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TK-80 (Training Kit μCOM80) とは、日本電気 (NEC) の半導体事業部が1976年に販売した、マイクロコンピュータ(マイコン)システム開発のためのトレーニングキットである。

◆ 概要

TK-80は、NEC製のμCOM80ファミリーを使いこなすためのトレーニングキットとして発売されたワンボードマイコンキットである。

TK-80の特徴は、データの入出力のために、ほかの機器を必要としなかったことである。当時の他社(インテルやモトローラなど)のトレーニングキットの多くは、データ入出力を行うために、シリアル通信機能を備えた端末装置(テレタイプやVDT装置など)を接続する必要があった。それに対し、TK-80は16進入力キーパッドと8桁の7セグメントLEDを基板上に備えており、端末装置なしでシステムを使うことができたのである。

高価な端末装置を必要としないという点が、当時のアマチュアの目に留まり、TK-80は本来の意図とは異なり、相当数がコンピュータマニアに購入されることになった。このことが、当時、ちょっとしたブーム(マイコンブーム)となり、その後の8ビットパソコン(国産では、NECのPC-8000シリーズ、日立のベーシックマスター、シャープのMZシリーズなど)に続いていくことになった。

◆ トレーニングキット/エバリュエーションキット

初期のマイクロプロセッサは、電卓などのアプリケーションを意図していた。その後、マイクロプロセッサの能力の向上により、電卓とは別のアプリケーションも想定されるようになった。従来、ワイヤードロジック回路、リレー回路、アナログ回路、機械機構などで実現されていた複雑な動作を行う機器を、ソフトウェア制御化し、機器のコストダウン、小型化を図ろうとしたのである。

マイクロプロセッサを使ったソフトウェア制御を行うためには、機器を設計する技術者が、それまでの回路設計などの技術とは別に、ソフトウェア開発技術を習得する必要がある。そのため、マイクロプロセッサを製造、販売する会社は、技術者がマイクロプロセッサのハードウェア、ソフトウェア技術を習得するための教材として、トレーニングキット、あるいはエバリュエーションキット(評価用キット)を提供するようになった。

この種のキットは、CPU、ROM、RAM、I/Oチップなどの構成部品を1枚の基板上に実装し、最小構成のマイクロプロセッサシステムを構成していた(このような構造から、ワンボードマイコンと呼ばれた)。通常、ROMにはモニタ/デバッグプログラムが置かれていたが、ユーザーが自分用のプログラムに置き換えて各種の実験を行ったり、あるいはそのままそのボードを制御用部品として製品に組み込むこともできた。

◆ システムの構成

最初に発売されたTK-80と、その後廉価版として販売されたTK-80Eでは、一部の使用部品が変更されているが、ここでは初代のTK-80を中心に説明する。

TK-80は、プロセッサ、モニタプログラムを収めたROM、RAM、DMAにより表示される8桁の7セグメントLED、プログラマブルパラレルポートから構成されている。

◇ プロセッサ

TK-80は、インテルの8080A互換のNEC製マイクロプロセッサμPD8080Aを、CPUとして使用している。

μPD8080Aは8080Aとは完全互換ではなかった。10進加算後のBCD補正を行うDAA命令が、インテル製のチップは加算後の補正しかできなかったのに対し、NEC製は、減算後の補正も行えたのである。NEC製チップは、加減算のBCD補正を行うために、直前に行ったのが加算であるか減算であるかを記憶するフラグを、PSW(フラグレジスタ)中に追加した。

プログラムを作る立場からすれば、NECによる拡張は便利なものだったのであるが、オリジナルの8080Aとの命令の動作の違い、フラグの構成の違いなどの問題があり、後から販売されたTK-80Eでは、BCD演算処理がインテルのオリジナルと同じになっているμPD8080AFCに変更された。

8080プロセッサは、TTLレベルではない2相クロックを必要とする。また周辺回路を制御するための信号(メモリ-I/Oアクセスの識別、リード/ライトの識別など)の信号は、特定のタイミングでデータバスに出力されるという構成であったため、そのままでは簡単に周辺チップを接続することができなかった。インテル製の8080Aファミリでは、クロックジェネレータ8224、システムコントローラ8228というチップが用意されており、8080Aとあわせて3チップで、プロセッサユニットとして機能するという設計だった。

NEC製のμCOM-80ファミリも同じ構成で、CPUがμPD8080AD、クロックジェネレータμPB8224、システムコントローラがμPD8228Dという構成である。

◇ ROM

基板には256バイトROMを4個装着することができる。キットでは、このうち3個にμPD454Dを装着し、モニタプログラムが実行されるようになっている。μPD454Dは、専用のROMライターを使ってデータの書き込み、電気的なデータ消去を行えるEE-PROMである。

EE-PROMを使ったのは、組み込み機器の実験などのために、ユーザーがデータを書き換えて使えるようにするためだったと思われるが、アマチュアへの販売量が増えたために販売された後継の廉価版のTK-80Eでは、マスクROMのμPD464に変更された。

ROMは、8080のアドレス空間の0000Hから03FFHの1Kバイトである。TK-80/TK-80Eとも、通常の状態では、スロットの空きが1つあるので、自分でROMチップを用意し、プログラムやデータを置くことができる。つまり、モニタプログラムは0000Hから02FFHの768バイトで、0300Hから03FFHはユーザー用領域となる。

◇ RAM

基板には1Kビット(4ビット×256)のS-RAMを最大8個、つまり1KバイトのRAMを装着できる。TK-80では、バッテリーバックアップ可能なμPD5101Eというバッテリーバックアップ可能なC-MOSチップを使っていた。μPD5101Eは、3Vのスタンバイ電圧でデータを保持できるため、TK-80の基板に外部の3V電源(単三電池2本)を接続し、さらにスイッチで主電源のVccからバックアップのVccに切り替えられるようになっていた。

スイッチでバッテリーバックアップモード(基板上の表示ではPROTECT)に切り替えると、RAMのVcc電源がバッテリー側に切り替わるとともに、RAMチップの制御信号が変化してディセーブル状態になり、メモリアクセスが一切禁止される。そのため、動作中にPROTECTに切り替えると(また、PROTECTを解除すると)プログラム(モニタプログラムも含む)は暴走する。このスイッチを切り替える際は、RESETボタンを押しながら行わなければならない。

TK-80Eでは、コストを低下させるために、n-MOSのμPD2010AL-4が使われた。こちらは消費電力や電圧の定格の問題があるため、バッテリーバックアップはできなかった。

TK-80では、RAMのメモリアドレスは8000Hから83FFHまでの1Kバイトであるが、キットに含まれるRAMチップは4個だけで、この空間のうち、8200Hから83FFHに実装するようになっている。上位アドレスに実装するのは、最上位アドレスがモニタプログラムやLEDディスプレイ用のワークエリアとして予約されているためである。ユーザーがRAMチップを増設することで、フルに1Kバイトを利用することが可能になる(マニュアルや各種プログラムライブラリに記載されていたプログラムの多くは、標準の8200Hからのメモリ実装に対応していた)。

C-MOSの5101は、ピン互換のn-MOSの2101と比較し、アクセスタイムが長かったため、CPUによるメモリアクセスの際に、1クロック分のウェイトが挿入された。マスクROMとn-MOSの2101を使っているTK-80Eでは、このウェイトは不要なため、基板のパターンカットにより、速度を向上させることができた。ただし、タイマールーチンの待ち時間が変わるため、シリアル通信の伝送レートが変化してしまうという問題がある。

◇ I/Oポート

TK-80は、8080ファミリーのプログラマプルなパラレルI/OポートμPD8255を1個実装している(シリアルI/Oポートの8251は、TK-80には実装されていない)。8255は、8ビットポートを3ポート備え(PA、PB、PC)、各ポートの入出力、動作モードなどを、プログラムから設定できる。単純な8ポート×3、2ポート+制御信号、ビット単位の入出力指定(PCポートのみ)などの動作が可能だ。

TK-80は、8255をキーパッドのスキャン、シリアル入出力、LEDディスプレイの制御に使っている。このチップのアドレスは、I/Oアドレス空間の0F8Hである(ただし、フルデコードされていない)。

キーパッドは、回路に直結しているRESETを除くと24キーであり、これが3×8のマトリクス接続になっている。8255のPCポートの3ビット(PC4からPC6)とPAポートがこのマトリクスに接続されており、モニタープログラム内のキースキャンルーチンが8255のポートを制御し、キーの押し下げ状態を検出する。スイッチ操作の際にはチャタリング(断続的なスイッチのオン/オフ)が発生するが、キースキャンルーチン内でのタイマー処理により、誤動作を防いでいる。

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