マイコンの種類

マイコンの呼称がいろいろありますが、どうちがうのですか?

マイコンというのは略称で、正式名はマイクロコンピュータです。
マイコンは、外部にメモリや周辺を接続することを前提としたマイクロプロセッサ(MPUまたはCPU)と、これらを内蔵した組み込み用途のマイクロコントローラ(MCU)に大別できます。

MPUは拡張性や性能等を重視しますが、MCUは用途別なので、ターゲットとするシステムに応じた仕様となっています。

MCUは1チップでシステムを実現するため、シングルチップ・マイコン(シングルチップ・マイクロコンピュータ)とかワンチップ・マイコンなどとも呼ばれます。

【ティー・ブレイク】 パソコンとマイコンを混同される方がいらっしゃいますが、パソコンは装置でマイコンは部品です。 「マイコン」というのは日本での通称「マイクロコンピュータ」の略で、当初は正式には「マイクロプロセッサ」(MPU)と呼ばれていました。パソコンを例にあげると、Intel社のPentium(R)などがマイクロプロセッサです。その後、周辺を内蔵した組み込み用のマイクロコントローラ(MCU)も登場し、総称として「マイコン」が使用されています。なお、マイクロコントローラの出現当時は、プロセッサだけでなくコンピュータとしての機能をひと通り搭載していることを意図して、これを「マイクロコンピュータ」とか「マイコン」と呼ぶ風潮もありました。 「パソコン」というのは「パーソナル・コンピュータ」の略で、個人向けのコンピュータ・システムのことです。NEC は8ビット・マイコンμPD8080のトレーニング・キットTK-80(キー入力と7セグメントLED表示)を1976年に発売し、それを小型汎用コンピュータとして発展させたパソコンPC-8001が1979年に誕生しました。TK-80とその後継機TK-85(μPD8085搭載)は、マニアの間では、「マイ・コンピュータ」の意味で「マイコン」と呼ばれていましたので、パソコンに対しての誤解が生じているのかも知れません。

(2007/09)

CISCとRISCはどうちがうのですか。

まず、「シスク」「リスク」と読み、名称は次のとおりです。
CISC:Complicated Instruction Set Computer(命令セットが複雑)
RISC:Reduced Instruction Set Computer(命令セットが簡素)

マイコンの進化に伴い、高速化とともに命令の複雑化が進みました。
たとえばA,B,Cという基本機能の3命令があれば、1命令で複数処理のできるA+B、B+C、A+C、A+B+Cのように組み合わせた命令もあって、またアドレシングもたくさんあったほうが便利という発想です。アドレシングについては、オペランドにアクセス・アドレスを記述する直接アドレシングだけでなく、各種レジスタの内容をアクセス・アドレスとしたり、複数レジスタの内容を組み合わせてアクセス・アドレスとしたりする間接アドレシングなど、多様化しました。
こういった流れで発展したのがCISCです。でも、実際にすべての命令が多用されるわけではないのに、命令数が膨大になってしまいました。
命令数が増加すると、命令を実行する前に解析(なにをすべきか判断)するインストラクション・デコーダの負荷が大きくなってしまいます。ソフトでの解析では時間がかかりますし、ハードでの解析では回路規模が大きくなります。また回路の大規模化は、高速動作をさせるために、消費電力の増大も招く結果となりました。さらに、複雑なアドレシングについては、命令実行についての負荷も大きくなります。
これらの問題を見直して、実際に多用される基本命令だけに命令セットをしぼったマイコンがRISCです。
"Risk"ではないので、「危険なマイコン」というわけではありません。

レジスタ・オリエンテッド・マシンとメモリ・オリエンテッド・マシン(ポインタ・オリエンテッド・マシン)の違いは何ですか。

比較的多くの汎用レジスタをもち、必要な演算を主にAレジスタやBレジスタなどの汎用レジスタを用いて実行するのが、前者です。汎用レジスタの数が少なく、メモリをインデックスするためのポインタ・レジスタをもち、主にメモリとの間で演算を行なうものが後者です。
前者では、演算で必要な変数が限られた数(8個程度)の汎用レジスタの範囲で処理できれば、コンパクトで高速の処理が可能です。必要な変数が汎用レジスタに収まりきれなくなったときにはメモリへのアクセスが必要になるので、処理効率が悪くなり、処理速度が低下します。
後者では、演算を行なうのにメモリを使用するので、処理速度は汎用レジスタ程には高速ではありませんが、変数用に多くのメモリが使用できるので、多くの変数が必要な場合でも速度の低下はありません。

コーヒー・ブレーク 昔のマイクロプロセッサでは8080系は8個の汎用レジスタを搭載し、汎用レジスタでの演算を行なっていました。6800系はそこまでの汎用レジスタは搭載しておらず、メモリを中心にした演算を行っていました。 現在の8ビットMCUである78K0は8個の汎用レジスタ、しかも4つのレジスタ・バンク合計で32個の汎用レジスタを搭載していますが、ショート・ダイレクト・アドレッシングで直接アドレスを指定できるメモリも使えるようになっています。 78K0Sは78K0のサブセット版でレジスタ・バンク機能こそありませんが、8個の汎用レジスタとショート・ダイレクト・アドレッシングで直接指定できるメモリも使えるようになっています。命令セットも78K0Sがサブセットになっていますが、命令コードの長さを見ると汎用レジスタとショート・ダイレクト・アドレッシングで同じ命令長になっており、(しかも、HLレジスタをポインタとして使用する場合にはもっと短い命令長になります)メモリ・オリエンテッド・マシンの性格が強くなっています。 どちらにしても、最近ではあまり気にする必要はありません。

(2008/01)

マイコンのビット数は、なにを意味するのですか?

一般に、マイコンの内部で、1度に処理できるデータの幅をビット数で表します。

たとえば8ビット・マイコンでは、1度に8ビット演算しかできませんが、 32ビット・マイコンなら32ビット演算ができます。
つまりそれだけ32ビット・マイコンは高速処理ができるのですが、 それだけ大量のデータを1度に処理する必要のあるシステムでなければ無駄な性能となるため、 ビット数が大きければいいというわけでもありません。

なお、外部データ・バス幅が16ビットの32ビット・マイコンなど、 入出力ビット数が内部データ・バス幅より少ない製品もあります。

マイコンの内部ROMの種類によって、用途が変わるのですか?

MCUには、PROMやフラッシュ・メモリ、マスクROMを内蔵した製品と、ROM無し(ROMレス)製品があります。

PROMやフラッシュ・メモリには、ユーザがプログラミング・ツール(プログラマ)でプログラム書き込みを行い、 試作や評価、少量生産などに利用されます。

PROMには1回しか書き込めないOTPと、消去・再書き込みのできるEPROMがあります。
現在の主流はフラッシュ・メモリです。

マスクROMは、ユーザ・プログラムに応じた拡散マスク (LSI製造に使用) を専用に準備し、 製造工程でユーザ・プログラムを作りこんで、出荷時にはすでにプログラミングができているセミカスタム品です。

ROM無し品は、外部にプログラミングしたROM等を接続するMCUで、 ROMだけの交換をする試作・評価や、複数ROMの切り替えで機能切り替えをするシステムなどに利用されます。

マイコンにはプログラムを記憶するROM以外にデータを記憶するメモリが内蔵されているが、どのようなメモリがあるか。

マイコンに内蔵されたデータ記憶用のメモリとしては通常の作業用RAMと電源が切れてもデータを保持できるEEPROM^TMがあります。

ちょっとよりみち 通常、マイコンに内蔵されたメモリは次のように分類できます。 * 以前は紫外線(UV)で消去できるように窓がついたEPROMや窓をなくして1回だけ書き込めるPROMがありましたが、最近はフラッシュ・メモリになっています。 ** マイコンがNMOSやPMOS構造の時には内蔵のRAMやレジスタは回路を小さくするためダイナミック構成のRAMが使用されていましたが、最近ではスタティック構造になっています。これにより、クロックが停止してもデータを保持できます。 *** 作業データ用としては、通常の汎用のRAMとしての用途以外に表示用RAMやバッファRAMのような専用のものもあります。

(2005/12)

EEPROMの使用上の注意点はなにか

EEPROM^TMは電源が切れてもデータを保持できますが、通常のRAMのように簡単に書き込んだり読み出したりはできません。専用の制御回路を使用して、書き込む必要があります。また、読み出しについても、通常は電力消費を抑えるために読み出せないようになっている場合があり、読み出す前に読み出し回路を動作させる必要があります。書き込みについてはFAQのマイコン内蔵されているEEPROMについても参照ください。

(2005/12)

フラッシュ・マイコンとはどのようなものですか?

フラッシュ・マイコンとは、マイコンに内蔵されたプログラム格納用メモリとして、フラッシュ・メモリを内蔵したものです。

これまでのマイコンとどのような点が異なるのでしょうか?

一番大きな違いは、製品出荷後にプログラムを変更することができる点です。
フラッシュ・メモリは書き込んだ内容を電気的に消去して、新らしい内容を書き込むことができます。
従来の2電源タイプのフラッシュ・メモリ(書き込みのためにVDD以外に別途VPP用に電源が必要)ではフラッシュプロ等の専用のフラッシュ・ライタを用いることで、プログラムの書き換えが可能です。
最新の単電源タイプのフラッシュ・メモリ(書き込みのために別途専用電源を準備する必要はない)では、専用のフラッシュ・ライタを使用する以外にも、書き換えのためのプログラムと書き換えのための新しいデータを入力する手段を準備しておくことで書き換えが可能です。
また、出荷後のプログラムの書き換え以外にも単電源タイプのフラッシュ・メモリを内蔵しているマイコンでは、フラッシュ・メモリの一部をEEPROMの代わりにデータ保存用に使用するような使い方も可能です。
このように、使い方が大きく広がる可能性をもつのがフラッシュ・マイコンです。
今後はマスクROM版をもたず、フラッシュ・メモリ版だけの製品ファミリも増えていくと思われます。

注)
フラッシュ・メモリの一部をEEPROMの代わりにデータ保存用に使用するような使い方(EEPROMエミュレーション)については特約店が個別に対応させていただいておりますので、具体的な内容については、特約店にご相談ください。

マイコンによっては、通常のRAM以外に表示用RAMやバッファRAMが内蔵されているものがあります。これらのRAMは通常のRAMとはどのような点が異なるのでしょうか。

ビット構成で見た場合に差があるのは表示用RAMです。通常のRAMやバッファRAMは通常のデータを扱う(書き込んだり、読み出したりする)ため、データの幅が8ビットまたはその倍数が単位となっています。ところが、表示RAMは8ビットでアクセスするような場合でも、8ビット全てにRAMが存在していない場合があります。例えば、78K0Sで殆どのLCDコントローラでは下4ビットにはRAMは存在しますが、上位4ビットは0になっています。このような場合には通常のRAMと同じようには使うことはできません。



次にRAMへのアクセス方法での差が考えられます。通常のRAMはCPUがアクセスするだけですが、表示RAMやバッファRAMではCPU以外に表示コントローラが表示RAMを読んだり、シリアルコントローラがバッファRAMを読み書きしたりします。このため、表示RAMやバッファRAMではCPUとコントローラからのアクセスを調停する必要があります。その結果、表示RAMやバッファRAMに対してCPUは通常のRAMのような高速のアクセスはできなくなります。また、一部のデバイスに内蔵されているCANやIE-BusコントローラではバッファRAMは外部バスに接続されているようなものもあります。78K0/LG2では表示メモリはCPUが直接アクセスできるところではなく、I2Cバスを経由してアクセスできるようになっている例もあります。



最後に、プログラム上での違いとして、CPUから見たアドレス領域が通常のRAM領域と異なっていて、標準状態では変数を配置できない点が挙げられます。通常の内蔵の高速RAMでは特にメモリを宣言しなくても使えますが、表示RAMやバッファRAMではリンクディレクティブでメモリの宣言をしないとそこに変数を配置することができない場合があります。リンクディレクティブについては、FAQの通常のメモリ以外に変数やコードを割り付ける方法は?を参照してください。

ちょっとよりみち2 マイコンの内蔵機能の強化(集積度アップ)と動作の高速化により1種類のバスで全てをアクセスすることが難しくなってきています。高速に動作すると、その分消費電力が増加しますし、発生するノイズも増加します。マイコンの中でも、全ての部分が高速に動作する必要はありません。そのため、高速に動作する必要がある部分とその必要がない部分を区別してアクセスするためのバスを分離して最適化しています。 さらに、高速化の障害となるフォン・ノイマンのボトルネックへの対策として、ハーバード・アーキテクチャを採用して、内蔵ROMから命令をフェッチするバスと内蔵RAMへのバスを分離するなど、最近のマイコンの中にはいくつものバスが存在しています。 昔は配線の占める面積が大きいので、できるだけ配線(バスを含む)を少なくしないと回路が入らないと努力したころとは大きな違いです。

(2005/12)

All Flashというのは、フラッシュ品しかない(マスク品やPROM品がない)シリーズのマイコンということですか。

基本的には、そのようなコンセプトです。ただし、マスク品やPROM品がある従来品から派生したシリーズは、All Flash には分類していません。
All Flashマイコンでは、マスク品相当かそれ以下の消費電力を実現しています。

(2007/09)

小ピン・マイコンというのは、どのような製品ですか。

All Flashマイコンの中で、約30ピン以下の78K0Sシリーズ(78K0S/Kx1+)をそのように呼んでいます。「小さい寸法のピン」ではなく、実際は"Low-Pin-Count"つまり「少ピン数」の意味です。

(2007/09)