Stefan Boer, 01-09-94
DE R800
-----------
INLEIDING
Het hart van de MSX turbo R wordt gevormd door een nieuwe
processor: de R800. In dit artikel wordt alles uitgelegd
over het selecteren van de processor, de DRAM, kloksnelheid
en nog veel meer. In de Sunrise Times vindt u de complete
instructietabellen van de R800, die nog nooit eerder in
Nederland werden gepubliceerd!
TWEE PROCESSORS
De turbo R bezit twee microprocessors, een Z80 (een Z80A om
precies te zijn) en een R800. Het is dus niet zo dat tijdens
de Z80 mode gewoon de R800 wordt vertraagd, er is
daadwerkelijk een andere processor actief.
De R800 is upwards compatible met de Z80, en kan dus
alle Z80 instructies verwerken. Maar de R800 kan meer. Ten
eerste kan hij de instructies gemiddeld acht keer sneller
uitvoeren, en ten tweede heeft de R800 een aantal nieuwe
instructies. Om het verschil in snelheid beter te kunnen
uitleggen ga ik u eerst uitleggen wat de term "kloksnelheid"
nu eigenlijk precies betekent.
KLOKSNELHEID
Dit zal u wel een beetje vreemd in de oren klinken, maar de
kloksnelheid zegt eigenlijk weinig over de werkelijke
snelheid van de microprocessor, en nog minder over de totale
snelheid van de computer.
De Z80A heeft een kloksnelheid van 3.579.545 Hz (meestal
afgekort tot 3.58 MHz). Dit betekent dat de Z80A per seconde
3.579.545 (ruim 3,5 miljoen!) klokpulsen genereert. Tijdens
zo'n klokpuls kan de processor een bepaalde hoeveelheid
taken verrichten. En de truuk is nu, dat deze hoeveelheid
taken per processor niet gelijk is!
Daarom kan een processor met een lagere kloksnelheid toch
sneller zijn. Een voorbeeld: een R800 die draait op 2 MHz,
is sneller dan een Z80 op 3.58 MHz! Zo ziet u dat de
kloksnelheid slechts weinig zegt. Alleen bij processoren
waarvan alleen de kloksnelheid verschilt, is dat een
duidelijke maatstaf voor de snelheid. Een Z80B die op 7.16
MHz draait is uiteraard wel twee keer zo snel als een Z80A
die op 3.58 MHz draait, omdat het hier om dezelfde soort
processor gaat.
Voor de snelheid van de totale computer zegt de kloksnelheid
zoals gezegd nog minder. Daar is namelijk ook de snelheid
van bijvoorbeeld de videochip, en het geheugen van belang.
We kunnen stellen dat een gemiddeld programma op een MSX
turbo R vijf zes keer sneller is dan op een MSX2.
DE KLOKSNELHEID VAN DE R800
De kloksnelheid van de R800 (dus het aantal klokpulsen van
de R800 per seconde), is 7.159.090 Hz, oftewel precies twee
maal de kloksnelheid van de Z80A. Dit wordt meestal 7.16 MHz
genoemd. Dit betekent overigens dat een klokpuls 1 seconde/
7159090 = 140 ns (nanoseconde, miljardste seconde) duurt.
Waarom lees je dan overal (zelfs in de officiele Japanse
handboeken van Panasonic!) dat de klokfrequentie van de R800
28.636.360 Hz (28.6 MHz) bedraagt? Dit lijkt onzin, maar is
toch ook weer niet zo heel vreemd.
Als men zou schrijven dat de R800 een klokfrequentie heeft
van 7.16 MHz (de waarheid!), dan zouden de meeste MSX'ers
waarschijnlijk denken dat deze CPU dus net zo snel is als
een 7.16 MHz Z80. En dat is niet zo, met zuiver rekenwerk is
de R800 gemiddeld (!) acht keer sneller dan een 3.58 MHz
Z80. En zo komt men aan 28.636.360 Hz, dat is namelijk exact
8 maal 3.579.545 Hz!
HOE KAN DAT
Hoe kan het dat de R800 acht maal zo snel is als de Z80,
maar toch maar een twee keer zo hoge kloksnelheid heeft? De
oplettende lezertjes weten het antwoord al: de R800 kan meer
doen in een klokpuls dan de Z80! Een voorbeeld:
De instructie LD A,B neemt op de zowel de Z80 als de R800 1
zogenaamde "machine cycle" (M-cycle) in beslag. Bij de R800
duurt een M-cycle ook n T-State, maar bij de Z80 duurt die
M-cycle maar liefst vier T-States.
Het aantal klokpulsen is gelijk aan het aantal T-States plus
eventuele extra klokpulsen. Bij de Z80 is dat er altijd
minimaal 1 (voor de refresh), bij de R800 zijn er een
heleboel instructies waarbij geen extra klokpulsen nodig
zijn (de refresh vindt daar niet bij elke instructie plaats,
maar ongeveer 32 keer per seconde).
Bij deze instructie (LD A,B) is er bij de Z80 een extra
klokpuls nodig, waardoor het totaal op vijf komt, bij de
R800 is het gewoon n klokpuls. Hierdoor is de R800 (bij de
instructie LD A,B) dus vijf keer zo snel als de Z80.
Bovendien is de klokfrequentie van de R800 twee keer zo hoog
(zoals we al eerder hebben vastgesteld). De instructie wordt
op de R800 dus twee maal vijf is TIEN keer zo snel
uitgevoerd! Even narekenen: een klokpuls duurt bij de R800
140 ns, en bij de Z80 280 ns. We berekenen nu hoe lang beide
processoren doen over het uitvoeren van de instructie LD
A,B:
Z80: 5 klokpulsen * 280 ns = 1397 ns
R800: 1 klokpuls * 140 ns = 139,7 ns
Dit is dus inderdaad precies tien maal zo snel!
Een overzicht van een aantala andere instructies:
Instructie: Z80: R800: Versnelling:
------------------------------------------------------------
LD A,B 5 (1,1) 1 (1,0) 10
LD A,(HL) 8 (2,1) 3 (2,1) 5,3
LD A,(IX+0) 21 (5,2) 5 (5,0) 8,4
PUSH HL 12 (3,1) 4 (4,0) 6
LDIR (BC<>0) 23 (5,2) 7 (4,3) 6,6
ADD A,B 5 (1,1) 1 (1,0) 10
INC A 5 (1,1) 1 (1,0) 10
ADD HL,DE 12 (3,1) 1 (1,0) 24 (!!!)
INC HL 7 (1,1) 1 (1,0) 14
JP 11 (3,1) 3 (3,0) 7,3
JR 13 (3,1) 3 (3,0) 8,7
DJNZ (B<>0) 14 (3,1) 3 (2,1) 9,3
CALL 18 (5,1) 6 (5,1) 6
RET 11 (3,1) 4 (3,1) 5,5
------------------------------------------------------------
Gemiddeld 9,36
Zoals u ziet is de gemiddelde versnelling in deze tabel dus
9,36 maal, maar u moet niet vergeten dat niet elke
instructie evenveel voorkomt in een routine, dus de
versnelling zal van routine tot routine verschillen. Het is
in ieder geval zeer onwaarschijnlijk dat bovenstaande
instructies (en soortgelijke, want LD D,E duurt natuurlijk
net zo lang als LD A,B) allemaal evenveel voorkomen. De
totale versnelling van een programma is ook nog afhankelijk
van andere zaken, zoals bijvoorbeeld de snelheid van de
videochip (die overigens ongewijzigd is t.o.v. MSX2/2+!).
Hoe moet u bovenstaande tabel nu lezen? Links staat de
mnemonic, in Z80 formaat. Daarnaast het aantal klokpulsen op
de Z80. De tijd die zo'n instructie vergt kunt u uitrekenen
door dit getal te delen door de kloksnelheid van de Z80.
Daarnaast staan twee getallen tussen haakjes. Het eerste
getal is het aantal M-cycles, het tweede getal het aantal
extra klokpulsen. U kunt het aantal T-states dus vinden door
van het opgegeven aantal klokpulsen dat getal af te trekken.
De volgende kolom geeft het aantal klokpulsen van dezelfde
instructie op de R800. De tijd kunt u weer uitrekenen door
dit getal te delen door de kloksnelheid van de R800 (wel de
goede nemen natuurlijk). Het eerste getal tussen haakjes is
het aantal M-cycles. Het aantal T-states is bij de R800
altijd gelijk aan het aantal M-cycles! Het tweede getal
geeft aan hoeveel extra klokpulsen er zijn. Een voorbeeld:
DJNZ (B<>0) 14 (3,1) 3 (2,1) 9,3
Dit moet als volgt worden gelezen:
Z80: R800:
-----------------------------------------------------------
Klokpulsen: 14 3
Tijd: 3.91 microseconde 0.42 microseconde
M-cycles: 3 2
T-states: 13 (14-1) 2 (3-1)
Extra pulsen: 1 1
Versnelling: 9,3
------------------------------------------------------------
Over het algemeen is het aantal M-cycles op de Z80 en de
R800 gelijk, en komt de versnelling vooral doordat de R800
maar een T-state nodig heeft per M-cycle, en die bij de
Z80 meestal 3 a 4 zijn. Bovendien wordt er soms ook nog
"bezuiningd" op de extra klokpulsen.
BIT
De meest opvallende versnelling is toch wel de ADD HL,DE
instruktie, die op de R800 maar liefst 24 keer sneller
wordt. Deze instructie is vooral sneller doordat het aantal
M-cycles drastisch is verminderd van 3 naar 1. Hoe kan dat?
Bij de meeste instructies is het aantal M-cycles bij de R800
en de Z80 gelijk, zoals eerder opgemerkt.
Dit komt door de R800 zoveel mogelijk (!) 16 bits is
gemaakt. In Japan wordt er ook geadverteerd dat de R800 16
bit is. Toch is de R800 niet helemaal 16 bit, de externe
adresbus is namelijk nog steeds acht bits. De hele MSX
computer is acht bits, en als je een processor met een 16
bits externe adresbus in een MSX zou plaatsen, dan lijkt het
niet veel meer op een MSX! Er zouden dan veel (dure)
aanpassingen nodig zijn.
Vandaar dat men de externe adresbus ongemoeid heeft gelaten.
Maar intern is de R800 wel 16 bits, en daardoor gaan de 16
bits instructies (zoals ADD HL,DE) zo ontzettend snel!
DE INSTRUCTIETABELLEN
In de Sunrise Times staan de complete instructietabellen van
de R800. Dit is de eerste keer dat deze tabellen in
Nederland worden gepubliceerd!!
Als u de instructietabellen bekijkt, zult u zien dat de
meeste mnemonics zijn veranderd. De instructies zijn
hetzelfde gebleven, maar de namen zijn gemoderniseerd. Een
overzicht van de instructies die een naamsverandering hebben
ondergaan:
R800: (nieuwe naam) Z80: (oude naam)
------------------------------------------------------------
XCH EX
XCHX EXX
MOVE (HL++),(DE++) LDI
MOVE (HL--),(DE--) LDD
MOVEM (HL++),(DE++) LDIR
MOVEM (HL--),(DE--) LDDR
CMP A,(HL++) CPI
CMP A,(HL--) CPD
CMPM A,(HL++) CPIR
CMPM A,(HL--) CPDR
ADDC ADC
SUBC SBC
AND A, AND
OR A, OR
XOR A, XOR
CMP A, CP
CLR RES
ROLA RLCA
RORA RRCA
ROLCA RLA
RORCA RRA
ROL RLC
ROR RRC
ROLC RL
RORC RR
ROL4 (HL) RLD
ROR4 (HL) RRD
SHL SLA
SHR SRL
SHRA SRA
BR JP
BNZ JP NZ,
BZ JP Z,
BNC JP NC,
BC JP C,
BPO JP PO,
BPE JP PE,
BP JP P,
BM JP M,
SHORT BR JR
SHORT BNZ JR NZ,
SHORT BZ JR Z,
SHORT BNC JR NC,
SHORT BC JR C,
DBNZ DJNZ
BRK RST
IN (HL++),(C) INI
IN (HL--),(C) IND
INM (HL++),(C) INIR
INM (HL--),(C) INDR
OUT (C),(HL++) OUTI
OUT (C),(HL--) OUTD
OUTM (C),(HL++) OTIR
OUTM (C),(HL--) OTDR
ADJ A DAA
NOT A CPL
NEG A NEG
NOTC CCF
SETC SCF
------------------------------------------------------------
UITLEG BIJ TABELLEN
Voor degenen die nog nooit een instructietabel hebben gezien
is een beetje uitleg wel op z'n plaats. In de eerste kolom
staat de mnemonic, de "syntax" van de instructie. Daarnaast
een symbolische notatie van de werking van deze instruktie.
In de volgende kolom wordt aangegeven hoe de vlaggen worden
beinvloedt. Daarvoor worden de volgende tekens gebruikt:
stip vlag wordt niet beinvloedt
pijltje stand van vlag wordt bepaald door de uitkomst van
de instructie
0 vlag staat op 0 na instructie
1 vlag staat op 1 na instructie
? vlag onbekend
P P/V vlag geeft pariteit
V P/V vlag geeft overflow
In de volgende kolommen wordt de opcode gegeven, in binair
en in hexadecimaal. De kolom "B" geeft aan hoeveel bytes de
instructie in beslag neemt, de kolom "C" het aantal M-cycles
(C is dus een afkorting van Cycles). Zoals we eerder hebben
vastgesteld is dit altijd gelijk aan het aantal T-states,
maar het aantal klokpulsen kan een paar meer zijn.
Verder worden nog een heleboel symbolen gebruikt. Een
overzicht:
a{7} bit 7 van register a
a{4..7} bit 4 t/m 7 van register a
de:hl een 32 bits waarde, waarbij DE de hoogste
16 bits bevat
(ix+d) d is de 8 bits offset
C carry vlag
Z zero vlag
P/V parity/overflow vlag
S sign vlag
N subtract vlag
H half-carry vlag
IFF interrupt flipflop
r,r' A,B,C,D,E,H,L
u,u' A,B,C,D,E,IXH,IXL
v,v' A,B,C,D,E,IYH,IYL
p IXH,IYL
q IYH,IYL
ss BC,DE,HL,SP
pp BC,DE,IX,SP
rr BC,DE,IY,SP
qq BC,DE,HL,AF
e offset bij SHORT BR (JR bij Z80)
k adres bij BRK (RST bij Z80)
nn 16 bits constante
n 8 bits constante
b bitnummer (0-7)
NOT logische bewerking
tmp tijdelijke opslag van een bit
B aantal bytes
C aantal (M) cycles
Voor de logische bewerkingen OR, XOR en AND worden de
wiskundige notaties gebruikt (OR is een "V", XOR een
"omgekeerde A" en AND een "omgekeerde V").
OPCODES SAMENSTELLEN
De instructietabellen zouden wel erg lang worden als per
mogelijke instructie de opcode zou zijn vermeld. Bovendien
is dan de logica in de opcodes niet meer uit de tabel op te
maken. Vaak moet de opcode dan ook (op binaire wijze) zelf
worden samengesteld. Met een voorbeeld kan ik het beste
laten zien hoe dat gaat.
U wilt bijvoorbeeld de opcode van de instructie LD C,H
weten. Als u de instructietabellen in de Sunrise Times erbij
pakt, kunt u daar LD r,r' vinden. In de kolom opcode staat:
7 6 5 4 3 2 1 0 <-- bitnummers
0 1 r r' <-- opcode
Onderaan ziet u de tabel voor r en r'. U ziet daar dat 001
staat voor C en 100 voor H. U vervang nu r en r' in de
binaire opcode door de gevonden codes voor C en H. De opcode
wordt dan:
7 6 5 4 3 2 1 0 <-- bitnummers
0 1 0 0 1 1 0 0 <-- opcode
U heeft de opcode gevonden, het is &B01001100.
NIEUWE INSTRUCTIES
De R800 kent ten opzichte van de Z80 drie geheel nieuwe
instructies, bovendien zijn de indexregisters (IX en IY) nu
ook per 8 bits aanspreekbaar. U kunt in de
instructietabellen opzoeken bij welke instructies dat
mogelijk is, te herkennen aan u, v, p of q.
De andere nieuwe instructies zijn:
IN F,(C)
MULUB A,r
MULUW HL,ss
De eerste instructie is erg handig. Routines waarbij (een)
bepaald(e) bit(s) in de gaten wordt gehouden, worden door
deze instructies korter, sneller en gebruiken minder
registers. Een voorbeeld: stel u moet bit 0 van I/O poort C
in de gaten houden. De routine moet net zolang wachten tot
bit 0 op 0 staat. Op de Z80 zou dat er als volgt uit zien:
WACHT: IN A,(C)
BIT 0,A
JR NZ,WACHT
Dit zijn 6 bytes en het A-register wordt gebruikt.
Op de R800 kan het ook zo:
WACHT: IN F,(C)
JR C,WACHT
Dit zijn 4 bytes en het A-register wordt niet gebruikt.
Bovendien is deze manier sneller. (N.B. Het carry bit is bit
0 van het F-register.)
|
