【GMC-4】命令の実行速度を調べる

学研の4ビットマイコンGMC-4の命令の実行速度が気になったので調べてみた。
ついでに互換機やシミュレータについても調べてみた。

測定対象

今回は、以下の5種類について実験を行った。

• FX-マイコン (学研電子ブロックFX-SYSTEM FX-マイコンR-165)
• GMC-4 (大人の科学マガジン Vol.24 のふろく)
• ORANGE-4
• FX-マイコン シミュレータ
• GMC-4 シミュレータ

シミュレータの実行環境は以下である。

Windows 10 Home 21H2 (64ビット)
Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @2.60GHz 2.59GHz
RAM 16.0GB

測定方法

以下のプログラムにより測定を行った。
なお、このプログラムはMikeAssemblerによるアセンブルが可能である。

target gmc4

	TIA 1
	TIY 3
INIT_ONE_LOOP:
	AM
	AIY -1
	JUMP INIT_ONE_LOOP
INPUT_WAIT:
	KA
	JUMP INPUT_WAIT
	CY
	TIA 0
	JUMP INIT_START
INIT_LOOP:
	AM
INIT_START:
	AIY -1
	JUMP INIT_LOOP

	CAL SHTS
MAIN_LOOP:
	; 実行時間を計る命令を追加する場合、ここに入れる
	; ループのカウントを行う
	TIY 0
	MA
	AIA -1
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 1
	MA
	AIA -1
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 2
	MA
	AIA -1
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 3
	MA
	AIA -1
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP

	CAL SHTS
END:
	JUMP END

以下がこのプログラムの機械語表現である。

  | 0 1 2 3  4 5 6 7  8 9 A B  C D E F
--+-----------------------------------
0 | 8 1 A 3  4 B F F  0 4 0 F  0 A 3 8
1 | 0 F 1 5  4 B F F  1 4 E 9  A 0 5 9
2 | F 4 C 0  F 1 C A  1 5 9 F  4 C 0 F
3 | 1 C A 2  5 9 F 4  C 0 F 1  C A 3 5
4 | 9 F 4 C  0 F 1 C  E 9 F 4  A

まず、負荷量の設定を行う。
今回のプログラムでは、最大4重のループを用いる。
ループ回数を決めるカウンタをとりあえず全て1 (1回実行する) に初期化し、
キー入力された個数のカウンタを0 (16回実行する) に書き換える。
入力は0～4が有効である。

キー入力を行うと、ループ処理が実行される。
各ループは以下のブロックで表現され、同じ構造のブロックが4個連なっている。

	TIY (0-3)       ; ループカウンタを選択する
	MA              ; ループカウンタをAレジスタに読み出す
	AIA -1          ; ループカウンタをデクリメントする
	AM              ; ループカウンタを保存する
	CIA 0           ; ループカウンタが0かをチェックする
	JUMP MAIN_LOOP  ; ループカウンタが0でなければ、ループを続行する

今回はこのブロックを何回実行するかを計算し、それに基づいて1秒あたりの命令実行数を計算することにした。
1命令の実行時間は命令の種類や実行結果(ジャンプするかどうかなど)によって変わることが予想されるが、簡単のため今回は無視することにした。

さらに、ループ処理の前後で CAL SHTS 命令により音を鳴らすようにした。
これらの音を録音し、最初の音が鳴り始めてから2番目の音が鳴り始めるまでの時間を調べることにより、命令の実行時間を計測することにした。
この時間には、ループ処理にかかる時間に加え、CAL SHTS 命令1回分の実行時間も含まれる。
そこで、ループの回数を変えて時間を測定し、連立方程式を解くことで、CAL SHTS命令の実行時間とループ処理の実行時間に分けることにした。

• 1種類目におけるブロックの実行回数を $n_1$
• 1種類目の実行時間を $t_1$
• 2種類目におけるブロックの実行回数を $n_2$
• 2種類目の実行時間を $t_2$
• CAL SHTS 命令の実行時間を $s$
• ブロック1回あたりの実行時間を $b$

とおくと $s + n_1 b = t_1, s + n_2 b = t_2$ と表せるので、これを解けば $s, b$ の値が求まる。

ブロックの実行回数

負荷設定0

各ブロックを1回ずつ実行するので、実行回数は4回である。

負荷設定1

• 最初のブロックを16回実行する
• 2～4番目のブロックを1回ずつ実行する

よって、実行回数は19回である。

負荷設定2

• 2番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
  • 最初のブロックを16回実行する
  • 2番目のブロックを1回実行する
• 3番目・4番目のブロックを1回ずつ実行する

よって、実行回数は$(16+1)\times 16 + 1 + 1 = 274$回である。

負荷設定3

• 3番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
  • 2番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
    • 最初のブロックを16回実行する
    • 2番目のブロックを1回実行する
  • 3番目のブロックを1回実行する
• 4番目のブロックを1回実行する

よって、実行回数は$((16+1)\times 16 + 1)\times 16 + 1 = 4369$回である。

負荷設定4

• 4番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
  • 3番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
    • 2番目のブロックのループにより、以下を16回実行する
      • 最初のブロックを16回実行する
      • 2番目のブロックを1回実行する
    • 3番目のブロックを1回実行する
  • 4番目のブロックを1回実行する

よって、実行回数は$(((16+1)\times 16 + 1)\times 16 + 1)\times 16 = 69904$回である。

測定結果

実行時間の測定結果は、以下のようになった。
なお、本来は複数回測定して平均を取るべきだろうが、今回は簡単のため1回のみ測定した。

実行環境	負荷設定0	負荷設定1	負荷設定2	負荷設定3	負荷設定4
FX-マイコン	-	0.492秒	2.826秒	-	-
GMC-4	-	-	0.615秒	5.236秒	-
ORANGE-4	-	-	-	0.514秒	2.970秒
FX-マイコン シミュレータ	-	2.315秒	27.822秒	-	-
GMC-4 シミュレータ	-	-	-	0.320秒	0.340秒

この測定結果から実行時間を求め、1秒あたりの命令実行数に換算すると、以下のようになった。
1ブロックが6命令からなることを利用している。

実行環境	CAL SHTS命令の実行時間	1ブロックあたりの実行時間	1秒あたりの命令実行数
FX-マイコン	0.318秒	0.00915秒	656命令
GMC-4	0.306秒	0.00113秒	5317命令
ORANGE-4	0.350秒	0.0000375秒	160102命令
FX-マイコン シミュレータ	0.414秒	0.100秒	60命令
GMC-4 シミュレータ	0.319秒	0.000000305秒	19660500命令

すなわち、

• GMC-4は1秒あたり約5k命令実行できる
• FX-マイコンはGMC-4の約8分の1の実行速度
• ORANGE-4はGMC-4の約30倍速い
• GMC-4 シミュレータはGMC-4の約3700倍速い
• FX-マイコン シミュレータはGMC-4の約90分の1の実行速度

という結果になった。

7セグメントLEDを点灯させての測定

FX-マイコンは7セグメントLEDを点灯させると実行速度が落ちるようだったので、
先程のプログラムの最初の TIA 1 の次に AO を挿入し、
7セグメントLEDを点灯させるようにしたプログラムで再度測定を行ってみた。
以下がこの変更を行ったプログラムの機械語表現である。

  | 0 1 2 3  4 5 6 7  8 9 A B  C D E F
--+-----------------------------------
0 | 8 1 1 A  3 4 B F  F 0 5 0  F 0 B 3
1 | 8 0 F 1  6 4 B F  F 1 5 E  9 A 0 5
2 | 9 F 4 C  0 F 1 D  A 1 5 9  F 4 C 0
3 | F 1 D A  2 5 9 F  4 C 0 F  1 D A 3
4 | 5 9 F 4  C 0 F 1  D E 9 F  4 B

同様に1回ずつ測定を行った結果、以下の測定結果が得られた。

実行環境	負荷設定0	負荷設定1	負荷設定2	負荷設定3	負荷設定4
FX-マイコン	-	0.565秒	3.845秒	-	-
GMC-4	-	-	0.614秒	5.237秒	-
ORANGE-4	-	-	-	0.471秒	3.080秒
FX-マイコン シミュレータ	-	2.306秒	27.908秒	-	-
GMC-4 シミュレータ	-	-	-	0.329秒	0.350秒

この測定結果から実行時間を求め､1秒あたりの命令実行数に換算すると､以下のようになった｡
1ブロックが6命令からなることを利用している｡

実行環境	CAL SHTS命令の実行時間	1ブロックあたりの実行時間	1秒あたりの命令実行数	実行速度(消灯時比)
FX-マイコン	0.321秒	0.0129秒	466命令	71.2%
GMC-4	0.305秒	0.00113秒	5315命令	100.0%
ORANGE-4	0.297秒	0.0000398秒	150713命令	94.1%
FX-マイコン シミュレータ	0.398秒	0.100秒	60命令	99.6%
GMC-4 シミュレータ	0.328秒	0.000000320秒	18724286命令	95.2%

• FX-マイコンでは、約30%という顕著な速度の低下がみられた。
• GMC-4では、速度はほとんど変わらなかった。
• ORANGE-4では、5%程度の速度の低下がみられた。
• FX-マイコン シミュレータでは、速度はほとんど変わらなかった。
  • 「動作をできるだけ忠実に再現しました」と主張しているが、ここは再現できなかったようだ。(そもそも遅いし)
• GMC-4 シミュレータでは、5%程度の速度の低下がみられた。
  • 測定された時間が短いため、実行時の他のタスクの違いなど誤差の可能性も考えられる。

ORANGE-4における7セグメントLEDの点灯による実行速度の低下を確かめるため、
以下のプログラムでPORT1へ0/1の出力を繰り返し、オシロスコープ FNIRSI-1013D で周波数を測定した。

target orange4

	ldyi 1
	ldi 0
	ioctrl
loop:
	ldi 1
	out
	ldi 0
	out
	jmpf loop

以下がこのプログラムの機械語表現である。

  | 0 1 2 3  4 5 6 7  8 9 A B  C D E F
--+-----------------------------------
0 | A 1 8 0  F 7 0 8  1 F 7 1  8 0 F 7
1 | 1 F 0 7

以下が測定結果である。

さらに、最初の ldi 0 の次に outn 命令を追加し、
7セグメントLEDを点灯させる以下のプログラム(機械語表現)について、同様に測定した。

  | 0 1 2 3  4 5 6 7  8 9 A B  C D E F
--+-----------------------------------
0 | A 1 8 0  1 F 7 0  8 1 F 7  1 8 0 F
1 | 7 1 F 0  8

以下が測定結果である。

7セグメントLED消灯時は28.3kHzであるのに対し、7セグメントLED点灯時は27.1kHzとなっており、95.8%の実行速度となっている。
ORANGE-4では7セグメントLEDを点灯させると約5%速度が低下することを、別の形でも確かめることができた。

GMC-4 シミュレータの追加検証

GMC-4 シミュレータは他と比べて非常に高速で動作し、負荷設定4でも1秒未満で実行できた。
そこで、プログラムの入力部分を削ることで容量を確保し、負荷設定5および負荷設定6相当で検証を行った。

以下が検証用のプログラムである。(GMC-4 シミュレータ上で直接アセンブルできる)

	; 7セグメントLEDを点灯させる際､コメントアウトを解除する
	;AO
	CAL SHTS
MAIN_LOOP:
	; ループのカウントを行う
	TIY 0
	MA
	AIA 0xF
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 1
	MA
	AIA 0xF
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 2
	MA
	AIA 0xF
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 3
	MA
	AIA 0xF
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	TIY 4
	MA
	AIA 0xF
	AM
	CIA 0
	JUMP MAIN_LOOP
	; 負荷設定6にする際､コメントアウトを解除する
	;TIY 5
	;MA
	;AIA 0xF
	;AM
	;CIA 0
	;JUMP MAIN_LOOP

	CAL SHTS
END:
	JUMP END
	
	ORG 0x50
	DN 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0

1回ずつ測定を行った結果、以下の測定結果が得られた。

実行環境	負荷設定5	負荷設定6
GMC-4 シミュレータ (7セグメントLED消灯)	0.680秒	6.180秒
GMC-4 シミュレータ (7セグメントLED点灯)	0.690秒	6.180秒

また、負荷設定5の実行回数は、
「負荷設定4の処理と最後のブロック」を16回実行するので $(69904 + 1) \times 16 = 1118480$ 回
負荷設定6の実行回数は､
｢負荷設定5の処理と最後のブロック｣を16回実行するので $(1118480 + 1) \times 16 = 17895696$ 回
となる。

この測定結果から実行時間を求め､1秒あたりの命令実行数に換算すると､以下のようになった｡
1ブロックが6命令からなることを利用している｡

実行環境	CAL SHTS命令の実行時間	1ブロックあたりの実行時間	1秒あたりの命令実行数
GMC-4 シミュレータ (7セグメントLED消灯)	0.313秒	0.000000328秒	18302417命令
GMC-4 シミュレータ (7セグメントLED点灯)	0.324秒	0.000000327秒	18335755命令

7セグメントLED点灯時の実行速度は7セグメントLED消灯時の100.2%となり、ほとんど差がないという結果になった。
負荷設定4までの実験と比べてある程度の実行時間を確保できており、より信頼できると考えられる。

結論

今回の実験では、各実行環境の実行速度は以下のようになった。
なお、実行にかかる時間は命令や条件によって変わる可能性がある。

実行環境	実行速度 (7セグメントLED消灯時)	7セグメントLED点灯による 実行速度の低下
FX-マイコン	656命令/s	約30%
GMC-4	5.31k命令/s	見られず
ORANGE-4	160k命令/s	約5%
FX-マイコン シミュレータ	60.0命令/s	見られず
GMC-4 シミュレータ	18.3M命令/s	見られず

参考になれば幸いである｡