i8080のDAA回路について

8080のDAAについては、きちんと説明された資料が無い。また、インテルとNECではDAA実行後のAC（Auxiliary Carry またはハーフキャリーとも言う）の挙動に違いがあり、非互換部分と言われている。DAA命令の動作の詳細と共に、この非互換部分について考察する。

DAA

DAA命令は、直前のADD、INCなどの加算の結果をPackedBCD補正する。
以下、Accの下位4ビットを下位桁、上位4ビットを上位桁と呼ぶ。

※直前の演算はADD、ADC、INR Aなど、加算であればよいが、加算する数値それぞれがPackedBCDとして適切な内容である必要がある。

動作は次の通り

１．DAA命令実行前にACが立っているか、又はAcc（アキュムレータ）の下位4ビット（下位桁）が0xA～0xFの場合Accに0x06を加算する。
２．その後CY（キャリー）が立っているか、又は上位4ビット（上位桁）が0xA～0xFの場合Accに0x60を加算し、CYを立てる。

解説

DAAの前にACが立っている時、下位桁同士の加算の結果は10進で16～19（最大で9+9+CY=19、ADCの場合）なので、Accの下位桁は0～3になっているはずである。つまり下位桁同士の加算の結果が16進で0x10～0x13だった事を示している。下位桁から上位桁への桁あふれがあったからACが立っているのである。これをPackedBCDに補正するためにAccに0x06を足す。
ACが立っていない時も、下位桁が0xA～0xF（10進で10～15）なら同様にAccに0x06を足す。

この時にAccが桁あふれしたらCYを立てる。桁あふれが無かったらCYはそのまま変更しない。
下位桁の補正の結果、上位桁が0xA～0xFか、またはCYが立っている場合Accに0x60を足して補正する。
補正をしたらCYを立てる。

※　例えば0x99+0x61の場合、加算結果は0xFA（CY=0）になるが、下位桁のみ補正した場合Accが0x00になってCYが立つ。その後上位桁補正時はCYが立っているから補正されてAccが0x60でCY=1、つまり0x160になる。

DAA実行前にACが落ちていて、かつ下位桁が10進で10～15の時は6を足す事により下位桁を0～5にして、上位桁に桁上がり（Accの補正時の下位桁→上位桁の桁上がりがあったという事）を伝える。そのためにAccに8ビットの0x06を足すのである。これを下位4ビットに0x6を足すように表現している解説もあるが、ACやCYの変化も考えるとAccに0x06を足すのが正解。

※　DAA実行前にACが立っている時は、下位桁の補正によって上位桁への桁上がりが発生する事はない。ACが立っているという事は直前の加算の結果下位桁は0～3になっているはずだから。
　　この時の桁上がりをDAA実行後にACに反映するかどうかがNECとインテルの非互換の部分である。

上位桁の補正が必要かどうかは、下位桁の補正の結果で判定する。補正が必要という事は上位桁が10～15か、16～19（つまり0～3でCYが立っているという事）だという意味なので、どちらにしてもキャリーを立てる必要がある。
補正をしなかった場合はキャリーを保存するが、補正の必要が無かったという事はキャリーは立っていなかったという事なので、補正しなかった場合はキャリーをいじる必要は無い。
直前の加算でCYが立っている場合というのは、例えば0x90+0x90で結果0x20＋CYなどの場合なので、補正した結果0x80+CY、つまり0x180になる。90+90=180なので、これでPackedBCDとして正しい。

回路

i8080のDAA命令は、実行が4サイクル。最初の３サイクルは命令フェッチとデコードなので、1サイクルで処理しなくてはいけない。という事は途中経過をラッチするタイミングが無い。これを踏まえると以下のような回路になると思われる。

DAA部分の回路

入力はAccとAC、CYの10ビット。出力はAccに書き戻す値とCY補正後のAC。この補正後のACはインテル版は書き戻しているが、NEC版は書き戻していないと思われる。

まごころせいじつ堂「NEC uPD8080AのDAA命令調査　ADD編」

上位桁の補正が必要かどうか、下位桁からの桁上がりも含めて、Accからの入力から求めているので、INC部分の遅延が問題にならないようにしてある。

ADD6

6を加算する回路。一般に定数の加算回路は通常の加算回路よりも規模が小さくなる。入力に加算する/しない信号があり、加算しない場合入力をそのまま出力する。

INC

下位の補正の結果ビット３→ビット４に桁上がりが発生したときに、上位桁にそれを加えるための回路。

上記LogoSimドキュメントはDAA.circから右クリックで保存してください。