なぜマイクロコントローラーのデータパスは常に2の累乗幅なのですか？

マイクロコントローラーのデータパスは常に2の累乗幅です。4ビット、8、16、32ビットなど。12ビット幅の命令を使用するPICも8ビットコントローラーです。どうして？これにはデザイン上の利点はありますか？12ビットデータバスまたは7ビットコントローラの何が問題になっていますか？

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7ビットはあまり意味がありませんが、それが私に質問を考えさせたものです。その答えは、8ビットの伝統に言及しています。しかし、16ビットは8ビットではなく、24ビットは16ビットだけでなく8ビットのデータも処理できます。24ビットをスキップして32ビットに移行したのはなぜですか？

伝統には強い引きがある。しかし、相互運用性も同様です。ほとんどすべての既存のファイル形式と通信プロトコルはバイトで動作します。7ビットマイクロコントローラーでこれらをどのように処理しますか？

PICは、命令空間を完全に分離し、事前に外部からプログラムすることで、それを回避します。命令セットをビットシェービングすることにはいくつかの価値があります。それは、マイクロプロセッサの設計者として自分自身を制御するために得られる1つのことだからです。

極端なアーキテクチャが必要な場合は、命令セットをハフマンコーディングして、可変長のビット数を与えることができます。

4ビットの実用的な最小値：
0〜9数値データには4ビットの
0〜9 = 10ワードが必要です。
次に大きいバイナリワードサイズ= 4ビット= 16ワード。
したがって、BCDデータ（2進化10進数）= 4ビット

8ビット論理次ジャンプ
0-9、az、AZ = 10 + 26 + 26 = 62ワード。
7ビット= 128ワードで処理できます。
8は7と同じくらい簡単で、2 x 4ビットを許可するので、数値データを8ビットバイトごとに2つパックできます。

次に12ビット（16ではない）？：
次の論理サイズ= 12ビットで、初期の非常に成功したPDP-8は12ビットを使用しました。データとプログラムに使用される12ビットは、2 ^ 12 = 4096のアドレス位置を許可します。ビルゲイツ氏はかつて「4Kのメモリで誰でも十分だ」と言ったことがあるかもしれません。

次のPDP-11ファミリは16ビットを使用しました。

互換性のために倍増。
下位レベルと上位レベルのシステムを相互運用したい場合、および同じファミリでより多くの機能を持つデバイスを使用したい場合、大きなシステムワード内で小さなシステムの2ワードを処理できることは、理にかなっています。

だが

ルールを証明する例外：

「常に」というのはとても強い言葉です:-)以下の
1ビット、12ビット、18ビット、36ビットの例。
18ビットと36ビットのマシンは決してマイクロコントローラーではありませんでした。
1＆12ビットのものでした。

下記の1ビットシステムは、実際には「ランダムビット」システムです。1ビットのデータワードは、基本的には計算によって生成されるgo / no-goフラグであり、プログラムアクティビティを有効または無効にするために使用されます。プログラムカウンターは、必要に応じてコードが有効または無効にされた状態でメモリを周期的に進むアップカウンターです。確かに非常に非常に厄介です。それが市場に登場する頃には、当時の8ビットプロセッサはかなり成熟しており、1ビットプロセッサはあまり意味がありませんでした。私はそれが今までどのくらいの使用を得たかわかりません。

1ビット!!!：

Motorola MC14500Bこのデバイスの最もよい説明について、Jack Gansellから名誉ある言及を受けました:-)

データシート-PDFダウンロードのページをクリックしてください。

12ビット：

ハリスHM-6100別名インターシルIM6100-12ビットミニコンピューターワナビー]（http://www.classiccmp.org/dunfield/other/i6100cfs.pdf）

大成功を収めたDEC PDP-8 12ビットミニコンピューターに基づいています。

概観

• プログラムメモリとデータメモリは同じメモリ空間を占有します。直接アドレス可能なメモリの合計サイズは4 Kワードです。ワードサイズは12ビットです。6100にはスタックメモリがありません。

  プログラムのメモリサイズは4 Kワードです。すべての条件付き命令により、プロセッサは次の命令のみをスキップできます。特定の条件が満たされたときに条件付きでメモリ内の任意のアドレスに移動するには、コードが最初に「条件が満たされない場合はスキップ」命令を実行し、スキップ命令の後に直接または間接の無条件ジャンプ命令を配置する必要があります。無条件命令を使用して、現在のページ（127ワード）内で直接ジャンプしたり、メモリ空間全体（4 Kワード）内で間接的にジャンプしたりできます。6100はサブルーチン呼び出しをサポートしますが、スタックメモリが不足しているため、サブルーチンの戻りアドレスはメモリに保存されます。「サブルーチンから戻る」命令はありません。サブルーチンは間接ジャンプを使用して呼び出し元に戻る必要があります。

  データメモリサイズは4 Kワードです。データは、ゼロページ内（0000h-007Fh）または現在の127ワードページ内で直接アクセスできます。データは、4 Kワードのメモリ内のどこにでも間接的にアクセスできます。

ウィキペディア-Intersil 6100

PDP-8とIntersil 6100には16の非常に豊富な命令がありました。減算命令はありません。
ADD命令はTADDという名前で、2の補数の加算であることを思い出させるため、...減算命令は必要ありません。

18ビット、36ビットその他-PDPファミリ：

ウィキペディアプログラムデータプロセッサ

PDP1-18ビット

PDP2-24ビットが生まれて死亡

PDP3、PDP6-36ビット

PDP-12ユーザーハンドブック（暫定版 -すごい。
番号付けにもかかわらず、これはpre pre PDP16-アナログI / O機能を備えたステロイド上のPDP-8-およびエンジニアリングラボマシンです。必要に応じて無料で入手できましたが、賢明な、または無感覚な場所に取り付けられなかったでしょう。
私がこれまでプレイした最初のコンピューターゲームは、これらの1つでした。
宇宙戦争です。
機械は2つの小さな部屋のサイズのキャビネットにありました。
ドアを開けて中を歩くと内部。

世界のほとんどが、8ビットのチャンクでのコンピューターデータの格納、通信、およびその他の処理に集中しているためです。これは公式の標準ではありませんが、非常に強力なその場限りのものです。

過去には、データパスで8ビット以外の倍数を処理するマシンがありました。例としては、CDC Cyber​​ 6000および7000シリーズ、PDP-8などがあります。CDCマシンは6ビットのバイトを使用し、PDP-8は12ビット幅のワードを備えていて、8ビットの量を処理する特別な方法はありませんでした。もちろん、このカテゴリには他のマシンもありました。あなたが今日それらについてあまり聞いていない理由は、人々が彼らの8ビットバイトをうまく処理できるマシンを望んでいると決めたからです、そしてそれはメーカーが作るものです。7ビットマイクロコントローラーはどれくらい売れると思いますか。それを作った人はだれでもばかげて、それから少数の顧客を見つけるでしょう。それは愚かな事業命題になるでしょう。

インターネットの標準を見ると、8ビット以外の「バイト」の証拠がいくつかあります。彼らが意図的に「オクテット」という用語を使用しているのは、当時はバイトが常に8ビットであるという普遍的な合意がなかったためです。現在、バイトの意味は8バイナリビットを意味するように収束しており、それを別の方法で使用しようとすると、町の外で笑われるでしょう。

この一般的な設計を選択する理由として、多くの後方互換性と少し効率が混在しています。

データパスの幅が7ビットの場合、そのパスの特定のラインを表すには3ビットが必要です。3ビットを無駄にするつもりなので、効率を上げるためと、クラッシュするバグにつながる可能性のあるデッドパスを排除するために、それらを完全に使い切ることもできます。

最も一般的なデータタイプは4ビットニブルに基づいており、それらのほとんどは8ビットバイトに基づいています。代替ベースを使用することを選択すると、一般的なデータ型を処理するために、奇妙で非効率的なコードに頼らなければならない場合があります。たとえば、私の7ビットコンピュータでは、今日の業界で非常に一般的な32ビットの数値（浮動小数点を含む）を処理するために5つのメモリ領域が必要になります。

私のマシンが外部データに依存していなければ、おそらくそれでうまくいくでしょうが、モーターコントローラー、エンコーダー、温度センサー、およびほとんどの実世界のインターフェイスデバイスとセンサーは、このような標準ユニットをサポートしています。

7ビットのコンピューターをUSBポートに接続するのは不可能ではありませんが、多くの追加のテストを実行し、32ビットのデータ型に対するこれらの5ユニットのトランザクションすべてを処理する多くの命令を実行することになります。データパスにもう1つ追加し、他の業界と一致しました。

ビットアドレッシングの効率のために、それは主に始まり、現在の形式に合体しました、それが根本的な原因です。たとえば、3台のコンピューターを作成する場合（ビットごとに2つの状態ではなく3つの状態）、3、9、27、81などで最も効率的なビットサイズが表示されます。バイナリシステムとのより密接な互換性を提供するために、18、24、33、および66。

ビット数でビット数を指定できるので簡単です。これはパーラートリックのように見えるかもしれませんが、命令セットは常にそれを行います。「左シフト」命令の例を考えてみましょう：

SHL R1,4

2のべき乗であるビット数がある場合、無駄なく固定数のビットでオペランドをエンコードできます。

私のデジタルエレクトロニクスに関する知識に関しては、その理由は明白です。問題は、すべてのデジタルシステムで2進数システムの概念を利用していることです。つまり、2つの操作レベル、つまり0または1しかありません。したがって、ハードウェアレベルで可能な組み合わせは、0と1の組み合わせでなければなりません。したがって、4つの異なるタスクを実行する必要がある場合は、2つの変数が必要です。32タスクの場合は5つの変数が必要になります（ロジックは2 ^ nで、nは変数の数です）。したがって、2つのレベルしか扱っていないので、2の累乗としての組み合わせしか持たないことになり、その結果、2、4、8、16、32、64、128、256などが含まれることになります。 ..

私は他の答えだけを抜粋したことを認めますが、1つの重要な詳細は間接的にしか扱われていないようです：ロジックの速度とコンパクトさ。

24ビット値を連続してパックし、バイトアドレス方式でそれらにアクセスできるようにする場合、処理ロジックはワードアクセスのために3で除算する必要があります。除算は、特に2の累乗でない限り、ロジックで実行するにはかなりコストがかかります（お気に入りのプロセッサリファレンスを確認してください-除算命令は低速です）。その場合は、最下位ビットを無視するだけです（ソフトウェアはビットシフトによって行います）。これは、アラインメントされたアクセスを好む基本的な理由と同じです。

もちろん、これらの制限の周りでプロセッサを設計することも可能です。おそらく、ワードアクセスを4番目のアドレス値としてエンコードすることもできます（3バイトから選択するために2ビットが必要なため）。 DSP（GPUなど）。しかし、それはCPUの標準ではありません。また、BCD番号と同様の処理が必要なバイト配列アクセスの奇妙な4/3ステッピングが発生します。したがって、8ビットバイトの代わりに3x8ビットベクトルの配列を処理する方がはるかに効率的です。