Главная » Хабрахабр » [Перевод] Союз Arduino и классического процессора

[Перевод] Союз Arduino и классического процессора

Одни довольствуются эмуляцией. Ретрокомпьютерщики бывают различной степени привередливости. Наконец, третьим подавай настоящий процессор. Другие предпочитают ПЛИС, потому что тогда получается не эмуляция, а воссоздание.

Снова дилемма: взять настоящие микросхемы тех же лет, или поместить всё в ПЛИС, оставив снаружи процессор? Но процессору для работы нужно столько всего! Да здравствует союз Arduino и настоящего процессора! Впрочем, почему обязательно ПЛИС?

Подарите своему Arduino «второй мозг» и сделайте его «умнее».

Настоящий восьмибитный микропроцессор выполняет программы, а Arduino эмулирует ПЗУ, ОЗУ и простейшую периферию.

Не нужно собирать сложные схемы и прошивать параллельные ПЗУ. Проектируйте виртуальную периферию в Arduino IDE, а на микропроцессоре запускайте код на ассемблере.

Поддерживаемые микропроцессоры: 6502, 6809 и Z80 (КР1858ВМ1), на подходе — другие.

Шилд с микропроцессором не мешает подключать другие шилды: с ЖКИ, картами памяти, и др.

Помимо самостоятельного программирования на ассемблере, можно попробовать запустить на микропроцессоре какой-нибудь классический код.

Правда, микропроцессор будет работать на очень небольшой частоте — порядка 95 кГц, точное её значение зависит от оптимизации кода эмуляции периферии.

Микропроцессору можно выделить от 4 до 6 кБ ОЗУ из 8 кБ, имеющихся на Arduino Mega. Распределение адресного пространства задаётся программно в скетче. ПЗУ можно выделить более 200 кБ из имеющихся 256.

При помощи последовательного порта Arduino Mega можно эмулировать UART.

0 здесь. Схемы, чертежи плат, Gerber-файлы доступны под CC-BY-SA 4. При этом имеется требование обязательно прикладывать файл README.md, потому что в нём содержится следующее предупреждение:

Иначе возможно закорачивание выходных линий микропроцессора. Не подключайте шилд, пока не залит скетч эмуляции периферии!

Да и в самом скетче что-нибудь переделывать нужно осторожно по той же причине.

Схема устройства на 6502:

Схема устройства на 6809:

Схема устройства на Z80:

Уже можно запустить:

На устройстве с 6502 — Apple I, Woz Monitor + ПЗУ с Бейсиком

На устройстве с 6809 — Аналог самодельного компьютера Simon6809 того же разработчика, учебный монитор с ассемблером и дизассемблером

На устройстве с Z80 — пока только эхо-тест последовательного порта, позволяющий проверить работоспособность виртуального 8251 (КР580ВВ51А).

Прошивки для эмуляции периферии — под лицензией MIT.

Краткие описания принципа действия:

К устройству на 6502

К устройству на 6809

К устройству на Z80 — в процессе подготовки.

Особого смысла покупать нет, поскольку схема очень простая, повторить её на куске макетки можно за час. Разработчик пытается продавать устройства, но с доставкой только по США.

Про К1801ВМ1 не сказано, но можно подкинуть автору такую идею. Запланирована разработка аналогичных плат на RCA1802, 68008, 8085 (КР1821ВМ85А), 8088 (КР1810ВМ88).

Файлы:

К устройству на 6502: инструкция по сборке, шелкография, схема

К устройству на 6809: инструкция по сборке, шелкография, схема

К устройству на Z80: инструкция по сборке, шелкография, схема

Arduino периодически меняет уровень на входе микропроцессора, предназначенном для подачи тактовых импульсов, с нуля на единицу и обратно. Рассмотрим взаимодействие Arduino и устройства на 6502. Arduino может также управлять линиями IRQ и NMI, вызывая прерывания. На каждом такте оно проверяет, что происходит на линиях управления и шине адреса, и, в зависимости от ситуации, считывает информацию с шины данных или отправляет её туда. На рисунке показаны виды данных и направления их передачи:

Соответствие портов Arduino и выводов микропроцессора сконфигурировано в скетче:

/* Digital Pin Assignments */
#define DATA_OUT PORTL
#define DATA_IN PINL
#define ADDR_H PINC
#define ADDR_L PINA
#define ADDR ((unsigned int) (ADDR_H << 8 | ADDR_L)) #define uP_RESET_N 38
#define uP_RW_N 40
#define uP_RDY 39
#define uP_SO_N 41
#define uP_IRQ_N 50
#define uP_NMI_N 51
#define uP_E 52
#define uP_GPIO 53

Разобьём каждый такт на следующие события:

CLK меняет состояние с единицы на нуль (спад)
CLK находится в состоянии нуля
CLK меняет состояние с единицы на нуль (нарастание)
CLK находится в состоянии единицы
CLK снова меняет состояние с единицы на нуль…

Что происходит в моменты смены состояний?

Хотя в микропроцессоре все события привязаны к CLK1, будем считать, что задержка невелика, и они привязаны к CLK0 — той линии, по которой здесь микропроцессор получает тактовые импульсы из Arduino. 6502 получает тактовые импульсы по входу CLK0, буферизует их и отправляет на два выхода: CLK1 и CLK2. И называть сигнал просто CLK.

CLK меняет состояние с единицы на нуль. 1.

Микропроцессор выводит на шину адреса новый адрес, а на выход R/W — сигнал переключения между чтением и записью. 2. Но он ещё не готов к обмену данными.

CLK переходит в состояние единицы, и это означает, что обмен данными начался. 3. А сигнал R/W переключает внешнее устройство в режим записи или чтения, противоположный соответствующему состоянию микропроцессора. Если это операция чтения, микропроцессор переводит выводы шины данных в состояние входов и принимает по рим данные, а если операция записи — переводит их в состояние выходов и отправляет данные.

CLK переходит в состояние нуля. 4. Микропроцессор может установить в новое состояние линии шины данных и вывод R/W. Теперь на шину даннных ничего не выводят ни микропроцессор, ни устройства ввода-вывода.

Который никогда и не задумается об этих «закулисных интригах», если будет программировать только микроконтроллеры. Простое объяснение, понятное и ребёнку. Даже на ассемблере.

Если периферийное устройство не успеет подготовить данные, пока на CLK нуль, или поменяет их, когда там единица, вы будете долго недоумевать, почему ваш код не работает. Если нужно подключить своё периферийное устройство, оно должно успевать подготавливать данные до того, как на линии CLK появится единица (время подготовки), а пока там единица — не менять их. Но нужно обязательно. Поскольку тактовая частота микропроцессора здесь в десять-пятнадцать раз ниже номинальной, соблюсти это требование просто.

Для этого в скетче задействовано прерывание по таймеру timer1, вырабатывающему импульсы с частотой в 95 кГц. Итак, нужно «научить» Arduino генерировать тактовые импульсы, непрерывно проверяя, что при этом происходит на шине адреса и линии R/W, и соответствующим образом взаимодействуя с шиной данных. Важно проследить, чтобы после модификации скетча это условие продолжало соблюдаться. Arduino работает значительно быстрее микропроцессора, и потому между его тактами успевает всё и считывать, и подготавливать.

Вот выдержка из скетча, по которой понятно, как CLK переходит из нуля в единицу, и что происходит далее:

////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Processor Control Loop
////////////////////////////////////////////////////////////////////
// This is where the action is.
// it reads processor control signals and acts accordingly.
//
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
else // KBDCR? if (uP_ADDR == KBDCR) { ... // handle KBDCR register } else // DSP? if (uP_ADDR == DSP) { ... // handle DSP register } else // DSPCR? if (uP_ADDR == DSPCR) { ... // handle DSPCR register } } } else ////////////////////////////////////////////////////////////////// // R/W = LOW = WRITE { // RAM? if ( (uP_ADDR <= RAM_END) && (RAM_START <= uP_ADDR) ) RAM[uP_ADDR - RAM_START] = DATA_IN; else // 6821? if ( KBD <=uP_ADDR && uP_ADDR <= DSPCR ) { // KBD? if (uP_ADDR == KBD) { ... // handle KBD register } else // KBDCR? if (uP_ADDR == KBDCR) { ... // handle KBDCR register } else // DSP? if (uP_ADDR == DSP) { ... // handle DSP register } else // DSPCR? if (uP_ADDR == DSPCR) { ... // handle DSPCR register } } } //////////////////////////////////////////////////////////////// // We are done with this cycle. // one full cycle complete clock_cycle_count ++; // start next cycle CLK_E_LOW; // If Arduino was driving the bus, no need anymore. // natural delay for DATA Hold time after CLK goes low (t_HR) DATA_DIR = DIR_IN; }

Распределение адресного пространства можно сделать каким угодно, в немодифицированном скетче оно такое же, как в Apple 1 с 256 байтами ПЗУ, 8 килобайтами ПЗУ для Бейсика, 4 килобайтами ОЗУ и устройством ввода-вывода 6821.

// MEMORY LAYOUT
// 4K MEMORY
#define RAM_START 0x0000
#define RAM_END 0x0FFF
byte RAM[RAM_END-RAM_START+1]; // ROMs (Monitor + Basic)
#define ROM_START 0xFF00
#define ROM_END 0xFFFF
#define BASIC_START 0xE000
#define BASIC_END 0xEFFF ////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Woz Monitor Code
////////////////////////////////////////////////////////////////////
//
PROGMEM const unsigned char rom_bin[] = { 0xd8, 0x58, 0xa0, 0x7f, 0x8c, 0x12, 0xd0, 0xa9, 0xa7, 0x8d, 0x11, 0xd0, ... 0x00, 0xff, 0x00, 0x00
}; // BASIC ROM starts at E000
PROGMEM const unsigned char basic_bin[] = { 0x4C, 0xB0, 0xE2, 0xAD, 0x11, 0xD0, 0x10, 0xFB, ... 0xE0, 0x80, 0xD0, 0x01, 0x88, 0x4C, 0x0C, 0xE0
};

Два ключевых слова PROGMEM нужны, чтобы содержимое эмулируемых ПЗУ хранилось во флеш-памяти микроконтроллера. ОЗУ эмулируется массивом byte RAM[RAM_END-RAM_START+1].

Woz Monitor и Бейсик работают, чего и добивался автор. 6821 эмулирован в достаточной мере, чтобы через «терминалку» работали виртуальные клавиатура и дисплей.

Удобство эмуляции — в гибкости, с которой можно делать программные аналоги периферии. Чтобы эмулировать любое периферийное устройство, нужно внимательно ознакомиться с его даташитом и выяснить, какие у него есть регистры, и для чего они предназначены.

Чтобы использовать «железную» периферию, такую, как ЖК-дисплей, карту памяти, выход звука, нужно выделить им в адресном пространстве место. Устройства ввода-вывода находятся в адресном пространестве микропроцессора, обращение к ним происходит так же, как к ячейкам памяти.

Ссылки:

6502.org
www.callapple.org/soft/ap1/emul.html
skilldrick.github.io/easy6502
searle.hostei.com/grant/6502/Simple6502.html
wilsonminesco.com/6502primer
SB-Assembler: www.sbprojects.net/sbasm www.

Переходим к 6809, в нём имеются:

Два восьмибитных аккумулятора A и B, которые могут быть объединены в один шестрадцатиразрядный аккумулятор
Два 16-битных индексных указателя стека
Адресация относительно счётчика команд
Автоматическое прибавление или вычитание числа 1 или 2
Перемножение двух восьмиразрядных чисел без знака
16-битная арифметика
Перенос и обмен данными между всеми регистрами
Запись и чтение всех регистров и любого их сочетания

У Hitachi они называются, соответственно, 6309E и 6309, от обычных они отличаются тем, что внутри операции у них выполняются в 32-разрядном виде, но возможно переключение в режим совместимости с классическим вариантом. Микропроцессору 6809E (external) нужен внешний тактовый генератор, у 6809 он внутренний.

Но оказалось, что микросхем стандартной логики для всего, что он хотел там реализовать, потребовалось бы очень много. Собственно, весь проект RetroShield потому и начался, что автор хотел модернизировать свой же самодельный компьютер Simon6809 и назвать результат Simon6809 Turbo. Поэтому идею RetroShield автор впервые сформулировал именно применительно к 6809, и лишь затем подумал: «а что если и с другими процессорами то же проделать?».

Линии E и Q у обоих процессоров называются одинаково, только у 6809 это выходы, а у 6809E — входы. В устройстве, разумеется, применён 6809E, требующий внешнего тактового генератора, чтобы можно было синхронизировать его работу извне.

С 6809 Arduino взаимодействует так же, как с 6502, но входов тактовой частоты у него два: E и Q, а входов для прерываний — три: IRQ, FIRQ и NMI.

В этот раз соответствие портов Arduino и выводов микропроцессора сконфигурировано так:

/* Digital Pin Assignments */
#define DATA_OUT PORTL
#define DATA_IN PINL
#define ADDR_H PINC
#define ADDR_L PINA
#define ADDR ((unsigned int) (ADDR_H << 8 | ADDR_L)) #define uP_RESET_N 38
#define uP_E 52
#define uP_Q 53
#define uP_RW_N 40
#define uP_FIRQ_N 41
#define uP_IRQ_N 50
#define uP_NMI_N 51
#define uP_GPIO 39

Как видно из графиков, сигнал Q сдвинут относительно E на четверть периода:

А происходит всё так: Обращать внимание на Q мы почти не будем, так как все события привязаны к E.

E переключается в нуль. 1. Процессор выставляет на шину адреса новый адрес и меняет состояние линии R/W.

E переключается в единицу, процессор становится готов к обмену данными. 2.

Неважно, что происходит с шиной данных, пока на E единица, главное, чтобы требуемые данные там присутствовали в момент перехода E обратно в нуль. 3.

При чтении данных устройство ввода-вывод должно подать на шину данных требуемые данные до перехода линии E из единицы в нуль (минимальная задержка показана числом 17 в кружке). 4.

При записи устройство ввода-вывода должно зафиксировать данные у себя в каком-нибудь регистре в том виде, в каком они были в момент перехода E из единицы в нуль. 5. Процессор же подаст эти данные на шинв даже раньше — в момент перехода Q в единицу (число 20 в кружке).

После перехода E в нуль всё повторяется. 6.

виртуальным) всех сигналов вовремя касается и 6809. Всё сказанное выше про 6502 о необходимости выработки периферийным устройством (в т.ч.

И точно так же подпрограмма, вызываемая по прерыванию, выполняет в требуемые моменты ввод или вывод данных. Генерация сигналов E и Q, как и в случае с 6502, с той лишь разницей, что сигналов два, и переключать их надо в соответствии с графиками.

Адресное пространство в немодифицированном скетче распределено так же, как в самодельном компьютере Simon6809:

// MEMORY
#define RAM_START 0x0000
#define RAM_END 0x0FFF
#define ROM_START 0xE000
#define ROM_END 0xFFFF
byte RAM[RAM_END-RAM_START+1]; ////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Monitor Code
////////////////////////////////////////////////////////////////////
// static const unsigned char PROGMEM const unsigned char simon09_bin[] = { 0x1a, 0xff, 0x4f, 0x1f, 0x8b, 0x0f, 0x36, 0x7f, 0x01, 0xa5, 0x10, 0xce, ... 0x00, 0x09, 0x00, 0x0c, 0x00, 0x0f, 0xe0, 0x00
};

ОЗУ и ПЗУ хранятся в массивах так же как в варианте на 6502, с той лишь разницей, что здесь массив с данными ПЗУ — один.

Так как Simon6809 — современная машина на винтажной элементной базе, с ПК, на котором запущена «терминалка», она обменивается данными через FTDI. Устройствам ввода-вывода здесь также выделены участки адресного пространства, и они могут быть как виртуальными, так и реальными. Здесь эмулировано и это.

Ссылки:

Много информации по 6809 на Странице Arto
Статья в Википедии о 6809
SWTPc 6809 systems
Статья в Википедии об операционной системе FLEX


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Когда шифрование не поможет: рассказываем про физический доступ к устройству

В феврале мы опубликовали статью «Не VPN-ом единым. Шпаргалка о том, как обезопасить себя и свои данные». Один из комментариев побудил нас написать продолжение статьи. Эта часть — вполне автономный источник информации, но всё же рекомендуем ознакомиться с обоими постами. ...

[Из песочницы] Buildroot — часть 1. Общие сведения, сборка минимальной системы, настройка через меню

Введение Здесь будет практический опыт создания небольшой ОС с графическим интерфейсом и минимальным функционалом. В данной серии статей я хочу рассмотреть систему сборки дистрибутива buildroot и поделиться опытом её кастомизации. Buildroot может собрать систему из набора пакетов, которые ему предложили. ...