〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜 　　　電　　脳　　高　　速　　化　　指　　南 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＃６０　Ｏｈ！石 〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜 　こんばんは、ソフト屋のＯｈ！石です。ここでは前号の野口さんからのリクエスト にお応えして、Ｘ１の６ＭＨｚ化について解説いたします。　最初にお断りしておき ますが、Ｘ１についてだけ解説すると機種別の記事になってしまうのと、元ネタが Ｉ／Ｏ誌に掲載されたものなのでそのままやると転載のようになってしまうので、具 体的な回路とかは避けて考え方を中心に他機種も含めて書いていきたいと思います。 専門用語等、ハードに詳しくない人には分からないことも多いかと思いますが、でき るだけかみくだいて説明していくつもりです。 - §１　高速化の考え方 - - - - - 　パソコンを高速化する方法としては、おおまかに分けて次の３種類が考えられます。 　　　　　１．ソフトを高速化する 　　　　　２．ＣＰＵを交換する 　　　　　３．搭載しているＣＰＵの動作クロックを上げる 　１は、常日頃使用しているＯＳや言語を交換したりチューンアップしたりすること を指します。コンパイラなんかを導入するのなんかは代表的な例です。ですが、マシ ンの性能のうち隠れた部分が多くなければあまり効果を発揮できません。 　２は少し強引な方法です。あとでも触れますが、あまり成功例の多くない方法です。 　皆さんがすぐ思い付くのが、３の方法でしょう。　あまり簡単な方法とは言えませ んが、原理は単純で成功例も多くあります。 　当然ここでは２と３の具体例を挙げて説明します。 - §２　ＣＰＵを交換する - - - - - 　この方法には、大きく分けて２つあります。 　　　　　１．外部により高速なＣＰＵボードを接続し、元のパソコンを 　　　　　　端末のように使用する 　　　　　２．本当に取り替えてしまう 　その昔、高速処理をうたい文句にシャープからＭＺ−２０００用１６ビットボード が発売されました。これは１にあたります。元からあるＺ８０はＩ／Ｏコントローラ として動作し、ＢＡＳＩＣ本体等のシステムプログラムは８０８８上で走りました。 互いに割り込みをかけながらデータのやりとりをするのでどうしても全体の処理が遅 くなり、宣伝文句とは裏腹の性能しか発揮できませんでしたが、その後Ｏｈ！ＭＺ誌 上でＣＰ／Ｍ８６が移植されるなど面白いハードではありました。１の例としては他 に、画像処理等の分野でよく用いられるトランスピュータとか、最近Ｘ６８ｋ用に発 売されたＶ７０ボードがあります。 　２の例で代表的なのは、８０８６をＶ３０に取り替えるやつでしょう。当時何台も のＰＣ−９８０１／Ｅ／Ｆ／ＭのＣＰＵがＶ３０に交換されてしまいました。さきの １６ビットボードも８０８８をＶ２０に取り替えましたが、僅か１〜２％程度しか改 善されませんでした。また、ＰＣ−８８０１ｍｋ２（細かい機種は忘れた）のＺ８０ を日立の６４１８０に交換したという話も聞いたことがあります。 　２の場合、交換する２つのＣＰＵについてタイミングなどかなり細かい仕様を確認 しておく必要があります。８０８６とＶ３０の場合はほとんどの信号について同一の 仕様となっているため、１００％に近い確率で成功しますが、Ｚ８０と６４１８０で は命令セットは同一でも細部のタイミングが異なっているためにそのままでは無理だ と思われます。最低限、付加回路なしにはＸ１turboにつなげられません。 　また、ソフトでタイミングをとって動かす部分については、ＣＰＵの交換後動作し なくなる可能性が大です。私はＭＺ−６５００の８０８６をＶ３０に交換したのです が、システムは起動するもののキーボードからの入力ができなくなりました。　おそ らく、キーボードからのシリアル信号を読み込むルーチンの動作が速くなったためで しょう。 - §３　ＣＰＵの動作クロックを上げてやる - - - - - 　いよいよ本題です。各機種についての説明の前に、どのように設計するのか、その 考え方を説明します。 　一口にクロックアップと言っても、その行く手にはさまざまな難関が待ちうけてい ます。だいいち、簡単にできるのならあらゆるパソコンのクロック周波数は極限まで 高くなっているはずです。その難関とは、大部分が設計外の動作をさせるために生じ たものです。 ・メモリの速度 ・周辺とのタイミング ・画面出力 　最初に、メモリの速度について説明しましょう。 +-----+ +-----+ +-----+ +---- CLK | | | | | | | ---+ +-----+ +-----+ +-----+ : :70ns : -----------+ : :40ns MREQ | : +-------------------------------- : : ------------------------------+:+----------- D0-7 : X ------------------------------+:+----------- : : :<-- 応答時間 -->: Ｚ８０の通常のメモリリードでは、クロック３サイクルの行程で動作します。規格で は１つめのクロックの立ち下がりから最大７０nsのうちにMREQがＬになり、３つめの クロックの立ち下がりの４０ns前までにデータが確定していないといけないので、MREQ の立ち下がりからデータの確定までの時間（つまりメモリの応答時間）は ４ＭＨｚ時：３９０ns ６ＭＨｚ時：２２３．４ns となります。これだけなら２００nsのＲＯＭ、１５０nsのＲＡＭを使ってあれば充分 な時間です。ところが、Ｚ８０には命令をフェッチするためのＭ１サイクルというも のが存在します。この時、同じメモリからの読みだしサイクルが変化し、タイミング がきつくなります。具体的には、データの確定すべき時間が３つめのクロックの立ち 上がりから３０ns前までになります。 +-----+ +-----+ +-----+ +---- CLK | | | | | | | ---+ +-----+ +-----+ +-----+ :<----->:100ns : -----------+ : :30ns M1 | : +-------------------------------- : : ------------------------+:+----------------- D0-7 : X ------------------------+:+----------------- : : :<-応答時間 ->: つまり、クロック半サイクル短くなる訳ですね。計算によると、 ４ＭＨｚ時：２７５ns ６ＭＨｚ時：１５０ns となります。２００nsのＲＯＭだと、見るからにあぶなそうですね。どうしてそのよ うになっているかというと、すぐあとにリフレッシュサイクルが控えているためです。 フェッチした命令を解析する間、ＣＰＵとしてはメモリをアクセスすることはありま せんので、その空き時間を利用してリフレッシュを行う訳です。 　最近でこそ７０nsで動くＲＡＭとか１００nsそこそこで動くＲＯＭとかありますが、 我々が改造しようかというような機種の出ていた時期では夢のような話です。当然、 対策を立てねばなりません。 　６ＭＨｚで動作していたＭＺ−２５００ではどうしていたかというと、必要時にウェ イトを入れていました。Ｚ８０ではWAITという端子が２つめのクロックの立ち下がり 時にＬとなっていたとき、ウェイトサイクルが３つめのクロックの前に挿入されます。 ｳｪｲﾄｻｲｸﾙ +-----+ +-----+ +-----+ +---- CLK | | | | | | | ---+ +-----+ +-----+ +-----+ :<----->:100ns : -----------+ : :30ns M1 | : +-------------------------------- : : ------------------------------------+:+----- D0-7 : X ------------------------------------+:+----- : : :<------ 応答時間 ------->: ウェイトサイクルでは全ての信号が固定されますので、当然データ確定までの時間も 引き伸ばされます。つまり、 ４ＭＨｚ時：５２５ns ６ＭＨｚ時：３１６．７ns となって通常のメモリリードよりも余裕ができました。全部のメモリアクセスに対し てウェイトを入れていたのでは遅すぎるので、ＭＺ−２５００ではＭ１サイクルと ＶＲＡＭ等のアクセス時にウェイトが入ります。 　次は、周辺とのタイミングです。ここで言う周辺とはＩ／Ｏデバイスのことを指し ます。 　Ｚ８０での周辺デバイスの代表格はやはりＰＩＯ・ＳＩＯ・ＣＴＣなどの周辺ＬＳＩ でしょう。これらのＬＳＩは当然ながらＩ／Ｏ空間にマッピングされるので、内部の レジスタにアクセスする場合はＩ／Ｏサイクルにてリード・ライト操作が行われます。 ところが、Ｚ８０（８０８０かな？）の設計者は「Ｉ／Ｏデバイスは遅いもの」と決 めてかかっていたのか、なにもしなくても最初からウェイトサイクルが入った状態で 動作が進行します。これなら、メモリの時よりも簡単そうです。 　でも安心はできません。ＬＳＩの動作速度の違いは、割り込み動作に大きく影響し てくるはずだからです。 　念のために説明しておきましょう。割り込みとは、通常行っている処理を中断して 一時的に別の処理をおこなうことです。たとえば、ＦＭ音源などで音楽を演奏すると き、演奏データがなくなると割り込みが発生します。割り込み処理ルーチンでは、ファ イルやメモリ上に保管してある演奏データを取り出し、ＦＭ音源に渡します。必要な データを渡し終ったら、元の処理に戻ります。 　さて、周辺ＬＳＩが割り込み処理から復帰するときの動作ですが、信号線に割り込 みモードを表すものがあるのではなく、ＣＰＵと歩調を合わせて命令を取り込みなが ら、ＬＳＩ自身が判別します。つまり、ＣＰＵはＲＥＴＩを読み込んで割り込み処理 を終了しますが、同時に周辺ＬＳＩもＲＥＴＩを実行して自分で割り込みモードを終 了するのです。ですから、周辺ＬＳＩにもＣＰＵと同等なメモリアクセスのサイクル が存在することになり、いくらＣＰＵが速く動いても周辺がついてこれなければいつ までも割り込みモードに入ったままになることだって考えられるのです。 　最後に、画面表示です。最近の高度化した画面表示を持つ１６ビット以上のパソコ ンではあまり関係無くなってきましたが、８ビットマシンではシステムクロックが画 面表示の回路に使用されているものが多数あります。例えば、ＭＺ−７００／１５００ はその典型的な例で、ＣＰＵのクロックが３．５８ＭＨｚなのは日本のＴＶの表示規 格であるＮＴＳＣで使用される周波数の整数倍にしたためです（ちなみにＭＺ−８００ のＣＰＵクロック３．５４６９ＭＨｚというのはヨーロッパのＴＶ規格ＰＡＬの整数 倍となっています）。システムクロックを分周して表示回路に使用する意図がうかが われます。画面関係以外でも、ＲＳ２３２ＣやＦＭ音源など動作用クロックをシステ ムクロックと共用するものがありますので、注意が必要です。 　ということで、これまで述べてきたことから次のような具体的な対策が浮かんでき ます。 （１）ＣＰＵと共に、メモリも高速なものに交換する。 （２）周辺ＬＳＩも、Ｂバージョンなど高速なものに交換する。 （３）システムクロックが供給されている箇所を調べ、周波数が変化してはまずいと ころには代わりのクロックを用意する。 しかしながら、メモリが大容量に向かっている現在では昔の小容量のＲＡＭの需要が あまりないので、そう簡単に新しいものを手に入れられるかどうか疑問です。しかも、 ＬＳＩの一部には高速バージョンの存在しないものもあります（Ｚ８０ＤＭＡなど）。 　ところで、メーカーのカタログ値はどの程度信用できるものなのでしょうか。もし カタログにある数値がその石の最大限の性能ならば、瞬間的でさえ数値を越えるタイ ミングを与えることは許されないはずです。逆に、あくまで目安なのであれば、もし かすればカタログスペックを越える性能を発揮できるかもしれません。 　この問題に関しては、「通常メーカーはカタログスペックに余裕を持たせた値を載 せる」と答えられます。工業製品に限らず、あらゆる品物はわずかでも個体差が存在 します。もしカタログ値がギリギリのものだったとすれば、ばらつきによりカタログ よりも良い品や悪い品ができる可能性があります。良い方には問題ありませんが、悪 い方は商品にもなりません。ちょっとくらい悪い品ができても、あらかじめカタログ スペックの方を下げておけば「性能」に問題無い品物を出荷することができます。具 体的に例を挙げると、Ｚ８０は１．５倍までのクロックで充分使用できます。つまり、 Ｚ８０は３．７５ＭＨｚまで、Ｚ８０Ａは６ＭＨｚまで大丈夫ということです。この 「１．５倍」という数字はメーカーの発表したものではないのであくまで「目安」と 考えてください。余談ですが、Ｚ８０のバージョンはそのように設計したものではな く、出荷試験の結果つけられるという噂があります（かなり確かなようです）。つま り、９ＭＨｚでパスすればＢバージョン、だめなものは６ＭＨｚでテストしてパスす ればＡバージョン、それでもだめならさらに４ＭＨｚでテストしてパスすればノーマ ルということです。こういうのを「選別」といって、Ｚ８０に限らずいろいろな半導 体製品でおこなわれています。なお、Ｚ８０Ｈは（多分Ｚ８０Ｅも）別設計だそうで す。 　従いまして、現在の「クロックアップ」はクロック生成回路以外の部品の交換をし ていないのが実情です。ですから、もしかするとばらつきによって改造が成功しない 機械があるかもしれません。実際、Ｘ６８０００の改造については初代機など １２ＭＨｚぐらいまでしか上げられないといいます。このあと紹介する改造例も、絶 対成功するとは言い切れないことをご承知おきください。 - §４　改造例その１・ＭＺ−８０Ｋ／Ｃの巻 - - - - - 　ここからいくつかの改造例を紹介していきます。どうしても具体的な説明は回路図 を参照しないとわかりにくいと思いますが、言葉で表現しきれない部分がありました らご容赦下さい。 　さて、ＭＺ−８０Ｋ／Ｃシリーズは最終タイプのＭＺ−１２００までクロックは ２ＭＨｚでした。このため、多くの機械が「倍速」と称して改造されました。また、 倍速基板といってＣＰＵソケットに差す（結果的にＣＰＵを取り替える）商品もあり ました。 　ＭＺのクロックは８ＭＨｚの水晶発振器の出力を４分周してＣＰＵクロックに、さ らに分周して周辺へ供給しています。また、原発振である８ＭＨｚも画面出力に使用 されています。このことから、ＣＰＵのクロックを変更しても他のクロックは供給し てやる必要があります。また、ＭＺはカセットの入出力をソフトでタイミングをとる ことで行なっていたので、改造後はそれまでのテープが読み込めなくなります。 　１９８０年当時のＩ／Ｏ誌に２例の改造記事が掲載されています。両方ともほぼ同 じ回路で、２回載ったのはＫとＫ２・Ｃでは回路に若干の変更があってＩＣ番号が変 わったためです。これらの記事では、さきほどの問題を見事に解決しています。 　まず、２ＭＨｚの代わりに供給する４ＭＨｚクロックですが、これは８ＭＨｚを分 周する回路の途中から取り出します。分周はＬＳ９３という非同期カウンタで行なっ ていますが、そのＱＢ出力が４ＭＨｚになります。 　プログラムによっては元の速度が必要なのもあるでしょうから、２ＭＨｚと４ＭＨｚ を切り替えられるようにします。記事では機械的なスイッチではなく、ＮＡＮＤを３ つ組み合わせたのやＬＳ１５７というセレクタＩＣを使って電子スイッチというかた ちで切り替えています。 　２つのクロックを単純に切り替えたのではほぼ確実に暴走しますので、タイミング を計って切り替えます。具体的には、２ＭＨｚと４ＭＨｚとのＮＡＮＤをタイミング 信号として切り替え状態を保持するフリップフロップにクロックとして入力します。 　その切り替えの元になる信号ですが、本体の外へスイッチを出して手で切り替えら れるようにします。と同時に、スイッチを２つにしたり中立スイッチを用いたりして カセットの動作信号をクロック切り替え信号に使用します。ＭＺではこの動作信号を 見てカセットの操作をユーザに促すようにできているので、このようなことができる のです。 　この改造記事で製作されたものは、市販品よりコンパクトで、４ＭＨｚ動作時にも テープの読み書きができるなど優秀なものでした。 - §５　改造例その２・ＭＺ−２０００用１６ビットボードの巻 - - - - - 　先ほども１６ビットボードのＣＰＵを８０８８からＶ２０に交換したと述べました が、ベンチマークテストで１２４秒かかる関数計算が１２２秒で終了したくらいであ まり効果が現れませんでした。そこで、回路図を見てみると（マニュアルに回路図が あるんだねぇ〜）Ｚ８０のクロックも８０８８のクロックもお互い相手の基板へ行っ ていないことがわかりました。８０８８の５ＭＨｚクロックは１６ビットボード内で 閉じているのです。 　８０８８システムのクロックは、８２８４というクロックジェネレータＩＣが原ク ロックを３分周して生成します。水晶のクロックと８２８４の出力クロックが他の部 分へ分配されていないことから、ここは水晶を取り替えます。 　取り替える水晶の発振周波数は、８２８４で分周されることを考慮にいれて３倍の 数値を使用します。私の実験ではあらかじめＣＰＵがＶ２０の８ＭＨｚに交換されて いたのでその３倍、２４ＭＨｚの水晶に交換しました。 　結果は、思ったとおりどこにも異常無く動作しました。本当は失敗を見越して各種 の水晶を用意していたのですが、取り越し苦労に終りました。 　１６ビットボードといえば「８ビットよりも遅い」ということで有名だったのです が、これで価値が現れました。なお、私はＯｈ！ＭＺ誌８５年５月号のＣＰ／Ｍ８６ の移植も行なっていますが、動作に問題はありませんでした。 - §６　改造例その３・Ｘ１turboの巻 - - - - - 　ＮｉｆｔｙやＳ−ＯＳＮＥＴでも一時期「Ｘ１turboを１２ＭＨｚにした」という情 報が流れて話題になったことがありましたが、その基本となっている改造です。Ｉ／Ｏ ８８年２月号に掲載されたものですが、この記事を見て改造を行なった人もけっこう あると思います。 　Ｘ１turboのクロックは、１６ＭＨｚのクロックモジュールを原発振として、 ＬＳ１６１という同期カウンタで分周しています。クロックモジュールというのは電 源を接続すれば直ちに安定した信号を出力してくれる部品で、通常の水晶発振器が多 少の回路を必要とするのに対して、すでに発振に必要な回路を内蔵している点で便利 なものです。 　さて、ＬＳ１６１から出力されるクロックですが、２分周（８ＭＨｚ）されたもの がＤＲＡＭのコントロールに、４分周（４ＭＨｚ）されたものがＤＲＡＭのコントロー ルと各Ｚ８０のＬＳＩなどのシステムクロックに、８分周（２ＭＨｚ）されたものが ＰＳＧとＣＴＣに供給されています。このうち、２ＭＨｚのクロックが速くなると通 信ができなくなったり（ＣＴＣの出力クロックをボーレートとして使用しているため） 音程が狂ったりしますので変更することができません。その他のクロックについては 全部いっぺんに替えた方が良さそうです。 　記事では、２４ＭＨｚのクロックモジュールを使用して、６ＭＨｚの時は２・４・ １２分周して、４ＭＨｚの時は３・２／３・１２分周してこれらのクロックを生成し、 また２つのクロックに同期して切り替える回路を小さい基板に組み立て、その信号を ＬＳ１６１がもとあった場所（あらかじめソケットに替えておく）に供給するように 書いています。なお、記事中にはＳ ＴＴＬはＬＳ ＴＴＬでよいとありますが、ファ ンアウトの関係からＳ ＴＴＬを使用しないと動作しません。 　また、Ｘ１turboを６ＭＨｚ動作させると高解像度横４０字モードで猛烈なノイズが 発生するので、ウェイトをかけます。回路上はＶＲＡＭアクセス時にウェイトがかかる ようになっているので、それを強化します。ＬＳ３２（ＩＣ２４）の１番ピンに ２７０ｐＦのコンデンサがつながっていますが、この値を大きくすることで遅延時間 を増大させることができます。交換してしまっていつでもウェイトがかかるようでは 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＿＿＿＿＿＿＿ 困るので、Ｓ１０（ＩＣ２２）の未使用ゲートを利用して本体内の２００／４００， ＿＿＿＿＿＿＿　　　　　　　　　　　　＿＿ ６４０／４００，クロックボードの６Ｍ／４Ｍ設定信号のＮＡＮＤを作り、これで ＤＩＰリレーを動かして高解像度横４０字モードの時だけコンデンサの容量を増やし ます。ＤＩＰリレーというのは、普通の１４ピンＩＣとほぼ同じ形をしているリレー のことで、ＴＴＬの出力電流だけで充分動作します。 　この記事は筆者の試作的意味あいも兼ねてあったので、用心のためのウェイト回路 が入っています。これについては記事にも書いてありますが、結局のところ不要でし た。 - §７　改造例その４・Ｘ１turboIIの巻 - - - - - 　Ｘ１turboの改造で気を良くした筆者は、友人に頼まれてＸ１turboIIの改造にも挑 戦しました。 　turboIIでは大部分の回路をゲートアレイ化してあり、分周回路もその中に入ってし まっているのでturboと同じ方法では改造できません。また、ここで分周されたクロッ クの内８ＭＨｚはＦＤのインターフェイスにも供給されているため、１２ＭＨｚに上 がってしまうとフロッピーが読めなくなってしまいます。 　そこで、さっきと同じ様に８ＭＨｚもクロックボードで作成して別供給とし、本体 には２４ＭＨｚと１６ＭＨｚのみを切り替えて入力して本来の分周回路を使用するよ うにします。なお、元のクロックは取り外しておきます。 　また、こちらの改造ではパターンカットが必要になります。２ＭＨｚと８ＭＨｚが ゲートアレイから供給されているのを切断するためです。 　という事で、クロックボードの回路は１６ＭＨｚ／２４ＭＨｚ切り替えと２ＭＨｚ／ ８ＭＨｚ生成だけになります。筆者は前回で「味をしめた」とかで最初からウェイト 回路は入っていませんが、今回も問題は起こりませんでした。しかも、turboIIになっ て回路に余裕ができたのか、高解像度横４０文字モードでのノイズは発生しませんで した。 　turboＺの場合は、更にＦＭ音源が４ＭＨｚを必要とするのでこれも別供給としなけ ればなりません（この記事の回路図では始めから４ＭＨｚの出力があります）。 - §８　最後に - - - - - 　以上で高速化についての解説を終わるのですが、理解できましたでしょうか。冒頭 にも述べましたように、まるっきりの盗作はモラルに反するのでどうしてもうわっつ らの解説になってしまいました。雑誌記事についてはコピーサービスを利用するなど、 できるだけ詳しい内容をちゃんと把握した後で製作に取り掛かってください。すでに 「失敗したら買いなおせばいいや」という時代でもありませんから、愛機を不本意な 結果に終わらさぬよう（ユーザが減ったらＳ−ＯＳＵＣもやりがいが無くなるし）、 くれぐれも気を付けてください。 - §Ａ　参考文献 - - - - - 横田英一：Ｚ−８０の使い方、オーム社 ＳｕｐｅｒＭＺ　基本スペックの詳解、Ｏｈ！ＭＺ８５年１０月号、ソフトバンク Ｘ１turboの回路図公開、Ｏｈ！ＭＺ８５年４月号、ソフトバンク 今雪寛：Ｘ１を６ＭＨｚに！、Ｉ／Ｏ８８年２月号、工学社 今雪寛：Ｘ１turboIIに６ＭＨｚﾀｰﾎﾞﾁｬｰｼﾞｬｰを！、Ｉ／Ｏ８８年６月号、工学社