コンソールパネルを持つビデオカセットサイズの教育用マイコンとクロス開発環境の開発重村哲至山田健仁新田貴之力規晃守川和夫原田徳彦三木幸徳山工業高等専門学校情報電子工学科概要高専の計算機系学科で低学年の機械語教育に使用するマイクロコンピュータとプログラム開発環境を開発した。このマイコンは、２進数で操作するコンソールパネルを持ち、かつ、VHS ビデオカセットケースに収納可能な大きさのものである．本稿では，まず，マイコンの概要と，コンソールパネル，命令セットアーキテクチャ等の特徴について述べる．次に，クロス開発環境について述べ，本マイコンが実用的に授業や演習で使用できることを示す． 1 はじめに 2 マイコンの概要計算機系学科に於ける計算機初期教育で学生に計本マイコンの外観を写真１に示す．本マイコンは，算機の原理を理解させるには，オペレーティングシ次のような特徴を備えている．ステム等が搭載されていない裸の計算機を扱わせる (1) コンソールパネルことが有効である．また，シミュレータ等でなく，本体プリント基板の右半分にコンソールパネルを実機を用いることが必要である [1];[2] ．実装した．しかし，計算機システムの高機能化が進んだ現在では，パーソナルコンピュータあるいはマイクロコ (2) 携帯性重視学生が自宅でも演習ができるよう携帯性を重視しンピュータといえども高度化，複雑化し，オペレーた．マイコンの大きさは VHS ビデオカセットと同ティングシステムやじ大きさとしたので，市販のビデオカセットケース BIOS 等の厚いソフトウエア層を通してのプログラミングしかできなくなってしに収納して持ち歩くことが可能である．写真１は，まった。そのため，計算機システムをブラックボッビデオカセットケースに収納した状態である．クスとして教育せざるをえない面がある． (3) アドレス，データともに 8 ビット構成特に高専の低学年で教育を行う場合，対象とな (1)，(2) の特徴を優先しコンソールパネルが大きる学生が中学校を卒業したばかりの段階にあり，ブくなりすぎないよう，アドレスもデータも 8 ビットラックボックス化・抽象化して教えることの弊害がの構成とした．メモリ空間が小さすぎることは否め大きいと考えられる．そこで，高専での使用を前提ないが，低学年の演習課題を行うには十分である．とし，機械語の学習を通しノイマン型コンピュータ (4) シリアル入出力インターフェースの原理を理解できるよう，ブラックボックスが少な RS-232C に準拠したシリアル入出力インタフェーい実習用のマイクロコンピュータ (以下マイコン) とス (写真１左の D-SUB コネクタ) を持っており，パプログラム開発環境を開発した．ソコンと接続することにより文字入出力が可能であ開発したマイコンは簡単な命令セットアーキテクる．コンソールでは一切文字を扱うことができないチャを持ち，かつ，ランプやスイッチで２進数を表ので，パソコンを文字端末として使用する．現するコンソール・パネルを装備したものである． (5) スピーカ文字 (特に１６進文字) による表現が，ビットの並びパラレルポートに接続された圧電スピーカ (写真であるメモリイメージを理解することの障害になる１中央の円形の部品) を持っており，ソフトウエアと考えこのようなコンソール・パネルを実装した．により音を出力することが可能である．学生にマシ写真２コンソールパネルタ (写真１下の左側のコネクタ) から FPGA の設計写真１外観データがダウンロードできる状態になる． (11) 安価な価格パネル制御回路，CPU，RAM，ROM，入出力インステートを意識させるための演習に都合が良い．ンタフェース回路は１チップの FPGA に集積した． (6) 割り込み機能これにより部品点数を非常に少なくすることができ，機械語の基本的な演習ができるだけでなく割り込学生が個人的に購入できる価格になった．みを用いた入出力の演習が可能である．シリアル入出力インターフェースから割り込みを発生することが可能である． (7) CPU 性能ソフトウエアによりスピーカーから音を出す演習 3 コンソールパネルコンソールパネルは，メモリ内容と CPU レジス等が可能なよう，ある程度の CPU 性能を確保してタ内容の表示・書き換機能の他，ステップ実行やブ 3∼8 クロックで実行する．ある．写真２にコンソールパネルの拡大写真を示す．いる．システムクロックは 2.457MHz で，1 命令をレークポイント等のデバッグ機能を提供するもので (8) IPL 機能 ROM に予め格納された IPL プログラムを用い，シリアル入出力インターフェースからプログラムをダウンロードする機能を持っている．パソコン上で開発したプログラムのダウンロード実行ができる． (9) 拡張性拡張コネクタ (写真１下の右側コネクタ) にバス 3.1 コンソールパネルの特徴 (1) ハードウエア制御従来のワンボードマイコンの 16 進表示や 16 進キーボードは ROM モニタにより制御されているため，どうしてもソフトウエアの存在が隠し切れが接続されている．これにより，外部に入出力インない．一方，本マイコンのコンソールパネル機能ターフェース回路を追加できる．は完全にハードウエアにより実現されているため， (10) FPGA 学習ボード機能そのような問題点が存在しない．本マイコンの核になっている FPGA に自分の設計した回路をダウンロード可能である．ボード上のジャンパーを変更することにより，JTAG コネク (2) 非文字による入出力データの表示や入力は，ランプやスイッチの ON/OFF で行い文字を用いない．そのため，コンピュータの内部の状態をより直接に表現できる．これは，表示を本来の状態 (ビットの ON/OFF) に少しでも近づけることにより無用な混乱を学生に生じさせない工夫である．低学年の学生に使用させる場合，このような簡単に分かるはずの変換が予想外の負担になることが多いため，これは重要 S(Sign)，Z(Zero) は，３つのフラグの値を表示する． 4 命令セットアーキテクチャ機械語プログラミングに必要なマイコンのリソースと命令セットは，学生が学習しやすく，かつ，別の CPU を学習するときの基礎となる知識が得られなことである．るように定めた． 3.2 コンソールパネルの構成コンソールパネルは，以下のランプやスイッチにより構成されている．コンソールパネルが，マイコンボードの約半分の面積を使用している．これは，操作性を考慮した結果であり，これ以上小さくすることは難しい． (1) アドレスランプ最上段の 8 個のランプは，主記憶の操作対象とな 4.1 CPU CPU は独自の 8 ビット CPU である．レジスタは８ビットの汎用レジスタ２本 (G0,G1)，スタックポインタ (SP)，プログラムカウンタ (PC) である．命令の実行結果により変化する３つのフラグ (C,S,Z) があり，条件付きジャンプ命令でテストできる．る番地を表示する． (2) データランプ上から２段目の 8 個のランプは，選択されたレジスタまたは主記憶の内容を表示する．機械語命令は２９種類，アドレッシングモードはダイレクト，インデクスド，イミディエイトの３種 (3) ロータリースイッチ上から３段目の 5 個のランプと左右の押しボタンスイッチはロータリースイッチの代用である．ランプの１つが点灯し，レジスタ (G0，G1，SP，PC) または主記憶 4.2 命令体系 (MM) のどれが選択されているか表示する．左右のスイッチで点灯するランプを変更で類，直交性の高い命令体系となっている [3] ．命令は１バイトのものと２バイトのものがある．教育用の CPU としては命令数が多めであるが，割り込み処理までを可能にするためには，この程度の命令数が必要である．きる．選択されたものの内容がデータランプに表示 4.3 メモリ空間される． (4) データスイッチ８個のトグルスイッチは，データやアドレスの値を入力するためのものである． (5) 機能スイッチ一番下の列の８個のスイッチには様々な機能が割り当てられている．左から順に，「ブレークポインタモード」，「ステップ実行モード」，「プログラム実本マイコンのメモリ空間は全体で 256 バイトである．00H 番地から DFH 番地は自由に使用できる RAM 領域である．E0H 番地から FBH 番地までの 28 バイトは IPL プログラムが格納された ROM の領域である．FCH 番地からの 4 バイトは割り込みベクタとして使用する RAM 領域である．行」，「プログラム停止」，「アドレスセット」，「アドレスを進める」，「アドレスを戻す」，「書き込み」の機能を持つ． (6) 実行ランプ RUN ランプは，CPU がプログラムを実行中であることを表す．CPU が未定義命令を実行右上のした場合は点滅して異常を知らせる． (7) フラグランプ実行ランプ下の３つの小さなランプ C(Carry)， 4.4 I/O 空間本マイコンの I/O 空間は全体で 16 バイトである． 0H 番地はコンソールパネルのデータスイッチを読み取るポート，1H 番地の LSB はスピーカポート， 2H 番地はシリアル入出力インタフェースのデータレジスタ，3H 番地はシリアル入出力インタフェースのステータスレジスタになっている．他の番地はめに，全てのパソコンに RS-232C のクロスケーブ拡張用であり，標準では使用されない．ルが追加してある．学生はパソコンとマイコンをクロスケーブルで接続してから開発したプログラムを 4.5 割り込みダウンロードする．割り込みは INT0∼INT3 の４つを用意した．メモリ空間にある４バイトの割り込みベクタが各割込みに対応している．標準では RS-232C が INT1， INT2 を使用し他は未使用である． 6 おわりに本稿では，高専の計算機系学科の低学年で使用する演習用マイコンとマイコン用のプログラム開発環境を提案した．このマイコンは，低学年での機械語 5 クロス開発環境教育に使用できるよう様々な工夫がしてある．また，ハンドアセンブルとコンソールパネルからの機械基本的な機械語演習だけでなく割り込みや入出力の語打ち込みによる演習は，メモリイメージを把握す演習も可能である．プログラム開発環境は Java でるために初期の段階では重要である．しかし，この記述してあり，様々なプラットフォームで実行可能段階が終わり少し長いプログラムの記述を始めるとである．プログラム開発を効率的に行うためにプログラムの本マイコンは２００３年度の入学生から使用を開始し，現在，この学年が２年生の授業を受けている．開発環境が必要になる．２００４年度の入学生は，本マイコンにレジスタを１本追加した改良型の命令セットアーキテクチャを 5.1 クロスアセンブラもつマイコンを使用している．マイコンの機械語を生成する，パソコン上で動くクロスアセンブラを準備した．このアセンブラは直接機械語ファイルを生成するものであるが，Java で約 1700 行の規模を持ちラベルを用いた式の計算等もサポートする本格的なものである．Java で記述されているので，様々なパソコンで実行可能である． 5.2 ダウンロードプログラム２００３年度の学年末に授業項目 (５２項目) について理解度を調べるアンケートを実施した．アンケートの結果，大半の項目の平均点で，4 点満点中 3.0 点以上の満足できる回答が得られた．今後の課題として，「(1) 機械語入門科目以外での使用」と「(2) 教科書の整備」があげられる． (1) に関しては既に，２００４年度から４年生の実験科目で FPGA のトレーニングボードとして利用を開始している．また，マイクロプログラムを外部からダウンロード可能にすることによりマイクロマイコンにクロスアセンブラが生成した機械語をダウンロードする，UNIX 用のダウンロードプログプログラムのプログラミング演習も可能になると考ラムを開発した．マイコンに搭載されている IPL とえているが，まだ実現していない．することにより，機械語をマイコンに転送すること参考文献ダウンロードプログラムが RS-232C を通して通信ができる．現在は UNIX 用のものしか開発していないが，非常に短い簡単なプログラムであるので，他のプラットフォームに移植することも簡単だと考えられる． [1] 中西正和：機械語プログラミング教育の必要性と実習用コンピュータの製作，bit Vol.25 No.8-9(1993) [2] 中森眞理雄，萩原洋一，高田正之：情報工学系学科の教育における手回し計算機の活用，情報処理学会論文誌 Vol.31，pp.1547-1555(1990) 命令表，TeC5 クロス開発環境の使 [3] TeC5 5.3 実行環境クロス開発環境は，学科パソコン室のい方 ( 50 台の FreeBSD パソコンにインストールした．現在，２年生が授業で使用中である．このクロス開発環境のた http://www.tokuyama.ac.jp/js585/ /tec intro/XEmb/tasm5.pdf ),p13 TeC