【Z80】8255 PPIの特徴とピンの役割

マイコンと周辺装置を接続して、データーの入出力を行うための入出力インターフェースである「8255 PPI」の特徴とピンの役割を紹介します。

入出力インターフェース（パラレルインターフェース）

8255 PPI（Programmable Peripheral Interface）は、マイコンと周辺装置を接続して、データーの入出力を行うための入出力インターフェース（パラレルインターフェース）です。1970年代前半、インテルによって8ビットCPUである8080A用のLSIとして開発されました。8080Aは、内部に入出力インターフェース回路を持たないため、外付けの8255 PPIを通して、7セグメントLEDやキースイッチ、ブザーなどの周辺装置を接続していました。8255 PPIは、Z80の入出力インターフェースとして外付けすることも可能です。

8255 PPIの外観

8255 PPIは、パッケージ（黒い樹脂）の両長辺から金属のピン（端子）がでている「DIP（Dual In-line Package）」という形状をしています。ピンの数は40ピンです。

8255 PPIの特徴

8255 PPIには、3組の8ビット入出力端子（ポートA/B/C）があり、プログラムによってそれぞれの信号の向き（入出力）や機能（モード0/1/2）を選択できます。モード0（基本的なデーターの入出力）では、3組の8ビット入出力端子を使って、24ビット幅のデーターをやりとりできます。+5Vの単一電源で動作し、入出力端子の電圧はTTLコンパチブルです。

バスと信号の向き

8255 PPIの信号線には「入出力バス（Input/Output Bus）」「データーバス（Data Bus）」「コントロールバス（Control Bus）」の3種類があります。「バス」とは、複数の信号線の束を表す言葉で、8255 PPIの場合、入出力バス24本・データーバス8本・コントロールバス6本で構成されます。

バス（複数の信号線の束）の正体は、ピンの集まりです。ピンには、それぞれ機能を表す名前がつけられ、入出力バスは[mathjax]~\rm{PA0}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{PA7}~[/mathjax]（Port A）・[mathjax]~\rm{PB0}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{PB7}~[/mathjax]（Port B）・[mathjax]~\rm{PC0}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{PC7}~[/mathjax]（Port C）、データバスは[mathjax]~\rm{D0}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{D7}~[/mathjax]（Data）です。コントロールバスには、それぞれの役割を示す[mathjax]~\rm\overline{CS}~[/mathjax]（Chip Select）・[mathjax]~\rm{A0}~[/mathjax]（Address 0）・[mathjax]~\rm{A1}~[/mathjax]（Address 1）・[mathjax]~\rm\overline{RD}~[/mathjax]（ReaD）・[mathjax]~\rm\overline{WR}~[/mathjax]（WRite）・[mathjax]~\rm{RESET}~[/mathjax]といった名前がつけられています。図2-1は、ピンの番号（1～40）と名前の対応図です。バス以外にも、電源（[mathjax]~\rm{VCC}~[/mathjax]/[mathjax]~\rm{GND}~[/mathjax]）があります。

図2-2は、バスをわかりやすくするために、バスごとにピンをまとめた論理図です。図中のピン番号と物理的な位置は一致しません。それぞれの矢印が、バスに流れる信号の向き（入出力）を表しています。この場合、8255 PPIを基準に考えるので、8255 PPIから延びる矢印が出力、8255 PPIへ向かう矢印が入力です。

正論理（アクティブハイ）と負論理（アクティブロー）

バスを構成するピンはディジタル回路なので、信号の状態は電圧が高い状態（Hレベル）、または電圧が低い状態（Lレベル）となります。意味のある事象の発生をHレベルに関係付けたものを「正論理」といます。逆に、意味のある事象の発生をLレベルに関係付けたものを「負論理」といいます。負論理においてアクティブ（真）とは、電圧の低い状態（Lレベル）を示します。なお、負論理は「[mathjax]~\rm\overline{CS}~[/mathjax]」のように名前に上線を付けて表します。

ハイインピーダンスとトライステート

ディジタル回路では、Hレベル・Lレベル以外に、ピンが回路から切り離されたハイインピーダンスという状態（Z/HZ/Hi-Zなどと表記される）があります。3つの状態（Hレベル・Lレベル・ハイインピーダンス）のいずれかになりうるピンを「トライステート」といいます。8255 PPIでは、入出力バス・データーバスがトライステートなピンです。

ピンの名前と役割

以下に、それぞれのピンの名前と役割を簡単に紹介します。括弧内は、8255 PPIを基準とした信号の向き（出力/入力/入出力）・正論理/負論理・トライステートかどうかを表しています。

[mathjax]~\rm\overline{\boldsymbol{CS}}~[/mathjax]：Chip Select（入力・負論理）：アクティブ（Lレベル）にすることで、8255 PPIが有効になり、CPUと通信できるようになります。非アクティブ（Hレベル）にすると、データーバスはハイインピーダンスとなり、CPUと切り離された状態になります。また、入出力バスの出力に設定されたポートは直前の状態が保持されます。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{A0}}~[/mathjax]・[mathjax]~\rm{\boldsymbol{A1}}~[/mathjax]：Address（入力・正論理）：通常は、CPUのデーターバスの下位2ビット（[mathjax]~\rm{A0}~[/mathjax]・[mathjax]~\rm{A1}~[/mathjax]）に接続されます。[mathjax]~\rm\overline{RD}~[/mathjax]・[mathjax]~\rm\overline{WR}~[/mathjax]と組み合わせることで、ポートA・ポートB・ポートCの入出力、コントロールワード（初期化用データー）のいずれかを選択します。コントロールワードを選択した場合、その値は内部のコントロールレジスターに書き込まれます。

[mathjax]~\rm\overline{\boldsymbol{RD}}~[/mathjax]：ReaD（入力・負論理）：アクティブ（Lレベル）にすることで、選択されたポートに入力されているデーターをデーターバスに出力します。

[mathjax]~\rm\overline{\boldsymbol{WR}}~[/mathjax]：WRite（入力・負論理）：アクティブ（Lレベル）にすることで、データーバス上のデーターを選択されたポートに出力、またはコントロールワードを内部のコントロールレジスターに書き込みます。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{RESET}}~[/mathjax]：RESET（入力・正論理）：アクティブ（Hレベル）にすることで、制御用のレジスターがクリアーされます。また、すべてのポートが入力モードとなり、バスホールド回路がオンになります。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{D0}}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{\boldsymbol{D7}}~[/mathjax]：Data bus（入出力・正論理・トライステート）：データーバスは、8ビット幅のバスです。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PA0}}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PA7}}~[/mathjax]：Port A（入出力・正論理・トライステート）：8ビット幅のディジタル端子です。ポートAは、入力・出力、または双方向として動作します。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PB0}}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PB7}}~[/mathjax]：Port B（入出力・正論理・トライステート）：8ビット幅のディジタル端子です。ポートBは、入力、または出力として動作します。

[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PC0}}~[/mathjax]～[mathjax]~\rm{\boldsymbol{PC7}}~[/mathjax]：Port C（入出力・正論理・トライステート）：8ビット幅のディジタル端子です。ポートCは、上位4ビットと下位4ビットに分割して、それぞれが入力、または出力として動作するほか、ポートA・ポートBの制御信号用として動作します。