前回の SBC8080システムROMでBASICから機械語を呼び出す で実チップのテスト環境が整ったので以前から気になっていたIntel 8080とNEC μPD8080Aの非互換部分についての調査を行った。
NEC μPD8080AはIntel 8080のクローンではなく独自に改良し、DAA命令(十進補正命令)の減算対応、実行クロック数の改善がなされた。が、せっかく改善したのに非互換部分が嫌われ完全互換のμPD8080AFに切り替わった。
MCS-80(IC Collection)
まずDAA命令の動作について。DAA十進補正命令はハーフキャリーを参照する。
Auxiliary Carry: If the instruction caused a carry out of bit 3 and into bit 4 of the resulting value, the auxiliary carry is set; otherwise it is reset. This flag is affected by single precision additions, subtractions, increments, decrements, comparisons, and logical operations, but is principally used with additions and increments preceding a DAA (Decimal Adjust Accumulator) instruction
FLAGレジスタのbit4はACフラグ(またはHフラグ ハーフキャリー)で加算時のbit3からbit4への桁上げで立つ。このフラグは加減算/INC/DEC/比較/論理演算で変化するが主に加算とINCの後のDAA命令で使う、とある。
DAA命令の記述。
DAA命令は直前のADD命令について、BCD表現の数値を加算したものとして補正を行う。例えば04H+06Hは0AHだけどこれを10Hに修正する。その手順は以下のとおり：
(1) 下の桁がA-Fになっている、またはハーフキャリーが立っていれば6Hを加算する。
(2) (1)の後、上の桁がA-Fになっていればキャリーフラグを立て60Hを加算する。
もっと詳しい実装の解説はこちら：
ではデータを採取して比較を行う。コードは前回を参照。テスト結果は1バイトの十進数で
数値A 数値B A+Bの結果 加算後フラグ DAA補正後の結果 補正後フラグ
このデータが256×256パターンで65536行。このデータを適当なunix環境に持っていってawkで処理。Excelでもなんでもいいです。
まずは16進に変換。数値Aと数値Bは連結してインデックスとして使えるようにする。フラグは2進数表示。こんな感じになる。
0000 00 01000110 00 01000110
0001 01 00000010 01 00000010
0002 02 00000010 02 00000010
0003 03 00000110 03 00000110
...
あとは任意のフィールドを切り出して比較していくだけ。
対象となるCPUは以下：
(1) INTEL MD8080 A/B インテル純正の安心感。すべての比較元とします
(2) CCCP KP580BM80 (USSR KR580VM80) ソ連製8080クローン
(3) CCCP KP580BM80A (USSR KR580VM80A) ソ連製8080Aクローン
(4) NEC μPD8080A 今回の主な調査対象
(5) NEC μPD8080A-T -Tサフィックスはなんだろう？
(6) NEC μPD8080AFC Intel 8080A完全互換にしたもの
テスト結果：(HフラグはACフラグと読み替えて)
a. 加減算後のDAAについて
(1) (2) (3) (6) はまったく同じ。DAA動作は完全互換
(4) (5) はまったく同じ。NEC μPD8080AとμPD8080A-Tは同じもの
b.加算後のDAAについて(1)と(4)を比較
・演算結果の数値は一致
・フラグが異なる
・NEC μPD8080Aは未定義フラグbit3が常に"1"。INTEL 8080Aは常に"0"
・NEC μPD8080AはDAA命令の前後でHフラグの状態は変わらない
・INTEL 8080AのDAA命令前後でのHフラグの動作：
DAA前にHフラグが立っているとDAA後にHフラグは落ちる
DAA前にHフラグが落ちているとDAA後に補正前の演算結果の下1桁がA~Fだった場合に立つ
DAA補正後のHフラグに関しては定義されていないのでこれらは未定義動作として済ませるんですが、続きがあります。
Dr.Dobb's Journal 1976/11/12 によると"IMSAI INCOMPATIBILITY"というのでNEC製8080Aの挙動についてメーカーに質問が出ている。本来 XRA Aの後にDAAはやらないんだけどやってみたら結果が0のはずが6になっている。これって十進補正をやっているように見えますね。
確認コードはこちら：
ここでIntelのユーザーズマニュアルでXRA命令を確認してみる。
XRA命令実行後にAC(ハーフキャリー)はクリアされると書いてあるが、NEC μPD8080Aではクリアされずにセットされたままになっている。この部分は未定義ではないのでIntel 8080とNEC 8080Aの非互換部分と言える。これはXRA命令の実装でACフラグを操作するパスがなさそうに見える。さらに想像するとNEC 8080AではANA以外の論理演算命令ではACフラグは変化しないのかもしれない。
※追記 XRAをANA/ORA命令に替えて実験
ANA命令 Intel 8080でACフラグクリア 仕様書の誤記？
ORA命令 Intel 8080でACフラグクリア
NEC 8080AではANA/ORAともACはクリアされずそのまま
SUB後のDAA命令編に続く
