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テキサス・インスツルメンツ TMS1000

TMS1000は、1974年にテキサス・インスツルメンツ(TI)によって発売されたマイクロコントローラーのファミリーである[1][2][3]

TMS1000「ワンチップ上のコンピューター」。この写真のデートコードは、1979年に製造されたことを示している。28ピンのプラスチック製デュアル・インライン・パッケージに収められている。
パーカー・ブラザーズMerlin (電子ゲーム)に搭載されたテキサス・インスツルメンツ TMS1100 マイクロコントローラー

完全な「ワンチップ上のコンピューター」として4ビットのCPURead only memory(ROM)、Random Access Memory(RAM)、そして入出力端子(I/O)を統合していた。 TMS1000は、自動車、家電、ゲーム、そして測定機器の中の組み込みシステムを対象としていた。

TMS1000は、最初に大量に使用された商用マイクロコントローラーであった(後述のように前身のTMS0100シリーズはマイクロコントローラと見なされないこともあるため)。 1974年にこのファミリーのチップは、一個約2ドルで大量購入可能であった[4]。 1979年までにこのファミリーの約2600万個が毎年売られていた[5]

TMS1000は、テキサス・インスツルメンツ自社の教育玩具(Speak & Spell)(英語版)[4]、プログラム可能な玩具の自動車(Big Trak)(英語版)、そして電子ゲーム「サイモン[6]で使用された。


歴史

TMS 0100 シリーズ

ここでは TMS 1000 シリーズの前身であるTMS 0100 シリーズに簡単に触れる。

スミソニアン博物館は、テキサス・インスツルメンツの技術者であるゲアリー・ブーン(Gary Boone)とマイケル・コクラン(Michael Cochran)が1971年に世界初のマイクロコントローラー(マイクロコンピューターとも呼ばれる)TMS1802NCの開発に成功したとしている。

TMS1802NCは、1971年9月17日に発表されたシングルチップのマイクロコントローラーであり、四則演算電卓のプログラムが内蔵されていた。 TMS1802NCは、その名称にもかかわらず、TMS 1000 シリーズではなかった。 TI Datamath電卓と(Sinclair Executive)(英語版)電卓に使用された。 後にTMS1802NCは、TMS 0100 シリーズ[7]の一部として TMS0102 と再命名された[8]

TMS0100シリーズはマイクロコントローラとみなされないこともある[9]。電卓以外の用途で利用できず、ユーザーが作ったプログラムを実行することができないからである。

TMS 1000 シリーズ

 
TMS1000Cのダイ

TMS 1000 シリーズは、1974年に発売された。 TI社は、4ビットのTMS1000がプログラム済みの組み込み用途であることを強調した[10][11][12][13][14]

ワンチップ上のコンピューター(computer-on-a-chip)は、マイクロプロセッサコア(CPU)、メモリ、そしてI/O(入出力)端子を一つのチップに統合した。 当時、「マイクロコンピューター特許(microcomputer patent)」と呼ばれたワンチップ上のコンピューターの特許アメリカ合衆国特許第 4,074,351号は、TI社のゲアリー・ブーンとマイケル・J・コクランに与えられた。 この特許は別にして、マイクロコンピューターの通常の意味は、CPUとして一つ以上のマイクロプロセッサを使ったコンピューターのことであるが、この特許で定義された概念は、マイクロコントローラーに似たものである。

解説

TMS1000 レジスタ
09 08 07 06 05 04 03 02 01 00 (bit position)
  A accumulator
  X Y mem pointer
page add program ctr next instruction
page buff subroutine ret long branch/return
Branch status flags
  (C) (S) call latch/branch

TMS1000ファミリーは、最終的にオリジナルのPMOSロジックだけでなく、NMOSロジックCMOSロジックの品種も含まれるようになった。 各種製品は、異なる大きさのROMとRAM、異なるI/Oの数、そして開発向けあるいは外部ROMを使用するROMなし版を含んでいた。 オリジナルのTMS1000は、1024バイトのROM、64ニブルのRAM、そして23の入出力端子を備えていた。

TMS1000ファミリーは、マスクROMを使った。 ユーザーがデバッグされたプログラムを生産に委託する準備ができたら、テキサス・インスツルメンツへプログラムを送ることになる。テキサス・インスツルメンツは、チップ内のROMをプログラムするための特製マスクを作る。 ROMは、現場で変更できない。その内容は、製造者によってチップ内に置かれたパターンによって決定された。 この過程は、高額な初期費用がかかったが、製造費用は非常に安かったので、大量生産品(年間数千個以上販売される)に向いていた。

プロセッサの全てのデータパス(RAMへのパス)は、4ビット幅(ニブル)だった。 ハーバードアーキテクチャのようにプログラムROMとデータRAMのアドレスは分かれていた。ハーバードアーキテクチャは、他の多くの製造者によるマイクロコントローラーの一般的な特徴になった。

(ALU)は、オーバーフローを示すために(キャリーフラグ)を搭載しており、2倍の精度(つまり8ビット)の計算の手助けになった。 チップ内蔵RAMは、XレジスタとYレジスタによってアドレッシングされた。ここでYレジスタは4ビットであり、XレジスタはRAMのサイズに依存して2ビットあるいは3ビットだった。 プログラムカウンターは、6ビット幅だった。1024バイトまでのプログラム用メモリであるROMにアドレスするためにpageレジスタ(4ビット)も搭載していた。 TMS1000ファミリーの一部は、2048バイトまでのROMを扱えるようにchapterビットを搭載していた[15]

スタックはなかったが、プログラムカウンターを保存するためのレジスタが提供された。そして、1レベルのサブルーチンのためにキャリーフラグが利用可能であった(TMS1000ファミリーの一部は、2あるいは3レベルのサブルーチンが利用できた)。割り込み機能はなかった。

一部のモデルは、4つのI/O端子しか搭載していなかった。なぜなら、それらのモデルは、ROMを内蔵していなかったので、外部プログラムメモリにアクセスするためにパッケージの限られた数の端子を使う必要があったからである。 あるバージョンは、蛍光表示管を駆動するための特別な出力を搭載していた。そして、7セグメントディスプレイを駆動するのに役立つ(PLA)を搭載しているモデルもあった。 4つの入力端子がキーボード検出などの目的で提供された。そして、可変数の出力端子は、外部デバイスの制御あるいはキーボードのROWをスキャンするために提供された。

 
テキサス・インスツルメンツ TMS1000 DIPパッケージのピン配置

PMOS版は、-9 Vあるいは-15 Vで動作し、およそ6 mAを消費した。そのため、出力ロジックレベルは、TTLと互換性がなかった。 NMOS版とCMOS版は、TTLと同じ電圧の+5 Vで動作したので、5 Vロジックとの相互運用が可能であった。

命令セットはモデルによって多少変化した。基本命令セットは43命令であり、TMS1000ファミリーの一部は54命令が利用可能だった。命令長は8ビットだった。 BCD演算命令が提供されたが、レジスタのANDあるいはOR論理演算をするために利用できる命令はなかった。 サブルーチンは、一部のモデルで1レベルに制限された(サブルーチンは他のサブルーチンを呼べない)。他のモデルでは2あるいは3レベルが利用可能であった。

一つの命令は、NMOS版やPMOS版で実行するのに10から15マイクロ秒必要だった。しかし、一部のCMOS版は6マイクロ秒程度の速さで実行できた。内部発振器は、約0.3 MHzの実効クロック速度を提供した。

TMS1000は、28または40ピンのスルーホールDIPパッケージに収められていた。しかし、製品試作用の一部のモデルは、64ピンパッケージであった。 全モデルは、摂氏0度から摂氏70度の範囲の温度で動作した。

TMS1000は、単一チップの組み込みシステムを意図していたので、TMS1000ファミリーのために特別に作られた特別なサポートチップ(UARTなど)は存在しない[16]

出典

  1. ^ Texas Instruments (2006年). “”. 2006年1月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年2月23日閲覧。 “1974: Introduces TMS1000 one-chip microcomputer.”
  2. ^ Texas Instruments (2005年). “”. 2005年2月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年2月23日閲覧。 This is Texas Instruments' original 1974 announcement of the TMS1000 family.
  3. ^ Siewiorek, Daniel P.; Bell, C. Gordon; Newell, Allen, eds (1982). “Part 3: Computer Classes, Section 1: Monolithic Microcomputers”. Computer Structures: Principles and Examples. McGraw-Hill. p. 583. ISBN (0-07-057302-6). https://archive.org/details/computerstructur01siew 2017年11月8日閲覧. "The TMS1000 was introduced in 1974 and used in the SR-16 calculator." 
  4. ^ a b Zurawski, Richard (2009). Embedded Systems Handbook: Embedded Systems Design and Verification (2nd ed.). CRC Press. pp. 12–13. ISBN (978-1439807637) 
  5. ^ Morton Jr., David L.; Gabriel, Joseph (2007). Electronics: The Life Story of a Technology. JHU Press. pp. 113. ISBN (978-0801887734) 
  6. ^ Austin, Michael (2016). “Ch. 1”. Music Video Games: Performance, Politics, and Play. Bloomsbury Publishing. ISBN (978-1501308505) 
  7. ^ Texas Instruments Calculator Chips (Calculator Technical Information)
  8. ^ "The Arrival of the "Calculator-on-a-Chip".
  9. ^ 1974: GENERAL-PURPOSE MICROCONTROLLER FAMILY IS ANNOUNCED (Computer History Museum)
  10. ^ Seitz, Frederick; Einspruch, Norman G. (1998). Electronic Genie: The Tangled History of Silicon. University of Illinois Press. pp. 229. ISBN (0252023838). https://books.google.com/books?id=IT90cDPh54wC&pg=PA229  "Electronic Genie: The Tangled History of Silicon", Frederick Seitz, Norman G.. Einspruch, University of Illinois
  11. ^ U.S. Patent no. 4,074,351 (TMS1802NC.)
  12. ^ Shirriff, Ken (August 30, 2016). “The Surprising Story of the First Microprocessors”. IEEE Spectrum 53 (9): 48–54. doi:10.1109/MSPEC.2016.7551353. https://spectrum.ieee.org/tech-history/silicon-revolution/the-surprising-story-of-the-first-microprocessors. 
  13. ^ Augarten, Stan (1983). . New Haven and New York: Ticknor & Fields. ISBN (0-89919-195-9). オリジナルの2010-02-17時点におけるアーカイブ。. 2009年12月23日閲覧。 
  14. ^ (Press release). Texas Instruments. 19 September 1971. 2006年2月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  15. ^ TMS 1000 Series Data Manual, 3.2 ROM OPERATION
  16. ^ Money, S. A. (2014). Microprocessor Data Book (2nd ed.). Academic Press. pp. 35–37. ISBN (978-1483268705) 

参考文献

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