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パーカー・ブラザーズのMerlin (電子ゲーム)に搭載されたテキサス・インスツルメンツ TMS1100 マイクロコントローラー

TMS1000は、1974年にテキサス・インスツルメンツ（TI）によって発売されたマイクロコントローラーのファミリーである^[1]^[2]^[3]。

完全な「ワンチップ上のコンピューター」として4ビットのCPU、Read only memory（ROM）、Random Access Memory（RAM）、そして入出力端子（I/O）を統合していた。 TMS1000は、自動車、家電、ゲーム、そして測定機器の中の組み込みシステムを対象としていた。

TMS1000は、最初に大量に使用された商用マイクロコントローラーであった（後述のように前身のTMS0100シリーズはマイクロコントローラと見なされないこともあるため）。 1974年にこのファミリーのチップは、一個約2ドルで大量購入可能であった^[4]。 1979年までにこのファミリーの約2600万個が毎年売られていた^[5]。

TMS1000は、テキサス・インスツルメンツ自社の教育玩具Speak & Spell（英語版）^[4]、プログラム可能な玩具の自動車Big Trak（英語版）、そして電子ゲーム「サイモン」^[6]で使用された。

歴史

TMS 0100 シリーズ

→詳細は「テキサス・インスツルメンツ TMS0100シリーズ」を参照

ここでは TMS 1000 シリーズの前身であるTMS 0100 シリーズに簡単に触れる。

スミソニアン博物館は、テキサス・インスツルメンツの技術者であるゲアリー・ブーン（Gary Boone）とマイケル・コクラン（Michael Cochran）が1971年に世界初のマイクロコントローラー（マイクロコンピューターとも呼ばれる）TMS1802NCの開発に成功したとしている。

TMS1802NCは、1971年9月17日に発表されたシングルチップのマイクロコントローラーであり、四則演算電卓のプログラムが内蔵されていた。 TMS1802NCは、その名称にもかかわらず、TMS 1000 シリーズではなかった。 TI Datamath電卓とSinclair Executive（英語版）電卓に使用された。後にTMS1802NCは、TMS 0100 シリーズ^[7]の一部として TMS0102 と再命名された^[8]。

TMS0100シリーズはマイクロコントローラとみなされないこともある^[9]。電卓以外の用途で利用できず、ユーザーが作ったプログラムを実行することができないからである。

TMS 1000 シリーズ

TMS 1000 シリーズは、1974年に発売された。 TI社は、4ビットのTMS1000がプログラム済みの組み込み用途であることを強調した^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]。

ワンチップ上のコンピューター（computer-on-a-chip）は、マイクロプロセッサコア（CPU）、メモリ、そしてI/O（入出力）端子を一つのチップに統合した。当時、「マイクロコンピューター特許（microcomputer patent）」と呼ばれたワンチップ上のコンピューターの特許アメリカ合衆国特許第 4,074,351号は、TI社のゲアリー・ブーンとマイケル・J・コクランに与えられた。この特許は別にして、マイクロコンピューターの通常の意味は、CPUとして一つ以上のマイクロプロセッサを使ったコンピューターのことであるが、この特許で定義された概念は、マイクロコントローラーに似たものである。

解説

TMS1000ファミリーは、最終的にオリジナルのPMOSロジックだけでなく、NMOSロジックとCMOSロジックの品種も含まれるようになった。各種製品は、異なる大きさのROMとRAM、異なるI/Oの数、そして開発向けあるいは外部ROMを使用するROMなし版を含んでいた。オリジナルのTMS1000は、1024バイトのROM、64ニブルのRAM、そして23の入出力端子を備えていた。

TMS1000ファミリーは、マスクROMを使った。ユーザーがデバッグされたプログラムを生産に委託する準備ができたら、テキサス・インスツルメンツへプログラムを送ることになる。テキサス・インスツルメンツは、チップ内のROMをプログラムするための特製マスクを作る。 ROMは、現場で変更できない。その内容は、製造者によってチップ内に置かれたパターンによって決定された。この過程は、高額な初期費用がかかったが、製造費用は非常に安かったので、大量生産品（年間数千個以上販売される）に向いていた。

プロセッサの全てのデータパス（RAMへのパス）は、4ビット幅（ニブル）だった。ハーバードアーキテクチャのようにプログラムROMとデータRAMのアドレスは分かれていた。ハーバードアーキテクチャは、他の多くの製造者によるマイクロコントローラーの一般的な特徴になった。

ALUは、オーバーフローを示すためにキャリーフラグを搭載しており、2倍の精度（つまり8ビット）の計算の手助けになった。チップ内蔵RAMは、XレジスタとYレジスタによってアドレッシングされた。ここでYレジスタは4ビットであり、XレジスタはRAMのサイズに依存して2ビットあるいは3ビットだった。プログラムカウンターは、6ビット幅だった。1024バイトまでのプログラム用メモリであるROMにアドレスするためにpageレジスタ（4ビット）も搭載していた。 TMS1000ファミリーの一部は、2048バイトまでのROMを扱えるようにchapterビットを搭載していた^[15]。

スタックはなかったが、プログラムカウンターを保存するためのレジスタが提供された。そして、1レベルのサブルーチンのためにキャリーフラグが利用可能であった（TMS1000ファミリーの一部は、2あるいは3レベルのサブルーチンが利用できた）。割り込み機能はなかった。

一部のモデルは、4つのI/O端子しか搭載していなかった。なぜなら、それらのモデルは、ROMを内蔵していなかったので、外部プログラムメモリにアクセスするためにパッケージの限られた数の端子を使う必要があったからである。あるバージョンは、蛍光表示管を駆動するための特別な出力を搭載していた。そして、7セグメントディスプレイを駆動するのに役立つPLAを搭載しているモデルもあった。 4つの入力端子がキーボード検出などの目的で提供された。そして、可変数の出力端子は、外部デバイスの制御あるいはキーボードのROWをスキャンするために提供された。

PMOS版は、-9 Vあるいは-15 Vで動作し、およそ6 mAを消費した。そのため、出力ロジックレベルは、TTLと互換性がなかった。 NMOS版とCMOS版は、TTLと同じ電圧の+5 Vで動作したので、5 Vロジックとの相互運用が可能であった。

命令セットはモデルによって多少変化した。基本命令セットは43命令であり、TMS1000ファミリーの一部は54命令が利用可能だった。命令長は8ビットだった。 BCD演算命令が提供されたが、レジスタのANDあるいはOR論理演算をするために利用できる命令はなかった。サブルーチンは、一部のモデルで1レベルに制限された（サブルーチンは他のサブルーチンを呼べない）。他のモデルでは2あるいは3レベルが利用可能であった。

一つの命令は、NMOS版やPMOS版で実行するのに10から15マイクロ秒必要だった。しかし、一部のCMOS版は6マイクロ秒程度の速さで実行できた。内部発振器は、約0.3 MHzの実効クロック速度を提供した。

TMS1000は、28または40ピンのスルーホールDIPパッケージに収められていた。しかし、製品試作用の一部のモデルは、64ピンパッケージであった。全モデルは、摂氏0度から摂氏70度の範囲の温度で動作した。

TMS1000は、単一チップの組み込みシステムを意図していたので、TMS1000ファミリーのために特別に作られた特別なサポートチップ（UARTなど）は存在しない^[16]。

出典

^ Texas Instruments (2006年). “Texas Instruments History 1970's”. 18 January 2006時点のオリジナルよりアーカイブ。23 February 2023閲覧。 “1974: Introduces TMS1000 one-chip microcomputer.”
^ Texas Instruments (2005年). “TMS 1000 One-Chip Microcomputers”. 13 February 2005時点のオリジナルよりアーカイブ。23 February 2023閲覧。 This is Texas Instruments' original 1974 announcement of the TMS1000 family.
^ Siewiorek, Daniel P.; Bell, C. Gordon; Newell, Allen, eds (1982). “Part 3: Computer Classes, Section 1: Monolithic Microcomputers”. Computer Structures: Principles and Examples. McGraw-Hill. p. 583. ISBN 0-07-057302-6 8 November 2017閲覧. "The TMS1000 was introduced in 1974 and used in the SR-16 calculator."
^ ^a ^b Zurawski, Richard (2009). Embedded Systems Handbook: Embedded Systems Design and Verification (2nd ed.). CRC Press. pp. 12–13. ISBN 978-1439807637
^ Morton Jr., David L.; Gabriel, Joseph (2007). Electronics: The Life Story of a Technology. JHU Press. pp. 113. ISBN 978-0801887734
^ Austin, Michael (2016). “Ch. 1”. Music Video Games: Performance, Politics, and Play. Bloomsbury Publishing. ISBN 978-1501308505
^ Texas Instruments Calculator Chips (Calculator Technical Information)
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^ 1974: GENERAL-PURPOSE MICROCONTROLLER FAMILY IS ANNOUNCED (Computer History Museum)
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^ U.S. Patent no. 4,074,351 (TMS1802NC.)
^ Shirriff, Ken (August 30, 2016). “The Surprising Story of the First Microprocessors”. IEEE Spectrum 53 (9): 48–54. doi:10.1109/MSPEC.2016.7551353.
^ Augarten, Stan (1983). The Most Widely Used Computer on a Chip: The TMS 1000. New Haven and New York: Ticknor & Fields. ISBN 0-89919-195-9. オリジナルの2010-02-17時点におけるアーカイブ。 2009年12月23日閲覧。
^ "STANDARD CALCULATOR ON A CHIP ANNOUNCED BY TEXAS INSTRUMENTS" (Press release). Texas Instruments. 19 September 1971. 2006年2月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
^ TMS 1000 Series Data Manual, 3.2 ROM OPERATION
^ Money, S. A. (2014). Microprocessor Data Book (2nd ed.). Academic Press. pp. 35–37. ISBN 978-1483268705

参考文献

[1] Texas Instruments (2006年). “Texas Instruments History 1970's”. 18 January 2006時点のオリジナルよりアーカイブ。23 February 2023閲覧。 “1974: Introduces TMS1000 one-chip microcomputer.”

[2] Texas Instruments (2005年). “TMS 1000 One-Chip Microcomputers”. 13 February 2005時点のオリジナルよりアーカイブ。23 February 2023閲覧。 This is Texas Instruments' original 1974 announcement of the TMS1000 family.

[3] Siewiorek, Daniel P.; Bell, C. Gordon; Newell, Allen, eds (1982). “Part 3: Computer Classes, Section 1: Monolithic Microcomputers”. Computer Structures: Principles and Examples. McGraw-Hill. p. 583. ISBN 0-07-057302-6 8 November 2017閲覧. "The TMS1000 was introduced in 1974 and used in the SR-16 calculator."

[RZ09-4] Zurawski, Richard (2009). Embedded Systems Handbook: Embedded Systems Design and Verification (2nd ed.). CRC Press. pp. 12–13. ISBN 978-1439807637

[5] Morton Jr., David L.; Gabriel, Joseph (2007). Electronics: The Life Story of a Technology. JHU Press. pp. 113. ISBN 978-0801887734

[6] Austin, Michael (2016). “Ch. 1”. Music Video Games: Performance, Politics, and Play. Bloomsbury Publishing. ISBN 978-1501308505

[ti_calc_chips-7] Texas Instruments Calculator Chips (Calculator Technical Information)

[8] "The Arrival of the "Calculator-on-a-Chip".

[9] 1974: GENERAL-PURPOSE MICROCONTROLLER FAMILY IS ANNOUNCED (Computer History Museum)

[10] Seitz, Frederick; Einspruch, Norman G. (1998). Electronic Genie: The Tangled History of Silicon. University of Illinois Press. pp. 229. ISBN 0252023838 "Electronic Genie: The Tangled History of Silicon", Frederick Seitz, Norman G.. Einspruch, University of Illinois

[11] U.S. Patent no. 4,074,351 (TMS1802NC.)

[12] Shirriff, Ken (August 30, 2016). “The Surprising Story of the First Microprocessors”. IEEE Spectrum 53 (9): 48–54. doi:10.1109/MSPEC.2016.7551353.

[13] Augarten, Stan (1983). The Most Widely Used Computer on a Chip: The TMS 1000. New Haven and New York: Ticknor & Fields. ISBN 0-89919-195-9. オリジナルの2010-02-17時点におけるアーカイブ。 2009年12月23日閲覧。

[14] "STANDARD CALCULATOR ON A CHIP ANNOUNCED BY TEXAS INSTRUMENTS" (Press release). Texas Instruments. 19 September 1971. 2006年2月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[15] TMS 1000 Series Data Manual, 3.2 ROM OPERATION

[16] Money, S. A. (2014). Microprocessor Data Book (2nd ed.). Academic Press. pp. 35–37. ISBN 978-1483268705

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テキサス・インスツルメンツ TMS1000

歴史

TMS 0100 シリーズ

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