TMPZ84Compactの開発（その６）PICの乗算機能

１．はじめに

　秋月さんが秋葉原店で安売りしていた Super AKI-80 から取り外したCPU（東芝製TMPZ84C015）を使って開発した TMPZ84Compact（下の写真）はハードを開発してからかなり時間が経ちましたが、ここで制御用に使用している20ピンの PIC（PIC18F14K50）には8bitの符号無し乗算を１サイクルで実行できる命令があることを思い出しました。今回、この乗算機能を Z80 から利用できるようにしてみたので記録しておきます。

開発したTMPZ84Compact

２．PICの乗算命令

　下図は PIC のデータシートから引用した命令表の一部です。黄色マーカー部に記載されているように１サイクルで8bitの乗算が完了します。
　実は「CPLD(XC9572)で遊ぶ」の記事で書いた XC9572 を使って８ｘ８の乗算器を作って TMPZ84Compact に接続してみようかとも考えていたのですが、上述のように PIC に同様の機能があるのでPIC 側を使うことにしました。

PICの命令表（抜粋）

３．Z80とのインターフェース

　もともと PIC から Z80 にパソコンとの通信機能やSDアクセス機能を提供しているので、同様の手法で乗算機能を利用できるように対応するサービスIDを追加しました。
　具体的には下記のようなコードでZ80が乗算機能を利用できるようにしました。

乗算機能使用のサンプルソース（Z80アセンブラ）

;+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ ; PIC18 Mul service test ; ver 0.01 2026/04/01 skyriver ;+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ INCLUDE TMPZ84C.INC 0007 MUL_SRV EQU 7 ; MUL service ID ORG 0100H 0100 3E 07 START: LD A,MUL_SRV 0102 D3 01 OUT (CMDPORT),A ; send mul service ID 0104 2A 0200 LD HL,(MULVAL) 0107 7D LD A,L 0108 D3 00 OUT (DATPORT),A ; send variable0 010A 7C LD A,H 010B D3 00 OUT (DATPORT),A ; send variable1 010D DB 00 IN A,(DATPORT) ; get result(low) 010F 6F LD L,A 0110 DB 00 IN A,(DATPORT) ; get result(high) 0112 67 LD H,A 0113 22 0202 LD (RESULT),HL 0116 C9 RET ORG 0200H 0200 04 05 MULVAL: DB 4,5 0202 RESULT: DS 2 END

　ＣＰ／Ｍ環境でＧＡＭＥ言語を使って下記のソースで 0x00～0xff の全範囲での乗算結果の検証を行い、問題無いことを確認しました。
　尚、下記のソースで 1000～1040行の部分は動作確認のためのもので最終的には非実行にしています。

乗算機能の検証ソース（GAME言語）

1'++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 2' PIC18 Mul service function test 3' ver 0.01 2026/04/01 skyriver 4'++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 10 M=$2000 20 M(1)=$2100 M(3)=$073E M(4)=$01D3 M(5)=$D37D 30 M(6)=$7C00 M(7)=$00D3 M(8)=$00DB M(9)=$DB6F 40 M(10)=$6700 M(11)=$2200 M(12)=M M(13)=$C9 50 #=2000 1000 /"input val0" M:4)=? 1002 ;=M:4)=0 #=-1 1010 " val1" M:5)=? 1020 >=$2002 1030 /"result:" ?=M(0) 1040 #=1000 2000 I=0,255 2002 "." 2010 M:4)=I 2020 J=0,255 2030 M:5)=J 2040 >=$2002 2050 ;=M(0)<>(I*J) /"error at " ?=I " x " ?=J " ans:" ?=M(0) #=-1 2060 @=J+1 2070 @=I+1

４．乗算機能の評価

　追加した乗算機能を評価するために ASCIIART のアセンブラソースに適用してみました。この ASCIIART の処理は２バイトの固定小数点を使って高速化しています。２バイトの乗算を行うために乗数をバイトに分割して処理するバイト分割法を使いました。
　実行した際の画面キャプチャが下図になります。今回追加した乗算機能を使った場合、マンデルブロ描画は 14.5秒で完了しました（TMPZ84C015は6MHz12.5MHz、メモリウェイト無しで動作 ※修正 2026/04/02）。

ASCIIART実行画面

　ん～～、思った程には高速化していませんね・・
　実は元々のソフト演算による２バイト固定小数点処理を使ったものでは、4.6秒で描画が完了します。
　8bitの乗算処理単体では PICから提供する乗算機能の方が速そうですが、2バイト乗算ではバイト分割法によるオーバーヘッドがかなり大きいようです。

　最後に、２バイトの固定小数点乗算処理のソースも貼っておきます（後半が元々あったソフト乗算処理）。

2バイト固定小数点演算処理（Z80アセンブラ） if 01 ; use PIC's Mul Function ; HL,DE <- value ; HL -> result:HL*DE ; (256*x1 + x0)*(256*y1 + y0) ; = 2^16x1y1 + 2^8(x0*y1 + x1*y0) + x0*y0 ; ; | . | . | . | . | ; <--- x1y1 ---> ; <--- x0y1 ---> ; <--- x1y0 ---> ; <--- x0y0 ---> 01C8 0E 00 MUL: LD C,0 01CA CB 7C BIT 7,H 01CC 28 07 JR Z,Mul10 01CE 0C INC C 01CF AF XOR A 01D0 95 SUB L 01D1 6F LD L,A 01D2 9C SBC A,H 01D3 95 SUB L 01D4 67 LD H,A 01D5 CB 7A Mul10: BIT 7,D 01D7 28 07 JR Z,Mul20 01D9 0C INC C 01DA AF XOR A 01DB 93 SUB E 01DC 5F LD E,A 01DD 9A SBC A,D 01DE 93 SUB E 01DF 57 LD D,A 01E0 CB 19 Mul20: RR C ; Cy 1:negative 01E2 08 EX AF,AF' 01E3 3E 07 LD A,MUL_SRV 01E5 D3 01 OUT (CMDPORT),A 01E7 0E 00 LD C,DATPORT 01E9 ED 59 OUT (C),E 01EB ED 69 OUT (C),L 01ED ED 40 IN B,(C) ; dummy read 01EF ED 40 IN B,(C) 01F1 D3 01 OUT (CMDPORT),A 01F3 ED 59 OUT (C),E 01F5 ED 61 OUT (C),H 01F7 ED 78 IN A,(C) 01F9 80 ADD A,B 01FA 5F LD E,A 01FB ED 78 IN A,(C) 01FD CE 00 ADC A,0 01FF 47 LD B,A ; B:E 0200 3E 07 LD A,MUL_SRV 0202 D3 01 OUT (CMDPORT),A 0204 ED 51 OUT (C),D 0206 ED 69 OUT (C),L 0208 ED 78 IN A,(C) 020A 83 ADD A,E 020B 6F LD L,A 020C ED 78 IN A,(C) 020E 88 ADC A,B 020F 47 LD B,A ; B:L 0210 3E 07 LD A,MUL_SRV 0212 D3 01 OUT (CMDPORT),A 0214 ED 51 OUT (C),D 0216 ED 61 OUT (C),H 0218 ED 78 IN A,(C) 021A 80 ADD A,B 021B 67 LD H,A 021C ED 78 IN A,(C) ; dummy read 021E 08 EX AF,AF' 021F D0 RET NC 0220 AF XOR A 0221 95 SUB L 0222 6F LD L,A 0223 9C SBC A,H 0224 95 SUB L 0225 67 LD H,A 0226 C9 RET else MUL: LD BC,15*256 BIT 7,H JR Z,Mul10 INC C XOR A SUB L LD L,A SBC A,H SUB L LD H,A Mul10: EX DE,HL ADD HL,HL JR NC,Mul20 INC C XOR A SUB L LD L,A SBC A,H SUB L LD H,A Mul20: RR C ; Cy 1:negative EX AF,AF' LD C,H LD A,L LD HL,0 MulLoop: ADD HL,HL RLA RL C JR NC,MulL10 ADD HL,DE ADC A,0 MulL10: DJNZ MulLoop LD L,H LD H,A EX AF,AF' RET NC XOR A SUB L LD L,A SBC A,H SUB L LD H,A RET endif

※2026/04/03　変更

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Comments

２バイト処理もPIC側に移して、Z80側からは２バイト乗算器に見せることができれば速くなるかなあ。
AVRと違ってPICはCPIが低いから、Z80比で速くならないかもしれない。
dsPIC30とかをアクセラレータにしてみたい。

Posted by enaka at 2026年04月01日 23:00

制御側のチップ性能をどんどん向上させた場合の行き着く先は・・
Z80には電源供給のみで制御チップがZ80をエミュっているマトリックスのような世界かもしれませんねｗ

Posted by skyriver at 2026年04月01日 23:20