピンDIPでした。Z80とつなぐだけでかなりのコントロールが可能でした。またポートも1ポートごとの管理ができかなり便利でしたがPAとPBの2ポートしかないためか、そこまで使うこともなく8255の方がよく使われていたように感じます。 |
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SIOとはシリアルの入出力ICです。CPUとパソコンや他のCPUとの通信(リンク)やモデムとの通信にこのICが使われます。RS232Cと言う規格は現在でも健在ですが、この方法で送受信する場合はこのICを使うことで簡単にできるようになります。 シリアルとは、スタート信号から始まり決められた時間ごとにデータを送ります。300ボーの場合は1秒間に300ビットの変化がある訳ですが実際には決まりがあります。 ・スタートビット 1ビット(絶対に必要なデータ送信開始ビットです) ・データビット 7〜8ビット(実際に送るデータです。8ビット(JISコード)か7ビット(ASCIIコード)) ・パリティビット 1ビット(データビットが正常化かを確認するビットで省略する場合有り) ・ストップビット 1〜2ビット(データ送信を完了した後の次へのデータ転送の空きビット、これがないとスタートできない) 通常は1+8+1+1=11ビット位で1データとなります。この方法でデータを送受信するためのICがこのSIOですが上記方法で送受信してもデータのフォーマットはソフトで対応することになります。 歴代のSIOを簡単に説明しましょう。 ・8251 80系のUSART専用ICです。これも8255とならんでよく使われたICですが通信するチャンネルは1ポートしかありません。28ピンDIPタイプ(幅が広い)でした。同期式も非同期式も対応していて最近まで使われていたICです。 最近はPICやH8などもUSARTがすでに内蔵されていますので使用する可能性が減っているように思えます。 ※語句「USART」 Universal Synchronous/Asynhronous Receiver/Transmitter 同期・非同期用シリアルインターフェース ・Z80SIO Z80ファミリーのSIOで40ピンDIPです。これもZ80とつなぐことによりかなりのコントロールができるようですしチャンネル数も2チャンネルとなりましたが、通常の通信では、やはり使い慣れている8251の方がよく使われていたのではないでしょうか。但しモデム通信やパソコン通信など制御線を多用した場合はこのICが優れているため良く使われたようです。 |
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CTCとはタイマ、カウンタ機能が入ったICです。CPUだけで時間の管理をするとソフトへの負担が大きくなり本来の作業ができなくなりますが別にカウンタ作業をやってもらい時間が来ると教えてもらう機能がこのCTCの役目です。 この他に周波数をソフトで分周したり外部信号に同期してカウントしたり色々なことができます。 ・8253 80系のCTC(PIT)専用ICです。これも8253とならんでよく使われたICですが通信用の8251と合わせてボーレートをコントロールするなど多彩のことができました。また分周で好きな周波数を作れますので音を出すこともできます。チャンネルは3ポートありカウンターは16ビット長と大変使い易いカウンタです。24ピンDIPタイプ(幅が広い)でした。 ・Z80CTC Z80ファミリーのCTCで28ピンDIPです。これもZ80とつなぐことによりかなりのコントロールができるようですしチャンネル数も8253より多く4チャンネルとなりましたが8ビット長のカウンタのため8253より使いにくいようです。 |
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その他にもCPUに関する周辺ICがありますがあまり記載してもしょうがないので簡単に型番と簡単な説明のみにしておきます。(電子工作自体いに関係なくなるので・・・)
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