電子工学科におけるマイクロコンピュータの教育と学生実験
（昭和57年5月31日 原稿受付）
電子工学教室坂本博康
上 松 弘 明 辻 達 之
The Instruction and the Laboratory of Microcomputer
in the Department of Electronics．
by Hir◎yasu SAKAMOTO
Hiroaki UEMATSU
Tatsuyuki TSUJI
Al》st品et
Nowadays， fundamental knowledge and experience of the microprocessor seem to be indis・
pensable to alumnus of department of electrorlics、 Since 1976 and 1980， the authors have started t◎teach microprocess◎r in the lec衙e◎f electr◎nic e師限砿， and have intr◎duced㌔ndamen−
tals and aX）plications（）f micr（）process〈）r 8085 irlt（）之he electroni（二equiρment labo「at◎「yタ「esPec愉 tively． This report explains the lecture and the laboratory． With regard to the latter， this includes the hardware con＄truction of the laboratory equipments， the exercises， the problems and some of sample programs， and also includes the results of questiomaires those were aimed to
§ound也e s缶dems o芝柱｛）n conf輌dences they could get． Because of the托sults of quest輌く）茎maires，
the authors are sure that the laboratory explained here w6uld effectively help a begginer with comprehensi皿of microprocessor to a considerable level，
Lまえがき をマシンサイクルとステ』トのレベ・レま惚解させるこ
とと，計測，制御の応用に多用されるAD変換の原理（特 マイクロコンピュータ（以下マイコンと略す）の出現 に逐次比較型）を理解させることに重点をおいた；）
が産業界に与えたインパクトは大きく・その応用範囲の 実験に使用したマイコンは日本電気製のTK−85であ 広さは多方面の技術者をマイコンまたはその応用機器の る。CPU8◎85はアドレッシングモードの不足やアセン 研究開発にまき込んでいる。従って電子工学科の卒業生 ブリ言語文法の不統一性が欠点である。特に後者はこの
としてはマイコンの基礎からの理解と操作・実習の経験 CPUを初学者にとって良い教材であるとは言わしめな は必須と考えられる。 い。しかしTK−85はその説明書3）にハードウェアとモニ 1976年・1980年以来著者らはそれぞれマイコンの講議 タプログラムが詳しく説明されている。またその前半部 を始め、電子機器実験と呼ばれる学生実験にマイコン はていねいな初学者向き導入解説である。TK−85の表
（8085A）の基礎と応用を導入しており、ここに報告す 示部にはサイクルスチールDMAを用いる等，ハード的 るような効果を上げている。著者らの参考にした先例に にも教育的である。これらがTK−85を選定した理由で は文献α）等があるが，電子工学科の実験としては不足す ある。実験用マイコンは後述する拡張部とTK−85を1 る点と冗長な点が見られる。そこでさらにCPUの動作 セットとして10セット製作し，学生2人1組に使わせて
いる。マイコン実験は「電子機器実験」の約2／5の割合を
3．マイクロコンピュータ実験 占める。本実験は3年次後期，週二時限の必修科目であ
り，マイコン実験には4週間を使っている。実験時には 3．1． 実験装置
実験完了のチェックを行い，レポート提出時には学生の 実験装置1セットはTK−85とそのコネクタに接続さ 面接試問により，内容の理解度をチェックしている。 れた拡張部よりなっている。拡張部にはオペアンプで 一 バッファされたレジスタ付8ビットDA変換器IC 2．計算機とその基礎に関する講義について 一
（DATEL社， DAC−UP8BC， DACと略記する）4｝2個，
電子工学科の学生が受講する標記の講義について，1 サンプル・ホールドIC（DATEL社， SHM−LM2），コ 年次から順を追って列記する。下記の各項目は①科目名， ンパレータIC（311）， RSフリップフロップや半加算
②時期と期間，③内容，④現在使用中のテキストである。 器・全加算器等の簡単なディジタル回路，そしてDAC （i）①計算機通論，②1年次前後期，③ディジタル電子 に接続されたトランジスタアンプが組まれている。3．2．
計算機の基礎，④電子計算機一ハードウェアの基礎 節で説明する イニシャル を表示している時の実験装 （萩原・黒住著，オーム社） 置を図一1に，拡張部の回路図を図一2に示す。
（ii）①プログラミング概論同演習，②1年次前期，③ 図一2の並列入出力ポート8255はTK−85ボード上に FORTRAN言語，④FORTRAN入門（浦昭二著， ある。これは通常の10マツプト10によってアドレス 培風館） が割り当てられていて，その値はポートA，B， Cと制 （iii）①プログラミング言語1同演習，②2年次前期，③ 御レジスタの順にF8H〜FBH（Hは16進数を表わす）
アセンブラ，アセンブラ言語，計算機ハードウェア である。他方2個のDACはレジスタ内蔵型でバスに直 の動作，④マイクロコンピュータ・ソフトウェア技 結されている。そのレジスタへのデータロード信号には，
術（吉田征夫著，マイテック） TK−85内で作られているメモリ増設用のRAMチップ Gv）①電子回路III，③3年次前期，③パルス・ディジタ セレクト信号CS2， CS3を用いている。従ってこれら ル回路，④電子回路II（志村正道著，昭晃堂） DACはメモリマツプト10となっており，そのアドレ （v）①電子機器，②3年次後期，③マイコンの基礎，④ スはDAC−Xが8800H〜8BFFH， DACYが8COOH マイクロコンピュータ入門（森下巌著，昭晃堂） 〜8FFFHである。つまりDAC 1個でlKバイトのメ 以上の講義内容の理解を前提としてマイコン実験課題 モリアドレス空間を占めている。2個のDACの出力を
を決めた。 X−Yオシロスコープの垂直一水平入力に入れ，ブラウ （v）について少し詳しく述べる。対象は電気・電子工学 ン管上の輝点の位置と移動の速さを制御する事により管 科学生である。本講義はマイコンと外部機器とのイン 面上に文字等を表示する事ができる。コンパレータと
ターフェイス技術の概念の把握とハード，ソフト両面に DAC−Xとサンプルホールドを図2のように接続してお ついて理解を深める事を目標にしている。講義内容はマ
イコンシステムにおける，それ特有の基本的概念，CPU
プ・セ・サ・メモリ（RAM・R°M・PR°M）の齢と 、 ∴，∴∵、∴＿、＿．
記憶原理，インタフェイス素子の構造と動作原理，それ 三・㌧1㌧： ：1：：ご．ぺぐ い1∴こ べ ㌦、∴、糊＾〉ごこ言㌫∵
蕊㌫∴：㌫1ま瓢二藷‡纏麟 盤露二：三1鐵1姦麹翻墨謙
もTK−85を使って実習を行い，体験白勺に理解を深める ・＿幽職灘
ように配慮している。ここではプログラミングの後，機 鰍頴 械語への変換はハンドアセンブルまたはTSS端末を用
いてクロスアセンブルするように指導している。また TK−85のモニタプログラムについても全体の構成につ
，懇蓉罫 ∨ 懸、、灘 ・ 、． 、． ぽ いて理解させそれぞれの機能についてもプログラムを解
読させる事によって理解させるようにした。 図一1 実験用マイコンの1セット
1825S ｜ 74］25 旨‡ PC3
＞圧 PC2
弐 PC1
Samp
一［
VCE
V夏N 2SC372G
SFULL
εF髄L
図一2 拡張部回路図
けば，ソフトウェアによっていろいろな型のAD変換器 （MOV AM｛7＞：OUTq⑳）となリブラウン管上にその差 を構成する事ができる。 が見えることがある。メモリマップト10においては命 AD変換器の実験としては、 AD変換器ICを拡張部 令の種類のはるかに豊富なメモリアクセス命令を使える に取り付ける事も考えた。この場合のプログラムはその という特徴のこれは良い例である。このように拡張部回
ICに変換開始パルスを与え，変換終了パルスが出力さ 路の製作と保守の容易性をねらってハードウェア的には れるのを待った後並列入力ポートからデータを取り込む 簡素な拡張部回路を作ったが，教育的効果はかえって増
という動作だけが必要で，ディジタル入出力プログラム 大したと思われる。
と何ら異る所はない。当然AD変換方式についても理解 3．2．実験課題と問題
しておく必要はない。他方図一2ではAD変換にもDAC 実験課題とレポートで報告させる問題を表一1にまと を共用している。またAD変換方式を知らないとプログ めている。第1，3日目の問題（P）の③と①（1P3，3P1 ラムを組めない。次にDACのアドレスマップ方法につ と略記する）であるTK−85のキー入力部とLED表示部 いて述べる。一般にDACは10機器と見なされ10ア のハードウエアとモニタは文献（3）に詳説されている。前 ドレス空間に置かれるが，本回路では前述のようにアド 者は人間の動作とのインターフェイス，後者はサイクル レスデコーダの節約のためにメモリ空間に置いた。この スチールDMAを用いており，共に教育的である。1E4 方法はまた2個のDACの出力をX−Yスコープ表示す のプログラムでは累算用レジスタとして一般に3バイト る時次の理由で有利である。つまり2個のDACに1つ 必要である。2E1の測定では，観測信号のうちどれをオ の命令 SHLD 8BFFH によってデータをストアでき， シロスコープの同期信号として用いるかが重要な問題で その時間差は8085の場合3クロック周期である。他方1 ある。実行中プログラムの一周期の中で最もレベル変化 Oマップト10にすればデータストアの時間差は最短で の少ない（変化の無い信号は使えない）波形を用いれば 14クロック（MOV A，r（4）：OUT（10），普通は17クロック 安定した測定ができる。測定する制御バスはRD， WR，
表一1 実験課題と問題
実験課題（E） 問 題（P）
第藁1 的日蕃 ①並列入出力ポートC（8255）に方形波を出力。
ADA変換器DAC−Xにのこぎり波を出力。
B三角波発生用のデータ（512個程度）をメモリにストアしDAC・Yへ出力。
C上のデータの加算平均値を計算するプログラム。
①並列入出力ポートICのチップセレクト（CS）方法とDAC内蔵レジス
@タのCS方法の相異と長所短所。
Aメモリアクセス命令と10アクセス命令の種類。
BTK・85のキー入力部のハードウエァ構成とモニタサブルーチン。
CPU諱@タ
Qく日 ン グ
①メモリ書込みと10読出し時におけるデータ・アドレス・制御信号の波
@形観測1サイクルスチールDMA信号を含む）。
①観測した制御信号の意味。
A割込み，HOLD， WAITの機能をCPUの状態遷移図を使って説明さ
@せる。
B上の三灘鋤使朋的。
瞬彰3ラとル日多福 ①DACXとDAC・Yを用い，学生各自のイニシャルをXYオシロスコー
v上1こ描かせる。
ANANDゲート， RSフリップフロップ，半加算器，全加算器の動作を m認。
①TK・85のLED表示部のバー一ドウエア構成（サイクルスチールDMA）
@とモニタサブルーチン。
A機械語レベルでプログラムの再配置を可能にするためのCPUのハー
@ドウエア機構。
AD@ 変 諱@換Sζ日 グ ラ ム
①サンプルホールド回路，DAC・X，コンパレータ，8255のポートB， C
@を用いAD変換プログラム（逐次比較型）を作成。
A三角波等を上のプログラムによりメモリ上に取り込み，再度XYスコ [プ上に表乱
BトランジスタアンプのV、rVcE特性をDAC・YとAD変換で測定し， X
@Yスコープ」二にそのグラフを表示。
①AD変換ルーチンのタイマー割込みによる起動のために必要なTK・
@85用のハードウエアとプログラムインターフェイス。
IO／M， MEMW， SO・Sl， DMA， ALE， RAMのCSそ START れにCLOCKである。この測定結果に基づいて，各マシ ンサイクルの各ステートでCPUが何を行っているのか 出力データ を理解させる。4E1では逐次比較型を推薦するが他の方 10000000
決定中ビット＝MSB 法で作っても可としている。学生に配布する実験書には 図一3の逐次比較型フローチャートを掲げている。AD変 換のその他の実現法としては積分型，追従比較型等がプ ログラム可能である。実験の順序は55年度は1342の 順であったが，56年度は1234の順で行った。本年度 （57年）は1324の順とするかを検討中である。
＝0 コンパレ＿タ
3．3． プログラム例
上の節で述べた実験課題のうちのプログラム3例を図
麟；罐1 1 −4に示す。図の（・）は3E1の⇔ヤ・レ表示．（・）｝ま2E1の
を1にする （ANALOG＞DIGITAL） CPUタイミング測定用，（c）は4E1のAD変換（逐次比較 型）のプログラム例である。図一1のCRT上の表示は（a）
決定中ビットはその
ままにして次のビッ のサブルーチンを組み合わせて行っている。（b）を実行さ トに1を立てる せタイミング測定をする時は，同期信号として前半はメ モリ書出し信号，後半は10／M信号，もしくは両方共 SO・Sl信号を用いるのが良い。（c）の例はメモリの8100H から81FF H番地にくり返しAD変換したデータをスト アしている。（c）を実行しアナログ入力に正弦波を入れた DONE 時のコンパレータの2入力，隅まりサンプルホールドさ RET れた信号く上）とDAC−Xの出力波形（下）を図一5に示す。
DACの出力波形が逐次比較型のアルゴリズムに従って 図一3 逐次比較型AD変換のフ劇一チャート ホールドされた電圧に収束していく様子が良くわかる。
…F臼lr川・・l r・1・Y⑰IF UNE一 蒜：；NVE；TERH竺；IN、；°1」T鮨：．X。白IL，「
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図一4 NF q：lu「胴 ］1」・「F・lli「〕lu N目P ： F｝F TI卜1TNI、卜tr｛JU．T 門L．1 ｝ヨ ：
ニ ソ ピ ハ く （c） ．門r ζ・u・〔P rNP
図一4 プログラム例
者らはこの問題を実験課題とすることを検討中である。
その課題としてはたとえばタイマーを使った一定時間毎 の割込みをかけてAD変換器からデータを取り込み，
LED表示器に表示したり，さらには1P1で発生させた方 形波の周期を入力データによって変化させてその音をス ピーカーへ導くというような実験が興味深い。その時の アナログ入力電圧は手動の可変抵抗で作るとよい。この ように音を出したり物を動かすような五感に訴える実験 図＿5逐次比較型AD変換プ。グラム実行中の は学生に興味と意欲をわかせる肌実験題目にこのよ コンパレータ入力波形 うな実験を取り入れる効果は大である。しかし装置が大
9㍑議裁繕；霊翫，V／、、V がかりになると・多数の実験装置の製作保守が困蜘・な
るので，上記の利点と装置の簡素さの間の妥協点を決め ることが重要である。
3．4．今後導入を検討中の実験課題 ． CPUの害1込み， H。LDとWAIT磯自旨のうち割込み 4・アンケート調査による実験効果の評価
は最も多用される技術であろう。これら3機能について 55年度と56年度の本実験受講者に対してそれぞれ56 は2P2と2P3で，割込みについては4P1で調べさせてい 年7〜8月と57年5月に無記名アンケート調査を行っ るが，実習を伴えぼ理解が容易になると考えられる。著 た。主な質問は，学生が実験を経て得たマイコンに対す
る自信を探るもので，次のような質問型式である。 したのは5名という事を表わす。従って独力，理解，不
○あなたは実験時に全実験課題と問題の何％を… 理解，等の欄をそれぞれの0％から100％まで加え込む 独力で作成しましたか（。， 。） と有効回答数になる。各欄で平均％を出しているが，実 友人等の助力により理解しましたか（b， y） 験時と予想では大きな有意差は考えられない。これは自 不理解に終わりましたか（，， 。） 信を付けた人と失った人のデータが相殺された結果と予
○あなたは現在時点で全実験課題と問題の何％を次の条 想される。またアンケート回答者の答えた数字の有効け 件で作成可能だと思いますか？ た数は1程度かそれ以下と考えられる。そこで回答の絶 独力で可能（α， x） 対値ではなくて，実験時と予想時における値の変化が回 実験レポート等の資料を見れば可能（、， y） 答者の得た理解度と自信に関係があるとして，回答者を 不可能（、， 。） 3つのグループに分けた。その分類方法のフローチャー 上記のα，b，6，は実験課題について，ちy，2は問題につ トを図一6に示す。○印は自信を付けた人，×印は自信を いての％であり，α＋b＋o＝κ＋y＋2＝100％である。こ 失った人，△印はその中間の人である。表2の第3欄に の条件を満たすものを有効回答とした。55年度と，56年 は，この3グループの人数を実験と問題について示して 度受講生のそれぞれについての各種統計量を表一2にま いる。90％以上を独力で可能または作成した人は相当の とめている。その第1の欄は有効回答率，第2欄は例え 自信を持っている人と考えられるので，その人数を第4 ば56年度の学生のうち独力で全実験の50〜59％を作成 欄に示した。実験課題よりも問題の方が程度が高く難し
表一2 アンケート調査結果
年 度
有効 ％
独 力
実験時（実験，問題）
@ 人 数
@ 理 解 不理解 独 力
現在の予想（実験，問題）
@ 人 数
@ 可 能1不可能
○自信付いた
｢×自信失った
90％以上（100）
独力で作成 狽ﾍ可能な人 0〜10 2， 0 12．10 22．21 4， 3 12．11 24．20
11〜20 4．2 3．8 4．3 4， 4 6．6 5．6 21〜30 2， 2 4．4 4， 5 1．3 4， 2 2， 2
実験 0 25（73％）
｢ 3（9％）
6（18％）
実験時
@9（8）
¥ 想
@10（7）
31〜40 3．3 4， 5 2， 1 1， 1 2．3 0．0 41〜50 8， 9 6．4 1， 1 5．6 4．5 1， 2 実験
m42問題塁42
55
51〜60 2， 2 2．0 1．0 3．1 2．2 1， 1 61〜70 1．3 2．1 0．1 2， 1 3．1 0．0 71〜80 3， 5 1， 0 0．0 4．4 1．2 0， 0 81〜90 1， 1 0．0 0， 0 2， 1 0．0 0， 0
問題 0 18（56％）
｢ 5（16％）
9（28％）
実験時
@6（5）
¥ 想
@8（7）
91〜100 8．5 0．0 0．0 8．7 0．0 1， 1
平均％ 58．62 29．25 13．13 60．56 27．29 13．15 0〜9 3．6 2．1 15．12 2．1 4．4 21．18
10〜19 5， 6 5， 1 9．11 2．2 4．2 8， 8 20〜29 3， 5 3， 2 10， 9 4．5 5．6 5， 5
実験 0 29（78％）
｢ 0
8（22％）
実験時
@5（2）
¥ 想
@7（3）
30〜39 5， 5 5．6 3．4 4．5 5．4 2， 4 40〜49 3， 2 4， 4 0， 1 3．4 5．6 1， 1
実験
ﾞ37問題鉦37
56
50〜59 5．3 5．3 0．0 5．6 3．6 0， 0 60〜69 1， 4 5， 8 0， 0 4， 4 6， 6 0．0 70〜79 4．3 5．6 0．0 3．3 3．2 0， 1 80〜89 3， 1 2．6 0， 0 3．3 0， 0 0．0
問題 0 25（68％）
｢ 3（8％）
9（24％）
実験時
@2（1）
¥ 想
@4（3）
90〜100 5， 2 1．0 0．0 7， 4 2， 1 0， 0 平均％ 45．35 44．52 11．13 53．49 39．39 8．12
い事と・割込みについての問題は実習を伴わないために 者らが製作した回路は簡素ではあるが，それがかえって 理解し難い事が・ここに示した実験と問題についての結 教育的意義を増大させている。入出力処理やデータ処理 果のちがいの原因であろう。この分類によればかなりの のための基礎的プログラム方法，CPUのステート単位で 人が自信を付けていると思われ・相当の実験効果が上っ の動作，そしてAD変換方式等を学生に理解させるため ていると考えられる・ の実験課題を示した。また実験装置，本実験で用いなかっ sTART たCPUの機能とその利用法・そしてCPU8085の欠点 とそれを補うために必要な機能等を考えさせる問題を示 く 礫：不醗〉 した。アンケート結果は，学生のマイコンに対する自信
× ＝ ○ ；㌶竺かなり噸効果が得られている事を
不可能：o
、，。， ≒ 、，。， ここで述べた実験装置と実鍵題澗題が・これから
研究や教育へのマイコンの導入を考えておられる多くの
・・艦〉 @ 方々にとってづの参考になれば幸、、である．最後に実
≦ 験課題について有意義な示唆を与えて下さった日本電気
○ △ の渕上弘行氏（当躰学科大学院生）と講内容につ
STOP
いての記載を快く承諾して下さった情報工学科の磯泰行 教授，電子工学科の太田諦二教授，情報処理教育センター の矢鳴虎夫助教授に感謝致します。
図一6 学生の自信を判定するフローチャート
参考 文 献
5．あとがき ｛1）後藤 豊・ 物理計測を目標としたマイコン入門 ・インターフェー ス，1979．
電子工学科の学生に対して行っているマイコン教育と （2）坂本博康・上松弘明・ 九州工大電子工学科におけるマイコン教育 と実験について ，昭56電四九支連大，324，1981．
実験について，そして実験の効果を調べるために行った ｛3）日本電気，TK．85トレ＿ニングブック，1g胆
アンケート調査結果について述べた。実験装置として著， （4）DATEL， Data Acquisition Component Handbook・1980・
