JP5206091B2 - プログラマブルコントローラのデータアクセス方式 - Google Patents

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本発明は、プログラマブルコントローラ(PLC)に係り、特に、配列データや構造データに対し、目的とするデータ要素にアクセスする方式に関する。
現在、IEC61131−3規格でプログラマブルコントローラ言語が規定されている。我が国においても、IEC61131−3の初版がJISB3503として規定されている。IEC61131−3ではデータの型をデータタイプと呼んでおり、データタイプは基本データ型と、基本データ型を組み合わせた派生データ型に分類される。基本データ型は予め用意されたデータ型であり、BOOL,BYTE,INT,WORD,REALなどが用意されている。派生データ型には直接派生データ型、配列データ型、構造データ型、列挙データ型、部分範囲データ型がある。この中で配列データ型と構造データ型は複数のデータ要素から構成されるデータ型である。
配列データ型の定義は図22に示す宣言文で行われる。ここで、ARRAY1はINT型データを要素とする10要素の一次元配列であり、ARRAY2はUDINT型データを要素とする10×20要素の二次元配列である。
ARRAY1を使ったST言語プログラムの例を図23に示す。このプログラムではIndexという変数で配列ARRAY11の要素番号を示すようになっている。このようなプログラムをプログラマブルコントローラが実行するためには間接アドレス命令を使用する必要がある。例えば、インデックス用レジスタを使って、配列のデータ要素を示すことができる。図24では配列の先頭を示すレジスタとインデクスレジスタによって、データ要素5を示すことができる。
図25は配列データ型を要素とした構造データ型の場合を示す。この例はINT,WORD,UDINTの3つの基本データ型を組み合わせて配列データ型を構成し、この配列データ型を要素とする構造データ型のものである。即ち、配列データ型の構造データ型である。この構造データ型の場合においても、配列の先頭を示すレジスタとインデクスレジスタによって、データ要素を示すことができる。
なお、アクセス方法として、メモリに格納されるデータのアドレスが変更された場合、アプリケーションプログラムを変更することなく、データアクセス専用のプログラムのデータを書き換えることで対処する方法がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−250612号公報
前記に示すような、配列データ型や構造データ型の配列データについては、配列の先頭を示すレジスタとインデックス用レジスタを使って目的とするデータ要素のアドレスを示すことができ、当該データ要素に対するロード/ストアなどを可能にする。
しかし、インデックス用レジスタを使ったアクセス方法は、要素のデータサイズが固定の場合には有効であるが、要素のデータサイズが可変の場合や二次元配列の場合には対応できない。
本発明の目的は、二次元配列やデータサイズが可変のデータに対するデータ要素のアドレス算定を容易にしてそのロード/ストアができるプログラマブルコントローラのデータアクセス方式を提供することにある。
前記の課題を解決するため、本発明は、スタックポインタが示すスタック領域に、アクセス対象となる配列データまたは構造データの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておき、これら各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを計算し、データ要素のロード/ストアを実行するようにしたもので、以下の方式を特徴とする。
(1)演算回路とリザルトレジスタ(RR)、各プログラム構成単位(POU)が使用するデータ領域の先頭アドレスを示すスタックポインタ(SP)、インスタンス領域の先頭アドレスを示すインスタンスポインタ(IP)、プログラム構成単位(POU)のプログラム領域の先頭アドレスを示すプログラムカウンタ(PC)を有して、アプリケーションプログラムのマシンコードを実行する演算ASICと、
演算対象になるデータを格納したデータメモリと、
アプリケーションプログラムのマシンコードを格納したプログラムメモリとを備え、
前記データメモリは、インスタンスポインタ(IP)により各プログラム構成単位(POU)が使用するインスタンス領域、スタックポインタ(SP)により現在の使用アドレスが示されるスタック領域を有し、
前記プログラムメモリは、プログラムカウンタ(PC)により実行中のアプリケーションプログラムのマシンコード位置を示すプログラム構成単位(POU)の実行領域を有し、
前記インスタンス領域に置かれたプログラム構成単位(POU)のローカル変数は、インスタンスポインタ(IP)が示すアドレスからの相対アドレスでアクセスするマシンコードで設定するよう構成し、
前記データメモリに格納される配列データを含むデータに対して、目的とするデータ要素にアクセスするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式であって、
前記演算ASICは、スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、アクセス対象となるデータの配列構成、配列要素i番号、配列要素j番号、配列要素iサイズ、配列要素jサイズおよび目的要素サイズの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておく手段と、
前記スタック上の各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスをオペランド+(配列要素i番号)*(配列要素iサイズ)+(配列要素j番号)*(配列要素jサイズ)で計算し、前記リザルトレジスタ(RR)に対してデータ要素のロード/ストアを実行する手段とを備えたことを特徴とする。
(2)演算回路とリザルトレジスタ(RR)、各プログラム構成単位(POU)が使用するデータ領域の先頭アドレスを示すスタックポインタ(SP)、インスタンス領域の先頭アドレスを示すインスタンスポインタ(IP)、プログラム構成単位(POU)のプログラム領域の先頭アドレスを示すプログラムカウンタ(PC)を有して、アプリケーションプログラムのマシンコードを実行する演算ASICと、
演算対象になるデータを格納したデータメモリと、
アプリケーションプログラムのマシンコードを格納したプログラムメモリとを備え、
前記データメモリは、インスタンスポインタ(IP)により各プログラム構成単位(POU)が使用するインスタンス領域、スタックポインタ(SP)により現在の使用アドレスが示されるスタック領域を有し、
前記プログラムメモリは、プログラムカウンタ(PC)により実行中のアプリケーションプログラムのマシンコード位置を示すプログラム構成単位(POU)の実行領域を有し、
前記インスタンス領域に置かれたプログラム構成単位(POU)のローカル変数は、インスタンスポインタ(IP)が示すアドレスからの相対アドレスでアクセスするマシンコードで設定するよう構成し、
前記データメモリに格納される構造データを含むデータに対して、目的とするデータ要素にアクセスするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式であって、
前記演算ASICは、前記スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、アクセス対象となるデータの構造データ構成、親要素オフセット、子要素オフセット、配列要素番号、配列要素サイズおよび目的要素サイズの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておく手段と、
前記スタック上の各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを計算し、前記リザルトレジスタ(RR)に対してデータ要素のロード/ストアを実行する手段とを備えたことを特徴とする。
(3)前記演算ASICは、前記配列データまたは構造データがビット単位データになる場合、データ要素サイズの単位をビットにしてロード/ストアを実行することを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、スタックポインタが示すスタック領域に、アクセス対象となる配列データまたは構造データの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておき、これら各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを計算し、データ要素のロード/ストアを実行するようにしたため、二次元配列やデータサイズが可変のデータに対するデータ要素のアドレス算定を容易にしてそのロード/ストアができる。
具体的には、
(1)一次元配列、二次元配列、構造データの配列で目的とするデータ要素が1つの命令でロード/ストアすることができる。
(2)構造データ、構造データの構造データ、配列の構造データで目的とするデータ要素が1つの命令でロード/ストアすることができる。
(3)配列や構造体の目的とするデータ要素アドレスを求めるために、コンパイラが複雑な計算をするためのマシンコードを生成しなくても良い。
(4)BOOLデータの配列や構造データに対しても、同様な命令が使用できる。
(5)演算速度を速くするためには、配列や構造データの構成を確認して、アドレス計算をするようにすれば良いが、演算速度が遅くても良い場合には1つの計算式でまとめることができる。
図1は、プログラマブルコントローラの要部構成図である。演算ASIC10は、プログラマブルコントローラに組み込むアプリケーションプログラムのマシンコードを実行するためのものであり、四則演算などの各種演算を行う演算回路11と、各種レジスタ12〜16及びその他制御回路17から構成される。レジスタにはアキュムレータに相当するリザルトレジスタ(RR)12、スタックポインタ(SP)13、インスタンスポインタ(IP)14、プログラムカウンタ(PC)15、その他レジスタ16を具備する。その他レジスタ16は用途により様々なものがある。
また、プログラマブルコントローラには、演算対象になるデータを格納したデータメモリ20と、アプリケーションプログラムのマシンコードを格納したプログラムメモリ30を設け、演算ASIC10からアクセスできるようにしている。
データメモリ20には、図2の(a)に示すように、アプリケーションプログラムの実行単位毎(タスク毎)にスタック領域が確保されており、プログラム構成単位(POU)の起動時の戻りアドレスのセーブや、タスク切り替え時の各種レジスタのセーブで使用される。現在のスタック領域の使用アドレスはスタックポインタ(SP)が示すことになる。各プログラム構成単位(POU)が使用するデータ領域(インスタンス)の先頭アドレスを示すのがインスタンスポインタ(IP)である。POUを実際に使用する場合には、POUをインスタンス化することができる。インスタンス化するためには、用途毎にそれぞれ別々のインスタンス領域を確保する必要がある。インスタンスポインタ(IP)は各用途毎に異なるデータ領域の先頭を示すものである。
プログラムメモリ30では、図2の(b)に示すように、その中で、現在実行中のアプリケーションプログラムのマシンコード位置をプログラムカウンタ(PC)で示す。
図2では、あるPOU実行中の各種レジスタとメモリの関係を示したものである。IPはその機能を果たすPOU実行中は固定である。SPはPOU起動中ではスタックポインタとしての働きを行う。PCはPOUの演算実行順番に従って変化する。POUのローカル変数はPOUインスタンス領域に置かれ、インスタンスポインタ(IP)が示すアドレスからの相対アドレスでアクセスするようにマシンコードが設定される。
例えば、図3では、INT型変数をアクセスする場合はIPに0を加算したアドレスを使用する。また、WORD型変数をアクセスする場合には、IPに2を加算したアドレスを使用する。更に、BOOL型変数をアクセスする場合はIPに12を加算した16ビットデータの中のビット位置0を使用することになる。
このようなインスタンス領域のアクセスを実現するためのマシンコードは図4に示すデータ構造とする。同図で、オペコードは演算の種類を指定するもので、ロード、ストア、四則演算などの演算種別を指定することになる。アドレッシングモードは演算するデータをアクセスする方法を指定するもので、レジスタ種別とオペランドの組み合わせでどのようなアドレッシングをするかを指定するものである。
例えば、データメモリ20の物理アドレスでアクセスする場合はオペランドに実アドレスを設定する。レジスタ間接でアクセスする場合は、レジスタ種別で使用するレジスタを指定し、オペランドにはオフセットアドレスが設定される。また、定数を使用するようなアドレッシングモードもある。
配列データや構造データはデータメモリ20内に置かれる。これらデータはデータメモリ20の実アドレスに割り付けられたり、POUのインスタンス領域に割り付けられることもある。
以下、配列データまたは構造データに対し、目的とするデータ要素のアドレスを算定するための一般的な手法を説明する。
(1)一次元配列
一次元配列は同じデータタイプの要素が要素数だけ並ぶ。図5は要素数Nの一次元配列の例である。この配列の1つの要素をアクセスするためには配列の先頭アドレスと要素のサイズと要素番号がわかれば良い。
(2)二次元配列
二次元配列は、同じデータタイプの要素が二次元に配置される。図6はN×Mの二次元配列の例である。この配列の1つの要素をアクセスするためには配列の先頭アドレスと要素のサイズと要素番号(2種類)がわかれば良い。
(3)構造データ
複数のデータタイプから構成されたデータのまとまりである。図7はINT,WORD,DINTから成る構造データの例である。この構造データの1つの要素をアクセスするためには構造データの先頭アドレスと目的とするデータ要素のサイズと目的とするデータ要素までの相対オフセットアドレスがわかれば良い。
(4)構造データの配列
配列の要素が構造データになっているものである。図8はINT,WORD,UINT,DINTから成る構造データを要素とする要素数Nの場合の例である。この構造データの1つの要素をアクセスするためには、構造データの先頭アドレスと目的とするデータ要素のサイズと目的とするデータ要素が含まれる配列の要素番号とその配列先頭から目的とするデータ要素までの相対オフセットアドレスがわかれば良い。
(5)配列の構造データ
構造データの1要素が配列になっているものである。図9は、要素として配列データ1と配列データ2を含む構造データの例である。この構造データの1つの要素をアクセスするためには、構造データの先頭アドレスと目的とするデータ要素のサイズと目的とするデータ要素が含まれる配列までの相対オフセットアドレスとその配列での目的とするデータ要素の要素番号がわかれば良い。
(6)構造データの構造データ
構造データの1要素が構造データになっているものである。図10は、要素として構造データ1と構造データ2を含む構造データの例である。この構造データの1つの要素をアクセスするためには、構造データの先頭アドレスと目的とするデータ要素のサイズと目的とするデータ要素が含まれ構造データまでの相対オフセットアドレスとその構造データでの目的とするデータ要素までの相対オフセットアドレスがわかれば良い。
以上のように、配列データまたは構造データにおいて、目的とするデータ要素のアドレスを算定するためには、コンパイラが要素番号や相対オフセットアドレスを使って、計算していた。しかし、配列の要素番号が変数になっているような場合は非常に複雑な計算が必要となる。例えば、図1中のその他レジスタ16に変数となる要素番号を格納して、そのレジスタを使ってアドレス計算するようなマシンコードを生成する必要があり、複雑になってしまう。
以下に示す実施形態ではこれらの計算を簡略にする命令を用意して、コンパイラの処理を簡略化し、演算速度の向上を得るものである。
<実施形態1>配列データ要素のロード/ストア
本実施形態では、一次元配列、二次元配列、構造データの配列において、目的とするデータ要素に対するロード/ストア命令を実現する。ロードとは目的とするデータ要素のデータをリザルトレジスタ12にコピーする動作であり、ストアはその逆向きのコピー動作である。目的とするデータ要素を特定するためのパラメータは複数あり、マシンコード内にすべてのパラメータを置くことは困難である。そのため、必要なパラメータはスタックにプッシュしてから、該当命令を実行するようにする。以下に、具体例を示す。
図11は、配列データ要素のロード/ストア命令実行時のスタックの構成である。演算ASIC10は、スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、配列構成、配列要素i番号、配列要素j番号、配列要素iサイズ、配列要素jサイズおよび目的要素サイズの各項目をプッシュ命令で予め格納しておく。マシンコードを図12に示す。図13は二次元配列の例であり、先頭のオペランドはマシンコードのアドレッシングモードとレジスタ種別とオペランドの内容によって決まる。
図14はスタック内の各項目についての説明である。また、図15は一次元配列、二次元配列、構造データの配列に対するスタック内情報の割り付けをまとめて示す。
ロード/ストア命令は、スタック上の各種パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを図16に示す式で計算して、ロード/ストアを実行する。
このように、スタックに図15のようにパラメータをセットすることで、3種類の配列の目的とするデータ要素のロード/ストアが実施できる。演算速度を早くする必要がなければ、配列構成によらず図16中の配列構成=2の式により、すべての配列構成で目的とするデータ要素のアドレスを算定することができる。
<実施形態2>構造データ要素のロード/ストア
本実施形態では、構造データ、構造データの構造データ、配列の構造データにおいて、目的とするデータ要素に対するロード/ストア命令を実現する。ロードとは目的とするデータ要素のデータをリザルトレジスタ12にコピーする動作であり、ストアはその逆向きのコピー動作である。これら構造データの目的とするデータ要素を指定するためのパラメータは複数あり、マシンコード内にすべてのパラメータを置くことは困難である。そのため、必要なパラメータはスタックにプッシュしてから、該当命令を実行するようにする。以下に、具体例を示す。
図17は、本命令実施時のスタックの構成である。演算ASIC10は、スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、構造データ構成、親要素オフセット、子要素オフセット、配列要素番号、配列要素サイズおよび目的要素サイズの各項目をプッシュ命令で予め格納しておく。マシンコードは前記の図12に示すものと同じである。図18は配列の構造データの例であり、先頭のオペランドはマシンコードのアドレッシングモードとレジスタ種別とオペランドの内容によって決まる。
図19はスタック内の各項目についての説明である。また、図20は構造データ、構造データの構造データ、配列の構造データに対するスタック内情報の割り付けをまとめて示す。
ロード/ストア命令は、スタック上の各種パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを図21に示す式で計算して、ロード/ストアを実行する。
このように、スタックに図20のようにパラメータをセットすることで、3種類の構造データの目的とするデータ要素のロード/ストアが実施できる。
<実施形態3>
実施形態1、実施形態2はバイト単位のデータの配列や構造データの目的とするデータ要素に対するロード/ストアであるが、ビット単位データであるBOOLデータの配列や構造体においても、要素サイズの単位をビットにした命令を用意すれば、実施形態1や実施形態2で示した方法で目的とするデータ要素に対するロード/ストア命令が実施できる。
本発明の実施形態を示すプログラマブルコントローラの要部構成図。 データメモリとプログラムメモリに設定する領域。 型変数のアドレス例。 命令のマシンコードの例。 要素数Nの一次元配列の例。 N×Mの二次元配列の例。 INT,WORD,DINTから成る構造データの例。 INT,WORD,UINT,DINTから成る構造データの例。 配列データ1と配列データ2を含む構造データの例。 構造データ1と構造データ2を含む構造データの例。 配列データ要素の命令実行時のスタックの構成。 命令のマシンコードの例。 二次元配列の例。 スタック内の各項目説明。 一次元配列、二次元配列、構造データの配列に対するスタック内情報の割り付け。 配列の種類によるアドレス計算式。 構造データ要素の命令実行時のスタックの構成。 配列の構造データの例。 スタック内の各項目説明。 構造データ、構造データの構造データ、配列の構造データに対するスタック内情報の割り付け。 構造データの種類によるアドレス計算式。 配列データ型の定義例。 ST言語プログラムの例。 配列の先頭を示すレジスタとインデクスレジスタによるデータ要素の特定。 配列データ型を要素とした構造データ型の例。
符号の説明
10 演算ASIC
20 データメモリ
30 プログラムメモリ
11 演算回路
12 リザルトレジスタ(RR)
13 スタックポインタ(SP)
14 インスタンスポインタ(IP)
15 プログラムカウンタ(PC)
16 その他レジスタ
17 その他制御回路

Claims (3)

  1. 演算回路とリザルトレジスタ(RR)、各プログラム構成単位(POU)が使用するデータ領域の先頭アドレスを示すスタックポインタ(SP)、インスタンス
    領域の先頭アドレスを示すインスタンスポインタ(IP)、プログラム構成単位(POU)のプログラム領域の先頭アドレスを示すプログラムカウンタ(PC)を有して、アプリケーションプログラムのマシンコードを実行する演算ASICと、
    演算対象になるデータを格納したデータメモリと、
    アプリケーションプログラムのマシンコードを格納したプログラムメモリとを備え、
    前記データメモリは、インスタンスポインタ(IP)により各プログラム構成単位(POU)が使用するインスタンス領域、スタックポインタ(SP)により現在の使用アドレスが示されるスタック領域を有し、
    前記プログラムメモリは、プログラムカウンタ(PC)により実行中のアプリケーションプログラムのマシンコード位置を示すプログラム構成単位(POU)の実行領域を有し、
    前記インスタンス領域に置かれたプログラム構成単位(POU)のローカル変数は、インスタンスポインタ(IP)が示すアドレスからの相対アドレスでアクセスするマシンコードで設定するよう構成し、
    前記データメモリに格納される配列データを含むデータに対して、目的とするデータ要素にアクセスするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式であって、
    前記演算ASICは、
    スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、アクセス対象となるデータの配列構成、配列要素i番号、配列要素j番号、配列要素iサイズ、配列要素jサイズおよび目的要素サイズの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておく手段と、
    前記スタック上の各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスをオペランド+(配列要素i番号)*(配列要素iサイズ)+(配列要素j番号)*(配列要素jサイズ)で計算し、前記リザルトレジスタ(RR)に対してデータ要素のロード/ストアを実行する手段と、
    を備えたことを特徴とするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式。
  2. 演算回路とリザルトレジスタ(RR)、各プログラム構成単位(POU)が使用するデータ領域の先頭アドレスを示すスタックポインタ(SP)、インスタンス
    領域の先頭アドレスを示すインスタンスポインタ(IP)、プログラム構成単位(POU)のプログラム領域の先頭アドレスを示すプログラムカウンタ(PC)を有して、アプリケーションプログラムのマシンコードを実行する演算ASICと、
    演算対象になるデータを格納したデータメモリと、
    アプリケーションプログラムのマシンコードを格納したプログラムメモリとを備え、
    前記データメモリは、インスタンスポインタ(IP)により各プログラム構成単位(POU)が使用するインスタンス領域、スタックポインタ(SP)により現在の使用アドレスが示されるスタック領域を有し、
    前記プログラムメモリは、プログラムカウンタ(PC)により実行中のアプリケーションプログラムのマシンコード位置を示すプログラム構成単位(POU)の実行領域を有し、
    前記インスタンス領域に置かれたプログラム構成単位(POU)のローカル変数は、インスタンスポインタ(IP)が示すアドレスからの相対アドレスでアクセスするマシンコードで設定するよう構成し、
    前記データメモリに格納される構造データを含むデータに対して、目的とするデータ要素にアクセスするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式であって、
    前記演算ASICは、
    前記スタックポインタ(SP)が示すスタック領域に、アクセス対象となるデータの構造データ構成、親要素オフセット、子要素オフセット、配列要素番号、配列要素サイズおよび目的要素サイズの各項目をパラメータとしてプッシュ命令で予め格納しておく手段と、
    前記スタック上の各パラメータに従って、目的とするデータ要素アドレスを計算し、前記リザルトレジスタ(RR)に対してデータ要素のロード/ストアを実行する手段とを備えたことを特徴とするプログラマブルコントローラのデータアクセス方式。
  3. 前記演算ASICは、前記配列データまたは構造データがビット単位データになる場合、データ要素サイズの単位をビットにしてロード/ストアを実行することを特徴とする請求項1または2に記載のプログラマブルコントローラのデータアクセス方式。
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