シグネティクス 2650

シグネティクス 2650

シグネティクス 2650AN
一般情報
発売	1975年; 50年前 （1975年）
共通メーカー	シグネティクス、フィリップス
パフォーマンス
最大CPU クロックレート	1.2MHz
データ幅	8
アドレス幅	15
物理的仕様
パッケージ	40ピンDIP

Signetics 2650 は、1975 年 7 月に発表された8 ビット マイクロプロセッサです。^[1] Adam Osborneの著書「An Introduction to Microprocessors Vol 2: Some Real Products」によると、当時入手可能なマイクロプロセッサの中で「最もミニコンピュータに似た」ものでした。機能が不足していることとメモリ アクセスが奇妙であることがその魅力を制限し、このシステムは市場でほとんど使用されませんでした。

1972年、シグネティクスのジャック・カーティス^[a]はIBMのジョン・ケスラーを雇い、ミニコンピュータシステムに対抗する新しいシングルチップCPUの設計を指揮させた。ケスラーは新しい設計のモデルとしてIBM 1130を選んだ。1965年に発売された1130は16ビットの ミニコンピュータで、当時の他のミニコンピュータと多くの設計上の特徴を共有していた。^[2]

ケスラーがアーキテクチャを設計する一方で、ケント・アンドレアスは、当時開発されたイオン注入 NMOSプロセスを使用してCPUを設計した。当時よりはるかに一般的だったPMOSプロセスとは対照的に、NMOSは消費電力が少なく、発熱も少なかった。これにより、チップはPMOS CPU設計よりも高速で動作することができ、最初の2650は、1130の同時期のモデルと同じ1.25MHzの速度で動作した。^[2]

1972年に設計された当時、2650は市場で最も先進的な設計の1つであり、同時代のIntel 4004や8008をはるかに上回る性能と機能を備えていた。それにもかかわらず、この設計は生産には至らなかった。当時、Signeticsはドルビー研究所と深く関わり、ドルビーのノイズ低減システムスイートを実装した集積回路を開発していた。2650の生産は延期され、CPUは1975年7月まで正式に導入されなかった。1975年までに、古い設計を模倣するのではなく最初から8ビットマシンとして設計されたいくつかの新しいCPUが導入され、2650の利点はもはやそれほど魅力的ではなくなった。^[2]

1975年にフィリップスがシグネティクスを買収し、それ以降2650のバージョンはシグネティクスとフィリップスの両方のブランドで販売されるようになりました。^[2]

1976年3月、シグネティクスはアドバンスト メモリ システムズ (AMS) とセカンド ソース契約を締結した。当時、CPU 企業のほとんどは非常に小規模で、倒産する可能性のある企業から設計を購入する企業はなかった。セカンド ソースは、このような事態が発生した場合でも設計が利用可能であるという重要な保証であった。AMS は、高度なCMOS設計であるRCA 1802のセカンド ソースとして既に活動していた。NMOS 2650 は、1802 と直接競合しない便利な補助製品とみなされていた。残念ながら、11月に AMS は、 PDP-8 miniのシングル チップ バージョンである独自のIntersil 6100を所有していたIntersilに買収された。Intersil は 2650 の生産を中止した。^[2]

シグネティクスは1977年にナショナル セミコンダクターに再度挑戦し、同社はその年の最後の四半期にバージョンを発表する予定でした。理由は不明ですが、これは実現しなかったようで、NSバージョンの例はフランスから1つだけ発見されています。^[2]

シグネティクスは2650の開発を続け、1977年に2つの新しいモデルを発表しました。2650Aは、歩留まりを向上させてコストを削減することを目的として、元のレイアウトを改良したバージョンでした。速度は、基本モデルでは1.25MHz、-1バージョンでは2MHzのままでした。2650BはAをベースに、2つの新しい命令を追加し、既存の命令のいくつかのパフォーマンスを改善しました。^[2]

2650 の全体的な設計はIBM 1130に基づいていた。そのため、2650 には 1960 年代のミニコンピュータでは一般的だったが、1970 年代に新しく設計されたマイクロプロセッサではほとんど見られなかった機能がいくつかある。たとえば、その中には入出力デバイスの状態を追跡するために使用されるステータス ビットがあり、これによりインターフェイス コードの記述が簡単になる。^{[2]もう 1 つの mini-computer のような機能は、}ベクトル割り込みの使用である。これにより、デバイスはメモリ位置をデータ バス上に置き、割り込みを強制することで、適切な割り込みハンドラコードを呼び出すことができる。これにより、バスから追加データを読み取り、どのデバイス ドライバが呼び出されているかを判断してそれを呼び出す集中型の割り込みハンドラを作成する必要がなくなる。2650 は、デバイス自体に格納されている可能性のある適切なコードに直接ジャンプできる。

2650 のプロセッサ レジスタはセットに分割されており、アキュムレータとして使用される単一のグローバル レジスタ R0 と、3 つのインデックス レジスタ(いずれも R1、R2、R3 と名付けられている) の 2 セットがあり、合計 7 つのレジスタがありました。^[3]わかりやすくするために、2 番目のセットは R1'、R2'、R3' (「プライム」) と呼ばれることもあります。CPU は、いつでも 2 セットのインデックスのうちの 1 つを見ることができます。どのセットを見ることができるかは、ステータス レジスタPSW のビットによって制御されます。1 つの命令で 2 セットのレジスタを簡単に切り替えることができます。^{[4]これにより、サブルーチン呼び出し、}オペレーティング システムの切り替え、または割り込み処理中に値をすばやく切り替えることができます。1130 とは異なり、レジスタは 16 ビットではなく 8 ビット幅しかありませんでしたが、1130 では 1 セットだったのに対し、2650 では 2 セットありました。^[2]

ミニに似たもう 1 つの機能は、ほとんどの命令で間接アドレス指定が広範囲にサポートされていることです。多くの命令では、メモリ内の特定の場所からデータを読み取る必要があります。当時のほとんどの CPU では、これは 16 ビットの場所によって参照されるメモリに格納されている 1 バイトのデータです。2650 では、その 16 ビットの場所の上位ビットが間接指定を示していました。つまり、データはメモリ内のこの場所にあるのではなく、アドレスの残りの 15 ビットにエンコードされている場所にあるということです。^[4]このアクセス スタイルにより、間接指定を特別な命令やインデックス レジスタのみで提供するシステムよりも、データ ブロックに簡単にアクセスできます。メモリ内のその 1 つの場所に格納されているアドレス値を増分することで、メモリ内をステップ実行できます。これにより、アドレスに適用される数学命令の数も大幅に増加しました。これらの操作のパフォーマンスを向上させるために、2650 にはアドレス計算専用の 2 番目の算術論理ユニットが搭載されました。^[3]

このアプローチの欠点は、最上位ビットがアドレスの一部ではなくなったため、アドレス空間が 15 ビットのみになり、マシンがアクセスできるメモリの合計が 32 KB にしかならなくなったことです。アドレス空間は、すべての論理命令と算術命令 (つまり、分岐以外の命令) のインデックス モードを示すために、アドレスの別の 2 ビットを使用することでさらに制限されました。これらのビットは、アドレスを後増分するか前減分するかなどの機能を制御し、ループの構築に非常に役立ちます。しかし、これらすべてのビットがすでに考慮されているため、これらの命令のアドレスに使用できるのは 13 ビットのみであり、直接アドレス指定できるのは 8 KB のみでした。つまり、メイン メモリは 4 つの 8 KB ブロックに分割されていました。^[3]命令が配置されている 8 KB 以外のメモリにアクセスするには、ポイントされているデータ バイトに、メモリ内の別の場所を指す間接アドレスを含める必要がありました。^[4]これを行うと、別のメモリ読み取りサイクルが強制され、パフォーマンスが低下しました。

2650 が 1972 年に設計された当時、これらのプロセッサで一般的に使用されていた静的 RAMメモリのサイズが小さく、コストが高かったため、アドレス空間の制限はそれほど重要ではありませんでした。当時のマシンには、通常 2 KB または 4 KB の RAM が搭載されていました。しかし、1970 年代半ばからダイナミック RAMの使用が増えるにつれて、8 KB および 16 KB、そして最終的には 64 KB の RAM を搭載したマシンが一般的になり、2650 のアドレス指定システムは大きな障害となりました。

2650 には、メモリ内にスタックを保持するための場所を確保するというより一般的なソリューションではなく、オンダイコール スタックも含まれていました。スタック ポインタは PSW の 3 ビットで保持されていました。オンダイ スタックは、外部メモリからの読み取りを待たずにデータに直接アクセスできるため、はるかに高速ですが、ダイ上の場所も占有し、実用的なトレードオフの結果として常にサイズが制限されます。2650 では、リターン アドレス スタックは 15 ビットのエントリが 8 つありました。^[3]これにより、プログラムはサブルーチンを 8 レベルまでネストできました。

9つの異なるアドレッシングモードがあったが、16ビットレジスタが存在せず、アドレス空間が13～15ビットだったため、広く普及することはなかった。しかし、オペレーティングシステム（「2650 DOS」）^[5]、8KBおよび12KBのBASICインタープリタ（Central Data Corporation USAが販売）、Hunt the Wumpusスタイルのゲームが多数提供されていた。ほとんどのプログラムはアセンブリ言語で書かれていた。

シグネティクスは2650ベースのマイクロプロセッサ開発ボードを販売していた。最初はPC1001 ^{[6] [7]}、その後継機であるPC1500「アダプティブボードコンピュータ」で、価格は165豪ドルから400豪ドルだった。チップ単体での販売価格は約20豪ドルだった。いくつかのハードウェア構築プロジェクトとプログラミング記事がElectronics AustraliaやElektorなどの雑誌に掲載され、関連キットが電気店で販売された。これらの要因により、オーストラリア、米国、 ^[8]英国、オランダ^[9]ドイツなど多くの国で多くの愛好家が使用するようになった。^[10]

2種類のビデオゲームコンソールがSignetics 2650または2650Aを使用しました。最初のグループのコンソールはSignetics 2636 ビデオディスプレイコントローラに基づいています。1292 Advanced Programmable Video Systemと密接に関連するInterton Video Computer 4000はこのグループに属します。これらはドイツでそれぞれ1976年と1978年にリリースされました。2番目のグループのコンソールはビデオディスプレイコントローラとしてSignetics 2637に基づいています。 1982年にリリースされ、 CPUとして0.895MHzで動作するSignetics 2650を使用した Emerson Arcadia 2001は、ソフトウェア互換性のある他の多くのもの（Leonardo、 Hanimex MPT-03など）とともにこのグループに属します。 ^[11]

1970 年代には、2650 CPU を使用した少なくとも 6 つのコイン式ビデオ ゲームがリリースされました。Atari , Inc. の Quiz Show、Meadows Games 3D Bowling、Meadows Games Gypsy Juggler、Meadows Games Lazer Command、Cinematronics Embargo 、および 1978 年にZaccariaがリリースしたSpace InvadersのクローンであるThe Invaders (タイトーのオリジナルはIntel 8080 CPUを使用)です。

イタリアのゲームメーカーZaccaria は、 2650 CPU をベースにしたピンボールマシンを 28 台リリースしました。その後継会社である MrGame は、2650 を使用したピンボールマシンを 4 台リリースしました。Zaccaria は Technoplayにもその設計のライセンスを供与したようで、 Zaccaria の回路基板設計のバリエーションを使用したピンボールマシンがさらに数台リリースされました 。

1980 年代には、2650 を使用して少なくとも 2 つのコイン式ビデオ ゲームがリリースされました。Hunchbackと Hunchback Olympic です 。

このプロセッサは、Signetics 2650 CPU の使用方法とプログラミングを教えるために設計された小型コンピュータである Signetics Instructor 50 でも使用されました。

2650 は、1980 年代に実践されていたマイクロプロセッサ システムのリアルタイム デバッグ用のさまざまなインサーキット エミュレータ、トレース メモリ、ロジック アナライザ カードをサポートするマイクロプロセッサ ソフトウェア開発システムである Tektronix 8540 などの大型機器にも使用されました。2650 は、基本オペレーティング システム機能、データ転送、およびホスト コンピュータまたはシリアル コンピュータ ターミナルへのインターフェイスを提供しました。

このプロセッサは、広範な I/O サポートを備えているため、マイクロコントローラとして最適でした。

• プロセッサ上の 1 ビット I/O ピン (センス/フラグ ビット)
• 1バイト命令（ポートI/O ）を使用して2つの8ビットI/Oポート（制御ポートとデータポート）を直接アドレス指定する信号。これにより、他のシステムでメモリマップI/Oに必要な複雑なハードウェアを回避できます。
• 8 ビットのアドレスと 2 バイトの命令を使用して、さらに 256 個の I/O ポートをアドレス指定する信号。これも、必要なハードウェア (アドレス デコード) の量を制限するものです。フィリップスは、2650 がインテリジェント エレベーター システムを制御するデモ プログラムで、マイクロ コントローラとしてのこの用途を強調しました。また、展示会では、2650 が小型の「ソート アンド スタック」ロボットを制御する様子も紹介しました。

1979年からしばらくの間、フィリップスは19インチラックのユーロカード形式に基づいた「IMS」-Industrial Microcomputer System ^{[12]と呼ばれるモジュラー2650コンピュータを販売していました。これには}CPU、PROM、RAM 、入力、出力、テレタイプモジュールが含まれていました。このシステムは、よりインテリジェントなプログラマブルロジックコントローラとして設計されていました。開発のために、後にDEBUG、DISPLAY、INTERRUPT、MODEST（(E)PROMプログラマ）モジュールが追加されました。

2650 は、40 ピンのプラスチックまたはセラミックのDILエンクロージャで提供されました。外部の単相クロック信号と単一の 5V 電源が必要でした。

2650 には、当時の他のマイクロプロセッサと比較して、多くの珍しい機能がありました。

• これは完全に静的な NMOS 8 ビット マイクロプロセッサでした。静的な性質は当時としては珍しく、クロック信号を停止するだけでプロセッサを停止できることを意味していました。プログラマーはこの機能を大いに活用し、プッシュ ボタン スイッチを使用してクロック パルスを生成し、プログラムを「シングル ステップ」で実行しました。
• ユニークだったのは、プロセッサに統合されたサブルーチンと割り込みの戻りアドレス用の 8 レベル 15 ビット幅のスタックでした。スタック ポインターは、上位ステータス レジスタの 3 ビットを使用しました。つまり、サブルーチンと割り込みは 8 レベルまでしかネストできませんでした。
• プロセッサには実アドレス ラインが 13 本しかなく、さらに 2 本のアドレス ラインが 2 ビットの「ページ レジスタ」に接続され、32 KB のアドレス空間が実現されました。ページ レジスタは、完全な 15 ビット アドレスを使用する絶対 (直接) 分岐命令が実行されたときに設定されます。すべての論理命令と算術命令は、ページ レジスタの内容によって拡張された 13 ビット アドレスを使用し、その範囲を 8 KB ページに制限しました。これらの上位 2 本のアドレス ラインは、I/O 操作中に適切な I/O ポート (制御ポート、データ ポート、または拡張ポート) を選択するためにも使用されました (多重化)。
• 2650 には割り込み入力が 1 つしかありませんでしたが、これは「ベクター」割り込みでした。割り込みデバイスは、データ バスにゼロ相対変位を置く必要があり、これは指定された割り込みルーチンに分岐するための ZBSR (ゼロ ブランチ トゥ サブルーチン相対) 命令のオペランドとして使用されます。したがって、間接アドレッシングを使用すると、最大 30 個の割り込みベクターをメモリの最初の 64 バイトに格納できます。(最初の 3 バイトは、「リセット」ルーチンへの無条件分岐を保持するために必要でした)。このベクター割り込みは、PDP-11 ミニコンピュータを彷彿とさせます。

2650 は基本的に 8 ビット マイクロプロセッサですが、64 個のオペコードは実際には 9 ビットであり、他の 32 個のオペコードは 11 ビットです (アドレス フィールドのビットを使用)。残りの 128 個の 8 ビット オペコードのうち、124 個 (2650B では 126 個) が実装されており、合計 444 個 (446 個) の命令があります。

標準命令の動作はステータス ビットを設定またはクリアすることで変更できるため、さらに多くの命令が利用できます。WC (キャリーありまたはなし) および COM (論理比較または算術比較)。これにより、回転、加算、減算、比較命令の数が 2 倍になりました。

命令セットは強い直交性を持っています。すべての論理命令と算術命令は、9 つ​​のアドレッシング モードすべてを使用できます。

• 登録する
• すぐに
• PC 相対と PC 相対間接
• 絶対的および絶対的間接的
• 絶対インデックス、自動増分付き絶対インデックス、自動減分付き絶対インデックス（直接および間接）

すべての相対アドレスと絶対アドレスの最上位ビットは間接性を示すために使用されます。

唯一の例外は、意味のない操作のオペコードが他の目的で使用される場合です。

• HALT 命令には、レジスタ 0 とレジスタ 0 の AND 演算を行うオペコードが使用されます。
• NOP命令には、レジスタ 0 をレジスタ 0 に STORE するオペコードが使用されます。

(レジスタ 0 をレジスタ 0 でロード) 命令は Signetics アセンブラでサポートされていますがLODZ R0、バイナリ エンコードは許可されていません。アセンブラは、代わりにバイナリを意味的に同等の命令に置き換えますIORZ R0。

絶対 (直接) アドレス指定を使用するすべての算術および論理命令では、アドレス フィールドのビット 14 と 13 を使用して、次のようにインデックス モードを示します。

• 00 インデックスなし
• 01 自動増分によるインデックス作成
• 10 自動デクリメントによるインデックス作成
• 11 インデックスのみ

インデックスが指定されている場合、命令で定義されたレジスタがインデックス レジスタになり、ソース/デスティネーションは暗黙的にレジスタ 0 になります。間接インデックスの場合、ポスト インデックスが使用されます。つまり、間接アドレスが最初にメモリからフェッチされ、次にインデックスがそれに追加されます。

おそらく、2650 の最もミニコンピュータ的な側面は、膨大な数 (62) の分岐 (ジャンプ) 命令です。これらの命令はすべて間接参照も使用できます。

• BIRR および BIRA: レジスタを増分し、相対または絶対アドレス指定で非ゼロ (R0、R1、R2、または R3) の場合は分岐します。
• BDRR と BDRA: 相対または絶対アドレス指定でレジスタを減分し、ゼロ以外の場合 (R0、R1、R2、または R3) に分岐します。
• BRNR および BRNA: 相対または絶対アドレス指定でレジスタがゼロ以外の場合 (R0、R1、R2、または R3) に分岐します。
• BCTR および BCTA: 相対または絶対アドレス指定による条件 True (ゼロ、より大きい、より小さい、または無条件) での分岐
• BCFR および BCFA: 相対または絶対アドレス指定を使用して、条件 False (ゼロ、より大きい、またはより小さい) で分岐します。
• ZBRR: アドレス 0 からの相対分岐
• BXA: ブランチインデックス

Intel 8080と同様に、2650 には、条件付きでサブルーチンに分岐したり、サブルーチンから戻ったりする命令がありました。

• BSTR および BSTA: 相対または絶対アドレス指定で条件が True (ゼロ、より大きい、より小さい、または無条件) の場合にサブルーチンに分岐します。
• BSFR および BSFA: 相対または絶対アドレス指定で条件 False (ゼロ、より大きい、またはより小さい) でサブルーチンに分岐します。
• BSNR および BSNA: 相対または絶対アドレス指定でレジスタがゼロ以外の場合 (R0、R1、R2、または R3) にサブルーチンに分岐します。
• RETC: 条件が True の場合にサブルーチンから戻る (ゼロ、より大きい、より小さい、または無条件)
• RETE: 条件が True の場合に割り込みから戻る (ゼロ、より大きい、より小さい、または無条件)
• ZBSR: アドレス 0 を基準としたサブルーチンへの分岐
• BSXA: サブルーチンへの分岐インデックス

絶対アドレス指定を使用する分岐命令のみが、アドレス フィールドの 15 ビットすべてをアドレスとして使用しました。したがって、このような分岐命令を使用することが、ページ レジスタの 2 ビット (アドレス バスのビット 14 と 13 を制御) を設定し、現在の 8 KB ページを変更する唯一の方法でした。

• 最大クロック周波数1.25MHzの2650オリジナルバージョン
• 2650A 改良版 (安定性向上のため製造上の小さな変更) 最大クロック周波数 1.25 MHz
• 2650A-1 は最大クロック周波数 2 MHz の 2650A と同じ
• 2650B
• 2650B-1 は最大クロック周波数 2 MHz の 2650B と同じ

2650Bは2650Aに比べて以下の変更と改良が加えられた。^[13]

• 2 つの新しい信号 - ピン 15 の「バス イネーブル」とピン 25 の「サイクル ラスト」。
• プログラム ステータス ワードの上位ビット 3 と 4 は設定およびテスト可能なユーザー フラグです (2650A では未使用)。
• 割り込み処理を簡素化するために、メモリから下位ステータス レジスタを保存および復元する 2 つの新しい命令 STPL と LDPL。
• シングルバイト レジスタ R0 命令はより高速に実行されます (2 サイクルではなく 1 サイクル)。

1975年、シグネティクスはフィリップスに売却され、2650は後にフィリップスセミコンダクターズ製品ラインに組み込まれた。同社は2650のMAB2650Aというバージョンを製造した。フィリップスの子会社であるヴァルボはドイツで2650を販売した。ヴァルボは4KBのPROM/EPROM、1KBのRAM、4つのI/Oポートを備えたVA200シングルボード（ユーロカード）2650コンピュータも販売した。^[14]

このチップのライセンスコピーを製造した他の企業としては、ハリス社とインターシル社がある。

2650 には、周辺チップがすべて搭載されていました。

• 2621 ビデオ エンコーダ (PAL)
• 2622 ビデオ エンコーダ (NTSC)
• 2636 プロ​​グラマブルビデオインターフェース
• 2637 ユニバーサルビデオインターフェース
• 2651 プログラマブル通信インターフェース
• 2652 マルチプロトコル通信回路（同期データリンク制御（SDLC）を含む）
• 2653 多項式ジェネレーター / チェッカー
• 2655 プログラマブル周辺機器インターフェース
• 2656 SMI (システム メモリ インターフェイス)
• 2657 ダイレクトメモリアクセス
• 2661 拡張プログラマブル通信インターフェイス (EPCI)
• 2670 ディスプレイ文字およびグラフィックジェネレータ
• 2671 プログラマブルキーボードおよび通信コントローラ
• 2672 プログラマブルビデオタイミングコントローラ
• 2673 ビデオ属性コントローラ

これらの周辺チップの多くは、他のマイクロプロセッサでも使用できるように設計されており、たとえば、2672 のデータシートでは、Intel 8048 マイクロコントローラで使用することを推奨しています。

Philips Technical Note 083では、2651 PCIを8080、8085、Z80、8048、6800などのさまざまなマイクロプロセッサに接続する方法について説明しています。

2651/2661 シリアル通信チップの後継品は、現在でも Philips SC26 シリーズとして販売されています。

2656 は、2650 を拡張し、2650 とインターフェイスして 2 チップ コンピュータを可能にするために特別に設計されました。完全なコンピュータを作るために 2650 に欠けていたすべての機能が含まれていました。

• 2 KB 8ビットマスクプログラムROMプログラムメモリ
• 128バイト8ビットRAMメモリ
• 水晶またはRCネットワークを備えたクロックジェネレータ
• パワーオンリセット
• 8つの汎用I/Oピン

I/O ピンは 8 ビットの I/O ポートとして使用することも、追加の RAM、ROM、または I/O ポートの有効化信号を生成するようにプログラムすることもできます。これは、2656 の プログラマブル ロジック アレイをマスク プログラミングすることで実現されました。

フィリップスは、生産に移る前に設計を開発およびテストするために、PROM と FPLA を使用して 2656 の ROM と PLA をエミュレートする 2656 エミュレーター ボードである PC4000 を販売しました。

• Rowe, Jamieson (1976 年 9 月)。「The Signetics 2650」(PDF)。Electronics Australia。

• 2650 エミュレータ
• データシート
• Signetics 2650 ファミリー CPU ワールド
• インストラクター 50 Old-computers.com
• 1 KiB PipBugモニターと 512 バイトのRAMを備えた適応型ボード コンピュータ開発システム
• 2650 は www.cpu-museum.com にあります (アーカイブ)
• Electronics Australia 2650 ボード (yesterdaystechnology.com)
• Signetics 2650: CPUSHACK 博物館での IBM on a Chip 回顧展 (2016 年 10 月 16 日)
• ゲーム博物館のザッカリア・ザ・インベーダーズ
• 2650クロスアセンブラはhttps://shop-pdp.net/index.phpから入手可能です。