4ビットコンピューティング

4ビットコンピューティングとは、整数やその他のデータ単位が4ビット幅であるコンピュータアーキテクチャを用いることです。4ビット中央処理装置（CPU）および算術論理装置（ALU）アーキテクチャは、このサイズのレジスタまたはデータバスに基づいています。4ビットのグループはニブルとも呼ばれ、 0から15までの範囲で 2 4 = 16 通りの値を取り得ます。

4ビット計算は大部分が時代遅れです。つまり、CPUは最大サイズとして4ビット、または4ビットデータバスをサポートしていますが、4ビットマイクロコントローラは2025年時点でまだ購入できます。[ 1 ]

4ビットプロセッサは、電子計算機や、電子レジスタ、電子レンジのタイマーなど、10進数演算が用いられる用途で広く使用されていました。これは、4ビット値が1つの2進化10進数（BCD）桁を保持できるため、10進数を直接処理するのに適したサイズだったためです。4ビット値は一般に、実際のプログラムやデータのメモリアドレスを保持するには小さすぎるため、これらのシステムのアドレスバスは一般的に大きくなっていました。例えば、標準的な4ビットマイクロプロセッサであるIntel 4004は、12ビットのアドレス形式を採用していました。

4ビット設計は、集積回路がまだ高価だった時代の短い期間のみ使用され、主にコスト重視の用途で使用されていました。4ビットコンピューティングはほぼ時代遅れですが、4ビット値は開発当初と同じ10進数中心の用途で今も使用されており、現代の実装は一般的にはるかに広範囲に及び、複数の4ビット値を並列に処理します。1990年代までに、このような用途のほとんどは汎用的なバイナリ設計に置き換えられました。

歴史

20ピンPSOP – NEC D63GS:赤外線リモコン送信用4ビットマイクロコントローラ
16ピンDIP – Intel C4004
ナショナルセミコンダクターMAPS MM570Xビットシリアル4ビットマイクロコントローラを搭載したオリンピアCD700デスクトップ電卓
赤外線リモコンPCB – NEC D63GS 4ビットマイクロコントローラによって制御される赤外線リモコン送信機

4ビットプロセッサは制限されているように見えるかもしれませんが、10進数の1桁が4ビットに収まる電卓には適しています。[ 2 ]

最初のマイクロプロセッサのいくつかは4ビットのワード長を持ち、1970年頃に開発されました。最初の商用マイクロプロセッサは、 1971年に電卓アプリケーション向けに開発された2進化10進数（BCDベース）のIntel 4004 [ 3 ] [ 4 ]でした。4ビットのワード長を持ち、8ビットの命令と12ビットのアドレスを持っていました。その後、割り込みサポートやその他の様々な新機能 を追加したIntel 4040が後継となりました。

最初の商用シングルチップコンピュータは、4ビットのテキサスインスツルメンツTMS 1000（1974年）でした。[ 2 ]ハーバードアーキテクチャと8ビット幅の命令を備えた4ビットCPU、オンチップ命令ROM、および4ビットワードのオンチップデータRAMを搭載していました。[ 5 ]

ロックウェルPPS-4は、1972年に発売された初期の4ビットプロセッサの一つで、携帯ゲーム機などで長く使われました。その後も着実に改良が続けられ、1975年には複数のサポートチップと統合され、ワンチップコンピュータとして完成しました。[ 6 ]

4ビットプロセッサはアセンブリ言語またはForthでプログラムされていました。例えば、「MARC4 Family of 4 bit Forth CPU」[ 7 ]（現在は製造中止）は、プログラムのサイズ制約が極端に大きいことと、C言語などの一般的なプログラミング言語（マイクロコントローラ、8ビット以上）が4ビットのデータ型をサポートしていないためです（C、C++などの言語では、データ型のサイズが少なくとも8ビットであることが必要であり、[ 8 ]ビットフィールド以外のすべてのデータ型は、文字サイズの倍数である必要があります[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]）。 char

1970年代には、ポケット電卓などの大衆市場向けに4ビットのソフトウェアアプリケーションが登場しました。1980年代には、コストを抑えるために 携帯型電子ゲームに4ビットマイクロプロセッサが使用されました。

1970 年代から 1980 年代にかけて、多くの研究用および商用コンピュータでビット スライシングが使用されていました。ビット スライシングでは、CPU の算術論理ユニット(ALU) が複数の 4 ビット幅のセクションで構築され、各セクションにはAm2901や74181などのチップが含まれていました。

Zilog Z80（2024年に生産終了）は8ビットのマイクロプロセッサですが、4ビットのALUを備えています。[ 12 ] [ 13 ]

データジェネラル・ノヴァは16ビットのミニコンピュータシリーズであるが、オリジナルのノヴァとノヴァ1200は内部的に4ビットのALU（[ 14 ]ニブルシリアルとも呼ばれる）を使用して4ビットずつ数値を処理していた。[ 15 ]

1984年から2003年にかけて多くのヒューレット・パッカード製電卓（HP 48シリーズ科学電卓を含む）に使用されていたHP Saturnプロセッサは、「4ビット」（または64ビットと4ビットのハイブリッド）マシンです。複数の4ビットワードを連結して例えば20ビットのメモリアドレスを形成し、レジスタのほとんどは64ビット幅で、16個の4ビット桁を格納します。演算はニブルシリアル方式で実行されました。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

さらに、1967年のカシオAL-1000、1972年のシンクレアエグゼクティブ、前述の1984年のHPサターンなどの初期の電卓には、一度に4ビット（BCDの1桁）のレジスタにアクセスする 4ビットのデータパスがありました。 [ 19 ]

用途

National Semiconductor COP410Lは、ローエンドの4ビットマイクロコントローラです。左上に512バイトのROM、右上に128ビットのRAMがあります。クリックすると拡大します。

ある自転車用コンピュータは、「4ビット1チップマイクロコンピュータ」を使用していると明記している。[ 20 ]その他の典型的な用途としては、コーヒーメーカー、赤外線リモコン、[ 21 ]、セキュリティアラームなどがある。[ 22 ]

バービータイプライターの暗号化可能なプロセッサは4ビットのマイクロコントローラです。[ 23 ]

いくつかのメーカーは初期の電子ゲームに4ビットマイクロコントローラを使用していました。[ 24 ]

ウエスタンデジタルは、WD2412時刻クロックのベースとして4ビットマイクロコントローラを使用しました。[ 26 ]

Grundy Newbrainコンピュータは4ビットのマイクロコントローラを使用して、キーボード、テープI/O、および内蔵の16文字のVF英数字ディスプレイを管理します。[ 27 ]

Apple Lisaは4ビットのマイクロコントローラを使用して、キーボード、マウス、RTC、およびソフトパワースイッチを制御します。[ 28 ]

詳細

4ビットで16通りの値を作成できます。1桁の16進数はすべて4ビットで表すことができます。

2 進化 10 進数は、10 進表記法を使用して数値をデジタル符号化する方法であり、各 10 進桁は 4 ビットで表されます。

4ビットプロセッサの一覧

ナショナルセミコンダクター MM5700CA/Dビットシリアル4 ビットマイクロコントローラ

参照

参考文献

  1. ^ 「超低消費電力8ピンフラッシュマイクロコントローラ」（PDF）。RAM 80 × 4ビット
  2. ^ a bケン・シャリフ。「初期のテキサス・インスツルメンツ製計算機チップのRAMストレージのリバースエンジニアリング」。
  3. ^ Mack, Pamela E. (2005年11月30日). 「マイクロコンピュータ革命」 . 2009年12月23日閲覧。
  4. ^ 「コンピューティングカリキュラムの歴史」（PDF） 。 2011年7月19日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2017年6月22日閲覧。
  5. ^ TMS 1000シリーズデータマニュアル(PDF) . Texas Instruments . 1976年12月. 2013年7月20日閲覧。
  6. ^ 「ロックウェルPPS-4」。
  7. ^ 「フォースチップ」www.ultratechnology.com。
  8. ^ ISO/IEC 9899:1999仕様書. p. 20, § 5.2.4.2.1 . 2023年7月24日閲覧。
  9. ^ ISO/IEC 9899:1999仕様書. p. 37, § 6.2.6.1 (4) . 2023年7月24日閲覧。
  10. ^ Cline, Marshall. 「C++ FAQ: バイト、文字、および文字に関するルール」 .
  11. ^ 「4ビット整数」 . cplusplus.com . 2014年11月21日閲覧。
  12. ^島 正敏、フェデリコ・ファギン、ラルフ・ウンガーマン、マイケル・スレーター (2007年4月27日). 「Zilog社の設立とZ80マイクロプロセッサの開発に関するオーラル・ヒストリー・パネル」(PDF) .
  13. ^ Shirriff, Ken. 「Z-80 には 4 ビットの ALU が搭載されています」。
  14. ^ヘンドリー、ガードナー (2002-11-22)。「エドソン（編）D.デ・カストロのオーラル・ヒストリー」（PDF）（インタビュー）。 p. 44.
  15. ^「ノヴァ1200」
  16. ^ 「サターンプロセッサ」 。 2015年12月23日閲覧。
  17. ^ 「Saturnプロセッサガイド」 。 2014年1月14日閲覧。
  18. ^ 「Saturnアセンブリ言語入門」。2014年1月14日閲覧。
  19. ^「デスク電子計算機：カシオ AL-1000」
  20. ^ 「Cateye Commuter マニュアル」（PDF） . 2014年2月11日閲覧。
  21. ^ a b「赤外線リモコン送信用 4ビットシングルチップマイクロコントローラ μPD67、67A、68、68A、69」（PDF） . documentation.renesas.com . 2016年1月6日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。
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  23. ^ポール・ルーヴァースとマーク・シモンズ。暗号博物館。「バービー・タイプライター」、2015年
  24. ^ 「ナショナル・セミコンダクターCOP400」。ショーン・リドル。 2021年12月24日閲覧。
  25. ^ Woerner, Joerg. 「Texas Instruments My Little Computer」 . Datamath Calculator Museum . 2024年6月19日閲覧。
  26. ^ 「1983年コンポーネントカタログ」(PDF) . Western Digital. p. 621 . 2021年12月24日閲覧。
  27. ^ 「COP420 4ビットプロセッサ - Newbrain」 。 2021年12月30日閲覧。
  28. ^ “Apple Lisa 341-0064A (COP421)” . Visual6502 . 2021年12月24日閲覧。
  29. ^ 「MARC4 4ビットマイクロコントローラ - プログラマーズガイド」(PDF) . Atmel . 2014年12月15日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年1月14日閲覧。
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  31. ^ 「製品の販売終了（EOL）通知」（PDF） . Atmel . 2014年3月7日.オリジナル（PDF）から2016年8月7日時点のアーカイブ。
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  36. ^ Cravotta, Robert. 「組み込み処理ディレクトリ」 .
  37. ^ "EM6580" . 2013年12月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年5月12日閲覧。
  38. ^ "EM6580" .
  39. ^ "EM6682" .
  40. ^ Culver, John (2014年9月27日). 「ナショナル・セミコンダクター：COPS以前のCOP」 . www.cpushack.com . 2020年5月28日閲覧。
  41. ^ a b c d e f g h i j k l m nシャープマイクロコンピュータデータブック(PDF) 1990年9月2018年1月5日閲覧。
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