ソフトＣＲＴＣ for SH7046


稼動中の全景

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・発端

　ＳＨ２　５０ＭＨｚクラスになると、ほとんどソフトのみ*1でモノクロビデオ信号を作れるのではないか、と思い試してみました。

　今回作ったのは１２８×９６ドット、４階調のグラフィックを出力するものですが（Ｐ／ＥＣＥより縦８ドット多いです(笑)）、このスペックだと１６クロックぶんの時間で１ドット出力すればよいことになり、ＲＩＳＣチップであるＳＨには楽勝です。*2

　同じような試みは、昔トランジスタ技術誌にＰＩＣでソフトだけでブロックくずしゲームを作った例などがありましたが（すみません、何年の何月号か忘れてしまいました）、画面表示にほとんどＣＰＵパワーを食われてしまい、それ以外の計算などの処理はわずかな垂直ブランク期間にしかできないためＰＩＣあたりだとかなり苦しく、あまり高度なことはできないと思います。
　今回使ったのはＳＨ２クロック49.192MHzですが、単純計算して走査線２６３本のうち１９２本ぶんの時間を画面表示に費やしたとしても、49.152×(263-192)÷263＝13.269であり、まだＳＨ２クロック１３ＭＨｚ相当のＣＰＵパワーがあることになります。*3
　ＳＨ２クロック１３ＭＨｚと言えば、低く見積もってもＨ８／３００Ｈのクロック２５ＭＨｚに相当し、Ｚ８０ならクロック１５０ＭＨｚ以上に相当します。画面表示にＣＰＵパワーの大半を費やしていながらなお、少し古いマイコン（Ｈ８／３００Ｈは現役ですが）と同等以上の余力を残しているのですから、あらためてＳＨってすごいＣＰＵだなと感動します。

*1
　ソフトＣＲＴＣとは言っても実際にはデジタル→ビデオ信号変換のために若干の抵抗、コンデンサ、ダイオード、トランジスタを使った回路が必要ですが、あまりうるさいことを言うと「純粋にソフトだけで作れるものなんて実は何もない」ということになってしまいます。たとえば、いわゆる「ソフトウエアシンセサイザー」なんてのもアンプとスピーカーがなければ音は鳴らないわけです。今回の回路は本当に単純な信号レベル変換回路のみであり、以前作ったようなＣＰＬＤやＲＡＭを使い１００本以上も配線する複雑な回路（←このリンク先の回路を使用するにはこのページの回路も作る必要があります）を組まなくてもビデオ信号が出せるのですから、「ソフトＣＲＴＣ」と呼んでもさしつかえないと思います。
*2
ＳＨは、ほぼ１命令１クロックと考えて問題ありません（パイプラインストールなどを考慮する必要はありますが）。一方、ＣＩＳＣであるＨ８／３００Ｈは１命令２〜２０クロックの時間がかかり、たとえ５０ＭＨｚのＨ８があったとしてもソフトだけでビデオ信号を作るのは無理だと思います。
*3
実際には垂直ブランク期間中にも割り込みでほんの少しＣＰＵパワーを食われています。一方、水平ブランク期間中にもＣＰＵを開放していますので、計算するのは単純ではないです。



・原理

　ビデオ信号のタイミングを作るのにＭＴＵを使います。63.5μ秒周期でタイマクリヤするように設定します。また、ＰＷＭモードにより通常は4.7μ秒、垂直同期時には63.5-4.7μ秒の幅のパルスを出します。
　垂直表示期間中は、水平同期パルスを出してから一定時間後、ＶＲＡＭの内容が輝度信号となるようＤ／Ａ変換機（今回作成したハードウエア）に送ります。

　実際にはＭＴＵのチャネル３を使い、コンペアマッチＤで水平周期を作りだし、コンペアマッチＣで同期パルスの幅を決めています。コンペアマッチＡでＶＲＡＭ内容をＤ／Ａに送る処理を起動します。

　割り込みはコンペアマッチＤとコンペアマッチＡでかけています。
　コンペアマッチＤでＰＷＭ機能により同期信号がＯＮになると同時に割り込みがかかります。割り込み処理（ラベル名はSYNINT）では今垂直表示期間なのか、垂直ブランク期間なのか、垂直同期期間なのかを判断し、垂直表示期間であれば表示割り込みを許可します。また、垂直同期期間であるか否かによってＴＧＲＣ＿３の値を設定し、同期パルスの幅を決めます。
　コンペアマッチＡにより表示割り込み（ラベル名はDSPINT）がかかります。割り込みがかかったら現在のライン位置からＶＲＡＭの番地を計算し、１ドット１６クロックで１２８ドット出力します。

　タイミングチャートをこのページに描きましたので参照してください。

　ＶＲＡＭ構成は、１バイトに４ドット詰め込んだパックトピクセル形式にしました。私はパックトピクセルは好きではないのですが、ＳＨ７０４６の内蔵ＲＡＭのサイズを考えると１ドット＝１バイトにするとかの無駄なことはできません。
　ＶＲＡＭ容量は１２８×９６÷４＝３０７２バイトです。内蔵ＲＡＭの先頭、$FFFFD000番地から3072バイトをＶＲＡＭとして使用します。これだけＶＲＡＭに割いてもまだ内蔵ＲＡＭは９Ｋバイト残っており、Ｈ８／３０５２の内蔵ＲＡＭよりまだ多いです。ＢＡＳＩＣを走らせてもフリーエリアは７Ｋバイト以上残ります。


・ソフトＣＲＴＣのソース

　ソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046の、ソフトＣＲＴＣに関する部分の抜粋です。長いので別ページにしました。


・ほんのちょっとだけ、ハード製作

　最初にも書きましたが、ＳＨ７０４６が出力する５Ｖレベルのデジタル信号をそのままテレビに入れるわけにはいかないので、ちょっとした変換回路が必要です。



　これが回路図です。ＣＰＬＤも外付けＲＡＭも要りません。この簡単な回路と、ＳＨ７０４６ボード、５Ｖの安定化された電源があれば、ビデオ信号が出力できるのです！

　ＣＰＵはポートＥのビット８、９に２ビットのデータを出力します。それを電流加算型Ｄ／Ａ変換機でアナログにします。ＰＥ８、ＰＥ９がともにＬレベルのとき、出力は約０．３Ｖになります。ともにＨのとき出力は約１．０Ｖになります。
　ＭＴＵのＰＷＭ機能によってＴＩＯＣ３Ｃ端子（ＰＥ１０）に同期パルスが出力されると、この回路の出力は０Ｖになります。

　前に作ったＬＣＤＣ改造ＣＲＴＣでは、同期パルスＯＮ時エミッタフォロワの出力をショートしていましたが、今回は入力側をショートしています。以前はＣＰＬＤで動かしていたので、たとえプログラムミスなどでＣＰＵが暴走してもビデオ輝度信号と同期信号が同時にＯＮになることはありませんでしたが、今回はソフトで動かしているので、暴走した場合同時にＯＮになることもありえます。同時にＯＮした場合、以前のようにエミッタフォロワの出力をショートする回路だと大電流が流れるので、入力側をショートするように変えました。



　今回は、ＣＰＵボードはビーリバーエレクトロニクス社のＳＨ７０４６ボードを使用しました。ツクモのロボコン館で購入しました。

　部品面です（ＣＰＵボードは外しています）。５Ｖ電源を３端子レギュレータで作っています。２つのコネクタの間にあるのが信号レベル変換回路です。


　ハンダ面です。本当にこれだけの配線でビデオ信号が出せてしまうのです。


　毎度のことですが、できあがったらシツコイくらい徹底的に配線ミスがないかどうか確認します。配線に問題なければ、ＳＨ７０４６に「ソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046」を書き込み、出力をテレビのビデオ入力端子につなぎます。
　また、ＳＨ７０４６ボードのシリアル端子はパソコンのＲＳ−２３２Ｃ端子につなぎ（内蔵ＲＯＭに書き込む際パソコンから書き込んだのならすでにつながっているはずですのでそのままでＯＫです）、パソコンのシリアルターミナルソフトを立ち上げておきます。

　そして電源を入れます。シリアルターミナルソフトの画面には超ミニＢＡＳＩＣの起動メッセージが表示されるはずです。何も出なければ何らかの異常ですので即ＳＨ７０４６の電源を切って配線等をチェックしてください。
　無事起動メッセージが出たら、シリアルターミナルから

と入力しＥＮＴＥＲキーを押してください。テレビのほぼ画面いっぱいに白い長方形が表示されればＯＫです。


・画面表示例

　とりあえずアニメ調の女の子をを表示してみました。テレビとデジカメの相性が悪く、変なモアレが見えますが肉眼で見るとこのようなモアレはありません。


　３次関数のグラフを表示してみました（笑）
10 GCLEAR
20 FOR X=0 TO 127:PSET X,48,1:NEXT
30 FOR Y=0 TO 95:PSET 64,Y,1:NEXT
40 FOR X=-64 TO 63
50   Y=X*X*X
60   PSET X+64,48-Y/1000,3
70 NEXT



・ソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046

　超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046の標準版に、ソフトＣＲＴＣを組み込みました。大急ぎで作ったので、まだグラフィック用の文はＧＣＬＥＡＲ文とＰＳＥＴ文しかできていません。今後充実させていく予定です。
　ここではグラフィック関連の文について説明します。グラフィックと関係ない文・関数については標準版と全く同じですので、標準版をダウンロードして同梱されているテキストを参照してください。

追加された文

《　ＧＣＬＥＡＲ文　》

書式：

　画面をクリヤします。＜輝度＞を省略すると０（真っ黒）で、指定した場合は指定の輝度でクリヤします。＜輝度＞の範囲は０〜３で、数値が大きいほど明るくなります。範囲外の値を指定した場合３でＡＮＤをとった値が有効になります。

《　ＰＳＥＴ文　》

書式：

　画面上の＜Ｘ位置＞,＜Ｙ位置＞で指定される位置に、指定の輝度で点を打ちます。＜Ｘ位置＞の範囲は０〜１２７、＜Ｙ位置＞の範囲は０〜９５、＜輝度＞は０〜３です。パラメータの省略はできません。位置が範囲外の場合は何もしません。輝度は３でＡＮＤをとった値が有効になります。

・ダウンロード

ソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046(cmb7046v.zip)をダウンロードする
（データコンバータ同梱）


ダウンロードしたファイルは＋Ｌｈａｃａ、Ｗｉｎｚｉｐなどの解凍ソフトで解凍してください。
※このアーカイブ中にはソースプログラム（cmb7046v.asm）と実行プログラム（cmb7046v.s）、データコンバータ(cnvsoftcrtc.exe)しか入っていません。このページを見ていない人には使い方がわからないので、他で再配布しないでください。


・ソフトＣＲＴＣはどれだけＣＰＵパワーを消費する？

　ソフトＣＲＴＣがどれだけＣＰＵパワーを消費しているのか調べるために、超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046の標準版と比べてみました。いつものベンチマークです。

　結果は、驚いたことに、思ったほど速度低下しておらず、標準版の半分程度の速度です。１／３くらいになると思っていましたが意外でした。ＣＰＵパワーの大半を画面表示に食われているにもかかわらず、Ｈ８／３０５２よりはるかに高速です。

実行環境

ＣＰＵクロック

実行時間

超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046標準版

49.152MHz

約７秒

ソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046

49.152MHz

約１６秒

（参考）超ミニＢＡＳＩＣ for H8/3052

25MHz

約３８秒




（付録）データコンバータの使い方

　いつものように（笑）、ＢＭＰ画像から超ミニＢＡＳＩＣ用ＰＯＫＥ文スクリプトを生成するデータコンバータを作りました。Ｗｉｎｄｏｗｓ用です。Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、ＷｉｎｄｏｗｓＸＰで動作確認しました。今回はコンバータはソフトＣＲＴＣ内蔵超ミニＢＡＳＩＣ for SH7046のアーカイブに同梱しています。

　起動したら、Openボタンを押すとファイルを開くダイアログが出るので、開きたいファイルを選んでください。なお、変換できるのは幅が４〜１２８ドット、高さが４〜９６ドットのＢＭＰファイルです。幅は４で割り切れるサイズにしてください。

　ファイルを選ぶとその内容が表示され、Convertボタンが押せるようになります。

・変換前に、タイリングするか否か、出力ファイルの拡張子を .txt にするか .cmb にするか選択できます。

　拡張子 .cmb は要らないような気もするのですが、ＭＳＸ時代からずっと愛着がある拡張子なので切り捨てられません


・今回のデータコンバータは、出力番地は$FFFFD000番地に固定で変更できません。
・出力テキストに行番号をつけることはできますが、内蔵ＲＡＭの容量が少ないのでＲＡＭ上では実行できません。スタートアップスクリプト上でなら実行できるはずです。

　Convertボタンを押すと変換後の白黒画像のプレビューが表示され、拡張子を .txt または .cmb に変えたテキストファイルが生成されます。


　こんなテキストファイルが出力されるので、ＢＡＳＩＣのコマンド待ちのときにこれをシリアルターミナルに貼りつけてやれば絵が出ます。
POKE $FFFFD000,$55,$15,$56,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$A4,$15,$55,$55,$55,$54,$01,$55
POKE $FFFFD010,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$50,$6A,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA
POKE $FFFFD020,$55,$45,$46,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$A4,$55,$55,$55,$55,$40,$55,$55
POKE $FFFFD030,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$54,$1A,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA
POKE $FFFFD040,$55,$05,$52,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$A1,$55,$55,$55,$55,$01,$55,$55
POKE $FFFFD050,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$55,$06,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA,$AA
（以下略）