CMOS16ビットMPUとDMAC

特集

情報産業を推進するVLSl技術

_{∪.D.C.〔る81.325＋る81.32る.3〕-181.48:る21.3.049.774.2′14}

CMOS16ビットMPUとDMAC

CMOS16bit

MPU

_and

_DMAC

16ビットマイクロコンピュータの応用分野は,高機能:･高性能で,かつ低消費電 力動作が要求されるコンパクトなOA機器や通信分野へと拡大しており,CMOS版が 不可欠となってきている｡ニこで,日立製作所では,このキーデバイスとなるMPU "HD68HCOOO”及びDMAC"HD63450''を製品化した｡これらは,既存のNMOS版と ソフトウェアコンパチブル性及び差し替え可能なピンコンパチブル性をもち,かつ 消費電力の大幅低減,最:高動作周波数12.5MHzの高速動作,顧客ニーズの強い新機 能の追加などを実現した｡また,DMACでは,レイアウト設計にVLSIレイアウトCAD システムを手采用し,早期製品化を図った｡ n

緒

言 16ビットマイクロコンビュmタは,パーソナルコンピュー タ,ワークステーショ _{ンなどグ)データ処理分野や,NC} (NumericalControl),ロボットなどのリアルタイム制御分

野,及び高機能ファクシミリ,LAN(LocalArea

Network) などの通信分野で,急速に普及し始めている｡しかし,これ らの応用分野でも高機能･高性能化と同時に,機器の小形化･ ポータブル化が進む傾向にある｡16ビットマイクロコンピュ ータに対しても,多機能･高性能化に加え低消費電力化･小 形パッケージ化の要求が強まっている｡日立製作所では,こ の動きに対応して16ビットマイクロコンピュータHMCS68000 ファミリデバイスのMPU(MicroProcessingUnit)HD68000

のCMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)販 HD68HCOOOと,DMAC(DirectMemoryAccessCoIltrOller)

HD6B450のCMOS版HD6345()を開発した｡これによ-),既に

開発したHDC(Hard Disk _{Controller)HD63463とACRTC}

(AdvancedCathodeRayTubeController)HD63484などを 加え,CMOSラインアップがそろい､多様な市場ニーズに対 応できるようになった｡ 本稿では,このたび開発LたHD68HCOOOMPU及びHD 63450DMACの機能･性能を中心に紹介する｡ 乙1′;ジご 刊 rニ､執灘 町 …顎

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稲吉秀夫*

阿部正義*

‡′0ざ/JJJbSzJヱ〟々J +打∂才cカ∫入b々α〃0 〃ブdgo _吻0∫/z∫ 肋ぶ卿0.ゞカJA∂g E HD68HCOOOの機能及び性能1) 2.1 _LSl概要 図1にHD68HCOOOMPUのチップ写真を示す｡HD68HCOOO は2/`mCMOSアルミ1層プロセスを採用し,7･51mmX6･75 mmのチッフロ上に約10万トランジスタを集積し,消費電力は既

存の約吉の0･1Wを実現した｡また,既存のHD68000との命令

コンパチブル性,ピンコンパチブル性となっている｡したが って,ユーザーがシステム開発にNMOS版と同一の開発業置 が使えるため,システムの早期立上げが可能である｡ 表1にHD68HCOOOの特長と仕様概要を示す｡動作周波数は 最大12.5MHzである｡このときの処‡里速度として,レジスタ 間加算は0.32ノノS,メモリ∼レジスタ間乗算は6.24ノ′Sとなる｡ 内部レジスタは32ビットから成一),ビット,BCD(Binary CodedDecimal),バイト,ワード,ロングワードのデータを 扱える｡アドレスバスは23ビットから成一),16Mバイトのメ モリ空間を直接アドレッシングできる｡更に,強力な割込み 機能を備えているほか,ファンクションコードを使ったメモ リ空間分維によるメモリ保護や,リトライアドレスエラー, バスエラーなどのエクセプション処理機能により,高信根性 システムを構成できるよう考慮している｡

表I _{HD68HCOOOMPUの特長と仕様概要} 32ビットMPUのアーキテ

クチャと機能をもった16ビットCMOS MPUである｡ 工員 日 _{仕 ヰ羨} ク ロ ック周波数 HD68HCOOO-ほ(12.5MHz),HD68HCOOO-柑(18MHz),_{HD68HCOOO-8(8MHz)} 基 本 命 令 数 56 内 部 レ ジ ス タ データレジスタ 32ビット×8 アドレスレジスタ 32ビット×7 スタックボインタ 32ビット×2 フログラムカウンタ 32ビット×l ステータスレジスタ 16ビット×l アドレシングモード 14種 アドレスス/ヾ-ス 16Mノ(イト 処‡里データ単位 l,4,8,16,32ビット 処≡哩速度 処 王里 レジスタ間加算 0.32/′S メモリ∼レジスタ間乗算 6.24/ノS 7レ/くルの割込み トラッブ トレース パスエラー,アドレスエラー, 不当命令 ほか 動作状態 そ の 他 スーパバイザ:伏態･ユーザー状態 マルチプロセッサ機能 HMCS6800周辺LStインタフェース機能 * R､∵製作所血鼓二1二場 39

566 日立評論 VO+.68 _No.7(1986-7) ∠cァc SO Sl ∼c⊥月l▼ CJK Address Data S2 g〟C S3 S4 S5 S6 S7 SO ∼ACC 区IZ MPUのメモリサイクルタイムとメモリアクセスタイム スタイムによって決まる.⊃ ∼J)JCL 亡月CC=(3＋帆り･∼cyc-=c山レ＋土〃JC上) g〟C=(4＋tγ)･∼cγC スビート(-ジョン スペック値 8MHz 10MHz _12.5MHz 亡cyc(ns) 125 100 80 Jc上.Al′(ns) 70 60 55 fβJC上(ns) 15 10 10 MPUのメモリサイクルタイムは,f〔"ご.f‥.月‥ _{f♪′=.のスペック値とメモリのアクセ} パッケージは,標準の64ピンDIL(DualInLine)とそのシュ リンクタイプ,及び68ピンのPGA(PinGridArray)やPLCC (PlasticLeadedChipCarrier)タイプがある｡ 2.2 性 能 HD68HCOOOの性能と密接な関係をもつ,メモリアクセスタ イムとメモリサイクルタイムについて以下に述べる｡図2に 1,200 1.000 0 0 0 0 0 0 0 0 8 6 4 2 (∽⊂)U葛∼→†吼ミヘ†牛｢一肘ヽ 8MHz版 10MHz版 12.5MHz版 F■￣

__止

㌣￣ l ? l ヤー･+ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 メモリアクセスタイム 土人CC(ns) 図3 _{メモリサイクルタイムとメモリアクセスタイムの関係} メモ リサイクルタイムは,システム性能と密書妾に関係するため,システム設計でメ モリサイクルタイムとメモリアクセスタイムの関係を考慮する必要がある｡ 40 図4 HD63450DMAC チップ写真 2/Jm CMOS アルミ2層プロセスを用い, 自動レイアウト技術を駆使 Lて】0.56mm X7.88mmの チップ上に約8万トランジ スタを集積し,高弓幾能･高 性能DMACを実現している｡ 示すように,MPUから見たメモリアクセスタイムねccとメモ リサイクルタイム′〟Cは,?欠式で与えられる｡ ′dC〔丁=(3＋Ⅳ)･Jcyc一(Jc上Al′＋JβJCエ)…‥‥‥‥(1) ′〃C=(4十lγ)･′cyc‥‥…‥‥…………‥………･(2) ここに ′cyc: 什′ fc上月t′･ 才βJC上′: 8MHz,10MHz, 1クロックサイクル時間 ウエートサイクル数 アドレス遅延時間 テナータ入力セットアップ時間 12.5MHz版を用いた場ノ告のメモリアクセ スタイムとメモリサイクルタイムの関係を図3に示す｡これ より,10MHz賑でメモリサイクルタイム400nsを実現するには, アクセスタイム230ns以下の高速メモリが必要であるが,12.5 MHz版を用いれば255ns以下のアクセスタイムのメモリでもよ いことが分かる｡更に,12.5MHz版では,175ns以下のアクセ スタイムのメモリを用いれば,320nsの高速メモリサイクルタ イムを実現できる｡処理能力の向上により68000MPUのバス 使用率は高いため,以上のようなメモリサイクルの高速化は, システム性能向上に有効である｡ 表2 _{HD63450DMACの特長と仕様概要} 最高動作周波数12.5MHzで, 効率の良いデータ転送を行なえるように多様な転送モードをもっている｡ 項 目 単 位 仕 様 ク ロ ッ ク 周;虚 数 MHz 6,8.10,12.5 電 _:原 電 圧 ∨ _5±5% 消 費 電 _力(typ.) W 0.3 チ ャ ネ ル 数 _{チャネノレ} 4 直 接 ア ド レ ス _{空 間 バイト} 16M 転 送 語 長 ビット 8,16,32 lブロック最大転送データ数 ノ(イト 256k 最高 入力クロック周波数 MHz 6 8 =) 12.5 転送 シングルアドレスモード _{Mバイト/秒} 3 4 5 6.25 速度 _{デュアルアドレスモード Mバイト/秒 】.33 l.78 2.22 2.78} 複 数 ブ ロ ッ ク 転 送 機 能 ●アレーチェーン ●リンクアレーテェーン ●コンテイニュー D O N E _{イ寸き複数ブロ} ック転送 ●完全終了_{●ブロック転送終了後引き続き} 三欠のブロック転送再開 (ブロ _{ック転送再ス タート機能)} lメモリアドレス UP/DOWN/NO COUNT 】l/0 アドレス UP/DOWN/NO COUNT 転 送 モ ド ●′†-スト ●サイクルスチール(2種) ●オートリクエスト(3種) チ ャ ネ ル 間 優 先 順 位 制 御 チャネルごとに優先指定可能 (同位の場合はローテートする｡) バ _{ス 例 外 処 理 機 能} ●リトライ ●ホーノレト ●ノ(スエラー エ _ラ ー 検 出 機 首巨 ●オペレーションタイミングエラー ●カウントエラー ●コンフィギュレーションエラー 割 込 み 機 能 正常割込みとエラー割込みの2種 の割込みベクターを発生する｡

CMOS16ビットMPUとDMAC 567 DD∼D15 フロッピー ディスク コントローラ など 一7 一 ･カノ ロ ドスト 【 イン′し ハー†ノコな Z ≧ ⊂) (/) <工 ⊃ データ及びアドレス バスインタフェース LJ トー )-〔ロ コ: Z し⊥+ [□ ⊂1 〔亡 ⊂〕 ⊂】

還?

_Jロ 還e Do∼D15 A8∼A23 ペソ1机-恥→小Kへ 卜 信御ツ 二ど 通制ユな パラレル l/0 デバイス など 各デバイスのア ドレスバスとシ ステム制御信号 バスは省略Lて ある｢､ CPG REOo 盲el右 前 両石丁

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チャネル ♯0 チャネル ♯1 HD63450 DMAC チャネル ♯2 所モ 両テ荘 CJK

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FCo∼FC2 Do∼D15 Al∼A23 瓦喜 山pu LDS UDS

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DTACK ∇戸瓦 HD68HCOOO VMA IPLo∼lP+2 E 雨 〕ヘソヽ仇-h小Jl小〕n､小 )nソヽ〕ハエ+トノヽ小〕n＼い Kソ＼叶桝†昇一垂イ｢心K､小 S A AS コダ デー デコ ーダ デコ ーダ 割込み エン コーダ AS Do∼D15 Al∼A23 メモリ及び メモリ管理ユニット 五言 [百5 口百岳

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DTACK FCo∼FC2 ERROR Do∼D15

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虹 DTACK

重野

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RES Do∼D7

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RS 6800 周辺+SI R序 E ｢両 注:略語説明 CPG(C加k P山se G即eratOr) 図5 HD63450DMACを用いたシステム構成例 _{MPUと同一のバスインタフェースをもち,最高6.25Mバイト/秒のオペランド転送を実現している｡}

田

HD63450の機能と性能2)･3) 3.1 _+Sl概要 図4にHD63450DMACのチップ写真を示す｡2/ノmCMOS アルミ2層プロセスを用い,自動レイアウト技術を駆使して 10.56mmX7.88mmのチップ上に約8万トランジスタを集積 し,NMOS(NチャネルMOS)版とピン及びソフトウェアコン パチブル性をもつ高機能･高性能DMACを実現した｡最大動 作周波数は,MPUと同じ12.5MHzであり,このときの転送ス ピードは最高6.25Mバイト/秒となる｡消費電力はNMOS版の

約÷の0･3Wである｡

表2にHD63450の機能と性能概要を,また図5にMPUと DMACを用いたシステム構成例を示す｡DMACは四つの独立 したチャネルをもち,その間の優先順位はプログラマブルで ある｡各チャネルではメモ】j間の転送及びメモリとⅠ/0間の転 送が可能で,オペランドとしてはバイト,ワード,ロングワ ードを扱える｡更に,バーストモードやサイクルスチールモ ードなどの多様な転送モードが行なえ,16ⅣⅠバイトのメモリ 空間を直接アクセスでき,複数のデ【タブロックをMPUの介 在なしに連続して転送できるアレーチェーン,リンクアレー チェーン及びコンティニューモードを備えている｡また,高 信頼性システムを設計する場合重要となるソフトウェアやハ ードウェアに起因するエラーを検出し,表示するエラー検出 機能,及びシステムの異常事態に備え,ホールト,リトライ などのバス例外処理機能も備えている｡ パッケージは,標準の64ピンDILと68ピンのPGAであるが, 今後他のパッケージも開発する予定である｡ 3.2 _{複数ブロック転送を強化する新機能} 従来NMOS版で実現していた裡数ブロック転送に加えて, DONE付き複数ブロック転送と呼ぶ新機能を実現した｡以下 にアレーナェーンを例にとり,新機能について説明する｡ アレーナェーンモードでは,図6に示すようにMPUがメモ リ上に複数のデータブロックのメモリアドレスと転送語数を アレーとして格納しておき､このアレーの先頭アドレスをベ ースアドレスレジスタに,転送するデータブロック数をベー スカウントレジスタヘ入れておく｡DMACは一つのブロック 転送を行なう前にまずこのアレー情報からメモリアドレスと 転送語数を読み込み,その後転送を開始する｡ペーストラン スファカウントの値は各ブロック転送が終了するたびに1i成 らされ,0になったらアレーナェ【ンは終了する｡ 41

568 日立評論 VO+.68 _No.7(1986-7) ベースアドレス→ メ モ ア カ モ メ モ メ モ メ ア メモ B ト ン C ス レ C ト ン ベースカウント(エントリ整 HD68HCOOO MPU HD63450 DMAC デバイスアドレス ベースアドレス ペーストランスファ カウント デスティ ネーション 又はソース ソース又は デスティ ネーション ブ ロ ッ クB ブ ロ _{ッ クA} ブ ロ _ッ クC 周辺デバイス 又はメモリ カウントB カウントAカウントC

lノ

ヽし√-i-･ノ

図6 _{アレーテエーン転送 アレー状に並べられた転送情報に基づいて,} 分散しているオペランドブロックの連諌売転送を行なう｡アレーの先頭アドレス とエントリ数はあらかじめMPUから与えられる｡ 従来のアレーチェーンモードでは,ブロック転送中に転送 終了信号DONEを入力すると,図7に示すように残りのブロ ック転送はすべて無視されたため,LANなどの通信分野で, データ数が前もって分かっていない複数のデータブロックを, MPUの介在なしに高速に連続して転送する用途には対応でき なかった｡ CMOS版では,図7のようにDONE入力でその時点のブロ ック転送だけを中断し,残りのプロ･ソク転送に自動的に移る 機能を追加した｡この機能はパケットバッファリングをサポ ートする場合に特に有効となる｡ 3.3 _{HD63450レイアウト設計技術} HD63450では図8に示すようなVLSIレイアウトCAD (ComputerAidedDesign)システムを用いて設計を行なった｡ このシステムでは,対話形式で作成した論理図面から,自 動的に論理シミュレーション用の回路記述が作成でき,論理 シミュレーションにより検証された回路記述からセルの自動 配置,及びセル間の自動配線がなされ,更にこのような自動 ブロック転送 l/0デバイス DONE入力 ブロック1 ブロック2 ･▼∵7ロック3･ ブロック4 の転送は行なわない｡ ブロック転送 l/0デバイス 面巨入力 ブロック1 ブロック2 一.･ロ ..･.プ㌧.tノ.. ∵カノ∵ ..3.㌧ ブロック4 この転送は行なわないり (a)従来の転送方式(HD68450･HD63450でサポート)(b)新しい転送方式(HD83450でだけサポート) 図7 複数ブロック車云送の従来方式と新方式の相違点 _新方式の 面5面巨付き複数ブロック転送では,百示直入力によりその時点のブロック転送を 中断し,残りのブロック転送を自動的に行なう機能を実現したし. 42 従 来 設 計 DA(DesignAutomation)を用いた設計 論 理 壬几一 仮 論

理l

lシミュレーションl

l

1論理記述l

l

l

†

･二論理国子 :こ論理記述･ 己又 計

シミュレーションl

l

l正

式 論 理 図 l セ ノレ 三八一 岩又 計 l セル設計 セ _ル設計

l

レ イ ア ウ ト 二二二■▼ニヤ.ル◆■劃`付■`け∴ ブロック内レイアウト

l

■ごニチ/?.プ ■プ ラ

_{ン◆‡ニ:}

l

lチップレイアウト

_{二.-二･す勧▲配}

置.∴配

頭1二

ア l 卜 ワ l

l

l

人手接続チェック

･￣二￣レイアウト/し⊥ルチェ■ック･■:■

■;二接■杭チ■≠∴十ク1

1二二.･レイアウト￣ルール≠干■.ッ.〆J ■†■ _l ク マスクパターン _{マスクパターン} 磁気テープ _{磁気テープ} 注:⊂]人手作業,EコDAを用いた作業 図8 _{HD63450DMACの設計フロー セル設計を除き,論‡里設計 レ} イアウト,アートワークとDAツールを用いて設計を行なうことができる｡ レイアウトされたパターンの結線関係,及びレイアウトルー ルをチェ､ソクするツールもサポートされている｡

田

結

言 既存の16ビットマイクロコンピュータHMCS68000の MPU,及びDMACの機能･性能向上を図って,CMOS版HD 68HCOOOとHD63450を製品化した｡CMOSの特長である低消 費電力,広い電源電圧動作範囲,広い動作温度範囲,大きな 雑音余裕度などのメリットがCMOS版では加わり,ユーザー の要求に十分こたえられるものと確信している｡ MPUでは,NMOS版では対応できなかったプラスチックパ ッケージで12.5MHzまでの高速版を実現した｡DMACでは, レイアウト設計にVLSIレイアウトCADシステムを用い,人手 設計排除に伴うミスの低王威による早期製品化を図った｡ 16ビットマイクロコンピュータの用途も,CMOS版の品ぞ ろえが進むにつれ,ポータブルパーソナルコンピュータ,ポ ータブルワードプロセッサなどのポータブル機器にも広がF), 今後大きな需要の伸びが期待できる｡したがって,以上述べ たCMOS版MPUとDMACを加えた日立製作所の16ビット CMOSラインアップは強力な市場インパクトとなることを信 じている｡ 参考文献 1) 日立製作所:日立マイクロコンピュータデータブック.8ビッ ト･16ビットマイクロプロセッサ(昭和60年9月) 2) _{日立製作所二 日立マイクロコンピュータデータブック,8ビッ} ト･16ビットマイクロコンピュータ周辺LSI(昭和60年9月) 3) _{御法川,外:16ビットDMAC(ダイレクトメモリアクセスコン} トローラ)``HD68450∴ 日立評論,64,7,479-娼4(昭57-7)