マイクロプログラミング - 計算機におけるマイクロプログラム制御方式の歴史

計算機の「装置」的構成要素-「入力」装置,「演算」装置,「記憶」装置,「制御」装置,「出力」装置
馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.1
 
「制御」装置の構成要素-「命令レジスタ」(IR),「プログラムカウンタ」(PC),「デコーダ」
「命令レジスタ」(IR)-命令をおくための記憶装置
「プログラムカウンタ」(PC)-命令のアドレスを保持するための記憶装置
「デコーダ」-与えられた命令の中の操作コード部をデコード(解読)して、命令が指定する動作内容を決定するための装置。また演算処理の対象となるデータのアドレスを決定する装置でもある。
馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,pp.2-3
 
計算機における「命令」の実行プロセス – 「命令サイクル」
計算機は,下記の各操作の繰り返し(命令サイクル)をおこなっている。

1.命令の取り出し[プログラムカウンタが指定する命令のアドレスを記憶装置に送り,命令を記憶装置から命令レジスタに読み込む]
2.プログラムカウンタの更新[プログラムカウンタを一つ先に進める]
3.命令のデコード[命令レジスタの中の命令の操作コード部をデコードして,計算機がどのような動作をすべきかを決定する。また命令のアドレス部から「演算の対象となるデータ」(オペランドと呼ぶ)のアドレスを決定する.]
4.オペランド(演算処理の対象となるデータ)の取り出し[オペランドのアドレスを主記憶装置に送り,オペランドの読み出しをおこなう]
5.命令の実行

馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.3

 
マイクロプログラミング方式によるCPU設計
馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p4の図1.4「マイクロプログラミング方式」 馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.5の図1.5「機械命令とマイクロプログラムの関係」
「機械語」命令の命令レジスタの操作コード部で,制御記憶アドレスレジスタ(CMAR)を指定する。
制御記憶(control memory)の中の,指定アドレスにあるマイクロプログラムを,制御記憶データレジスタ(CMDR)に読み出す。
制御記憶データレジスタ(CMDR)に読み出されたマイクロプログラム(microprogram)を構成するマイクロ命令(micro instruction)は,デコーダによってデコードされマイクロオーダ(micro-order)に変換される。 マイクロオーダによって制御される操作は,マイクロ操作(micro operation)と呼ばれている。

CMAR:制御記憶アドレスレジスタ(control memory address register)
CMDR:制御記憶データレジスタ(control memory data register)
[図の出典]馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.4の図1.4「マイクロプログラミング方式」およびp.5の図1.5「機械命令とマイクロプログラムの関係」

 
マイクロプログラミング方式のメリット
1) 制御論理の実現に関わるコスト
結線論理方式によるCPU設計では,「制御論理はすべて論理素子,および素子間の結線で実現されるため,論理が複雑になればなるほど,要するコストは著しく増大する」(馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.10)が,マイクロプログラミング方式では制御論理が複雑になっても,マイクロプログラムを格納する制御記憶の容量を増大させるだけで良いため,制御論理が複雑になればなるほどマイクロプログラミング方式の方がコスト的に有利になる。
 
2) 設計コスト
結線論理方式によるCPU設計では,制御論理を実現するハードウェア設計が複雑になりコストがかかるが,ハードウェア設計それ自体は単純である。マイクロプログラミング方式ではソフトウェア設計は複雑になるが,「マクロレベル以上のアーキテクチャの設計, マクロアーキテクチャを実現するためのマイクロプログラムの作成, およびマイクロアーキテクチャを実現するためのハードウェアの論理設計などを並行して進めることができる」というメリットがある。
 
2) システムの柔軟性
ハードウェアを変更しなくても,マイクロプログラムの変更により制御論理の変更や追加が可能である。
 
マイクロプログラム方式の歴史的展開
馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,pp.5-10
 
1.M.V.Wilkesによるマイクロプログラミング方式の発明(1951)

Wilkes, M.V. (1951) “The Best Way to Design an Automatic Calculating Machine,” in Report of the Manchester University Computer Inaugural Conference, 1951. (Not published until 1953), pp. 16-18.

本論文は下記ほかで再録されている。
Wilkes, M. V. (1989). “The best way to design an automatic calculating machine,” in Martin Campbell-Kelly (Ed.). The early British computer conferences, (Charles Babbage Institute Reprint Series For The History Of Computing, Vol. 14.) MIT Press, Cambridge, MA, USA 182-184.
https://dl.acm.org/citation.cfm?id=94938.94976
 
2.マイクロプログラミング方式の商用機における採用(1964-)
IBM360で採用
 
3.ダイナミック・マイクロプログラミング(1970-)
ダイナミック・マイクロプログラミング
制御記憶にあるマイクロプログラムを「書き換え可能」とすること。その実現には,「実行時に制御記憶の内容を書き換える」方式と「2次記憶または主記憶にあるマイクロプログラムを制御記憶にロードして使用する」方式(リローダブル制御記憶(reloadable control)memory)の2種類がある。
ダイナミック・マイクロプログラミング方式を採用することによる応用の一つは,ユーザーが同方式を利用して「種々の応用プログラムのマイクロプログラム化を図る」こと,すなわち,「ユーザマイクロプログラミングを可能にすること」である。[Andrews,M.(1980) Principles of Firmware Engineering in Microprogram Control,Computer Science Press.]
 
2レベル・マイクロプログラミング-マイクロプログラムの階層化
制御記憶にあるマイクロプログラムを「書き換え可能」となれば,マイクロプログラムの階層化,すなわち,制御記憶を「マイクロプログラム記憶」と「ナノプログラム」記憶(nanoprogram memory)とに分けて管理することも可能となる。
 
プログラム視点から見た計算機アーキテクチャの階層構成
 
 
[図の出典]馬場敬信(1985)『マイクロプログラミング』昭晃堂,p.9
[参考文献]
Salisbury,A.B.(1976) Microprogrammable Computer Architectures,Elsevier Science Inc.
Smotherman, M.(2012) “A Brief History of Microprogramming”
http://ed-thelen.org/comp-hist/MicroprogrammingABriefHistoryOf.pdf
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中規模コンピュータの価格

半導体回路の歴史的変遷
年代 価格
1960年代初期 30,000ドル
1970年 10,000ドル
1977年 5,000ドル
1980年 1,000ドル
1985年 1,000ドル
年代 価格
1980年以降は予測数値
[出典]キャノン, D.L., リューク, G.(木村芳幸訳、1983)『マイクロコンピュータ入門』 (エレクトロニクス入門シリーズ)啓学出版、p.24の図1.22「中規模コンピュータのコストの変遷」
 
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半導体回路の歴史的変遷- IC、LSI

半導体回路の歴史的変遷
型式 登場年代 ゲート数 チップの外形
(ミル)
チップの面積
(平方ミル)
SSIとの比
SSI 1960年代初期 10~12 50×50 2,500
MSI~LSI 1960年代後期 100~1,000 150×150 22,500 9:1
LSI~VLSI 1970年代 1000~50,000 250×250 62,500 25:1
 
注:1ミル=1/1000インチ=0.0254mm
[出典]キャノン, D.L., リューク, G.(木村芳幸訳、1983)『マイクロコンピュータ入門』 (エレクトロニクス入門シリーズ)啓学出版、p.23の表1.2「ディジタル電子回路の変遷一チップの大きさ」
 
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マイクロプロセッサ誕生と電卓

マイクロプロセッサというモジュールの誕生は、電卓の製品イノベーションの過程でなされたとされている。
 
例えばZaksは、マイクロプロセッサは、「電卓用チップからの自然な進化」(a natural evolution from calculator chips)によるものである、としている。
Microprocessors represent a natural evolution from calculator chips, and were first introduced by Intel in 1971. Most major companies are now in the process of producing microprocessor systems.”(p.9)
 
なおZaksは、現在のところマイクロコンピュータの実行速度はミニコンピュータよりも2倍から10倍も遅いけれども、マイクロプロセッサの今後の技術発展により「ミニコンピュータ革命」よりも大きな衝撃を与えるものであるとしている。
The impact of the microprocessor can be expected to be more significant than the mini revolution a few years ago. The range of microcomputer systems extends throughout a wide spectrum of performance and cost, from the calculator at the low end, to the minicomputer at the high end. Typical execution times for microcomputers are still 2 to 10 times slower than those for minis, but are constantly shrinking. Microprocessors have evolved as standard OEM products, and cater exclusively to the OEM users, while minicomputers usually provide extensive support geared to the end-user. Their major impact is felt on economical and “smart” OEM digital products. As MOS LSI costs keep decreasing, the number of microcomputers should exceed by far the number of any other type of computer being produced.
 
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日本におけるマイクロコンピュータという単語の多義性 ー microcomputer

マイクロコンピュータ(microcomputer)という用語は、マイクロプロセッサ(microprocessor)という用語とは異なり多義的である。
山中和正、田丸啓吉(1976)『マイクロコンピュータ入門』日刊工業新聞社、p.2は、下図のように、マイクロコンピュータの定義は3種類ある、としている。

定義1-「マイクロプロセッサ」(図の構成A)
定義2-「マイクロコンピュータ・ボード」(図の構成B)-「構成Aのマイクロプロセッサに、メモリや必要な周辺回路をつけて,1~2枚の印刷配線板にとりつけたもの」
定義3-「マイクロコンピュータ」(図の構成C)-「構成Bに加えて、電源,筐体やソフトウエアまで加えて,完全にコンピュータとして商品化している」
 
マイクロコンピュータ=「入力機器、表示装置、記録装置などを含むシステム」とする用語法
矢田光治(1980)『図解マイコンの基礎知識』オーム社、p.1は、「マイコンは,マイクロコンピュータを略してよぶのに使われて
いる」とした上で、マイコンを下図のように、キーボードなどの入力機器、TVディスプレイなどの表示装置、プリンタなどの出力装置、オーディオカセットなどの記録装置などを含むシステムであるとしている。
 
マイクロコンピュータ=「マイクロプロセッサ」(microprocessor)とする用語法
 
マイクロコンピュータ=「パーソナルコンピュータの別名」とする用語法
 
関連参考資料
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ダウンロード可能なPC関連雑誌

Byte
創刊号(1975年9月号)からVol 21 No 11(1996年11月号)まで収録
Radio Electronics
“Build the Mark-8, Your Personal Minicomputer”(Mark-8、あなたのパーソナル・ミニコンピュータを作ろう)というキャプションを付けられたMark-8 (1974)が、Radio Electronics誌の1974年7月号の表紙を飾っている。
Popular Electronics
“World’s First Minicomputer kit to Rival Commercial Models”(市販のミニコンピュータと肩を並べる、世界最初のミニコンピュータ・キット)というキャプションを付けられたAltair8800がPopular Electronics誌の1975年1月号の表紙を飾っている。
Creative Computing Magazine
創刊号(1974年11月・12月合併号)から1983年3月号まで収録
Personal Computing
創刊号(1977年1月・2月合併号)から1984年10月号まで収録
Microcomputer Digest
第1巻 第2号(1974年8月号)から第3巻 第7号(1977年1・2月合併号)までを収録[創刊号以外にも欠号あり]
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コンピュータ関連事典

PC関連事典

Sippl, Charles J.(1981 Rev. ed. of Microcomputer dictionary and guide, 1976, c 1975) Microcomputer dictionary, Howard W. Sams & Co.m Inc., Indianapolis, 606pp.
https://archive.org/details/microcomputerdic00sipp
archive.orgでユーザー登録後、デジタルデータを期間限定で利用できる。

Kent, Allen, Williams, James G. (1988) Encyclopedia of Microcomputers, Volume 1, Access Methos to Assembly Language and Assemblers, Marcel Dekker, Inc., 434pp.
https://archive.org/details/EncyclopiaMicrocomputers01
Sanchez, Michael M. “Altos Computer Systems”, pp.66-73、Krause, Barbara “Apple Computer, Inc.” ,pp.218-221、Ashton-Tate, Inc. “Ashton-Tate, Inc. ” ,pp.376-382などの項目を含む中項目事典

百科事典

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DECのマイクロプロセッサ

DECのMPS (MicroProcessor Series)
DECの1974年のハードウェア製品 MPS Computer Program
DEC (1972,1973,1974,1975,1976,1978) Digital Equipment Corporation Nineteen Fifty-Seven to the Present, p.38
http://gordonbell.azurewebsites.net/digital/dec%201957%20to%20present%201978.pdf
 
DECの1976年のハードウェア製品 MPS Program
DEC (1972,1973,1974,1975,1976,1978) Digital Equipment Corporation Nineteen Fifty-Seven to the Present, p.60
http://gordonbell.azurewebsites.net/digital/dec%201957%20to%20present%201978.pdf
 
Microprocessorを用いたDEC製品
DECの1974年のハードウェア製品 MPS Computer Program
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マイクロコンピュータ用ソフトウェア

DECのMPS(MicroProcessor Series)、IntelのMCS-4, MCS-8, MCS-80、MotorolaのMC 6800, National SemiconductorのIMP-4, IMP-8, IMP-16、RaytheonのRP-16、RCAのCOSMAC、Rockwell InternationalのPPS-4, PPS-8といったマイクロプロセッサ上で動作するソフトウェア

[出典]
山中和正、田丸啓吉(1976)『マイクロコンピュータ入門』日刊工業新聞社、pp.112-113の表9.1「マイクロコンピュータのソフトウェアの現状(資料:IEEE Spectrum)
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ミニコンピュータ vs マイクロコンピュータの性能比較

ミニコンピュータ vs マイクロコンピュータの性能比較(1974年,1978年)
マイクロコンピュータのCPU性能は,下図にあるように1978年頃にはミニコンピュータに近くなっている。
 
「マイクロプロセッサの市場はアメリカでは1974年に比べて1978年には5倍となり,1982年までには12倍となると予想されている.この1~2年に今日のミニコンと同一性能で低価格のマイクロコンピュータが供給されるようになろうが,市場としては,8ビットマイクロコンピュータ( ~40%),コンピュータとしての応用 (~30%)が中心となると予想されている.」
[出典]東山尚(1978)「応用システムの設計と開発」電子通信学会編『マイクロコンピュータとその応用』電子通信学会,第9章,p.305
 
1970年代マイクロコンピュータとミニコンピュータの性能比較
マイクロコンピュータ ミニコンピュータ
命令種類 48~78 100~200
基本命令
実行時間
2~20μsec 0.5μsec
割り込み 1~8レベル 多重レベル
ハードウェアによる
割り込み処理機能あり
DMA 一部あり 標準
メモリー ROMとRAM RAM
その他 スタンダードI/Oなし
基本ソフトウェアなし
スタンダードI/Oあり
基本ソフトウェア完備
 
[出典]泉川新一(1983)『マイコン・パソコンとOA入門 基本18章』電波新聞社、p.365
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