Arduino Nano - эмулятор компьютера под управлением ОС CP/M

В далекие 90-е годы у меня был "бытовой" (как он тогда назывался) компьютер "Байт" - брестский клон популярнейшего в те времена на просторах СНГ ZX Spectrum 48K. Но на нем невозможно было запустить операционную систему CP/M, бывшую де-факто стандартом для восьмибитных компьютеров (в середине 1980-х годов эта ОС запускалась на свыше 300 моделях микрокомпьютеров). И вот я решил восполнить это упущение и создать свой компьютер под управлением ОС CP/M 2.2 на базе ... Arduino Nano 3.0 (с микроконтроллером ATmega328)!

Вот как выглядит прототип моего устройства:
cpm4nano Mk III
эмулятор 8080 на Arduino

В процессе его создания я решил две задачи:
создал эмулятор процессора Intel 8080, оперативной памяти и дисковой системы;
адаптировал к созданному устройству ОС CP/M.

GitHub
Исходный код
(текущая версия 0.4) (распространяется по лицензии GPL 3.0) и доступен в репозитарии GitHub - https://github.com/Dreamy16101976/cpm4nano

Эмулятор процессора i8080

Я создал эмулятор для Arduino Nano, способный воспроизводить все команды процессора i8080, включая команду DAA :-)
При этом под i8080 я понимаю  все семейство  X8080Y, не имевшее программных отличий.

Тесты эмулятора

Kelly Smith Test
Этот тест был разработан в 1980 году и тестирует большую часть флагов, режимов и инструкций (за исключением операций ввода-вывода, обработки прерываний, также тестируются не все постусловия инструкций).
Эмулятор проходит проверку с помощью теста MICROCOSM ASSOCIATES 8080/8085 CPU DIAGNOSTIC VERSION 1.0 (C) 1980 ("Kelly Smith Test"):
MCTEST

От ввода команды MCTEST до выдачи сообщения об успешном окончании теста проходит время около 18 секунд.

8080PRE
Также мой эмулятор процессора 8080 успешно прошел предварительный тест 8080PRE.COM от Ian Bartholomew:
8080PRE.COM

Эмуляция оперативной памяти

Главная проблема в этом проекте - нехватка оперативной памяти, которой в ATmega328 только два килобайта! Для эмуляции оперативной памяти размером несколько десятков Кбайт я использую микросхемы FRAM и четырехгигабайтную SDHC-карточку, подключенную к Arduino Nano через переходник.

SD RAM

кэширование в эмуляторе

Для "общения" с карточкой используется шина SPI:
MISO - прием данных от карточки (D12)
MOSI - передача данных карточке (D11)
SCK - тактовый сигнал для карточки (D13)
SS - выбор устройства (D10)
3V3 - питание 3,3 В
GND - "земля"

ICSP-разъем Arduino Nano:
ICSP Arduino

Я подключил microSD-карточку посредством специального адаптера:
адаптер для SD-карточки

Для индикации доступа к карте я подключил красный светодиод с балластным резистором между выводами 3V3 (анод светодиода) и SS (катод светодиода).

Для ускорения работы с эмулируемой памятью я использую кэш в ОЗУ Arduino Nano, состоящий из восьми линий, каждая размером 64 байта.
Для хранения содержимого оперативной памяти я выделил на карточке 2048 секторов от 0x000400 до 0x000BFF (в начале каждого 512-байтного сектора карточки размещаются байты, соответствующие одной линии кэша). В конце этой цепочки байт записывается байт LRC-контрольной суммы (выполняется операция "Исключающее ИЛИ" над всеми байтами цепочки), который считывается и проверяется при чтении данных с карточки:
LRC контрольная сумма

В качестве алгоритма кэширования я использую LRU (Least recently used). Использованные прежде данные вытесняются выше, к началу кэша - к линии 0, а самая нижняя линия кэша заполняется при промахе новыми данными. При попадании в кэш используемые данные смещаются ниже, обмениваясь позицией с находящимися там данными.

FRAM

Я использую две микросхемы FRAM (встречается сокращение и F-RAM) FM24C256-G:
FM24C256-G
Расшифровка обозначения чипа FM24C256-G:
FM - Cypress;
24 - I2C FRAM;
C - напряжение питания 4,5...5,5 В;
256 -  емкость 256 Кбит;
G - 8-выводный SOIC-корпус
Для удобства применения таких микросхем я применил
SOIC-DIP адаптеры:
SOIC-DIP адаптер

FRAM - это запоминающее устройство, построенное по сегнетоэлектрической (англ. ferroelectric) технологии. Микросхема FM24C256-G обладает емкостью 32 КБайта и подключается к шине I2C. Эта микросхема выпускается в SOIC-корпусе:
FM24C256-G
Назначение контактов:

Обозначение вывода Назначение вывода:
A0 бит 0 адреса
A1 бит 1 адреса
A2 бит 2 адреса
WP защита от записи
SDA данные/адрес (I2C)
SCL тактирование (I2C)
VDD напряжение питания 5 В
VSS "земля"

Подключение к Arduino Nano осуществляется так:

Вывод FRAM VDD SDA SCL VSS
Вывод Arduino Nano 5V A4 A5 GND

Я использую два чипа FRAM, задав их адреса как
0x50 (все адресные линии "плавающие");
0x51 (адресная линия A0 подключена к выводу VDD, остальные адресные линии - "плавающие").

Для поддержки шины I2C для Arduino используется библиотека Wire.h.

Тестирование быстродействия эмулируемой памяти

Я использовал тест последовательного и случайного доступа к ОЗУ.

Среднее время доступа при последовательном доступе к памяти составляет около 80 микросекунд.

Для генерации случайного адреса памяти я использую XOR-алгоритм генерации псевдослучайных чисел в диапазоне 0...65535 с начальным значением (seed) 0xABCD:

rnd ^= rnd << 2
rnd ^= rnd >> 7
rnd ^= rnd << 7

По результатам тестов время случайного доступа к эмулируемой картой оперативной памяти составило около 7 миллисекунд (при половинной скорости работы карты) и около 6 миллисекунд (при полной скорости).

Такое резкое различие при последовательном и случайном доступе обусловлено использованием системы кэширования.

Я использовал тест на Бейсике (в интерпретаторе TINYBASIC) для оценки влияния кэша на быстродействие в реальной задаче:
BASIC тест быстродействия
(размер линии кэша составляет 64 байта)

кол-во линий кэша время выполнения теста (секунды)
2 345
4 155
6 80
8 60

Тестирование памяти

Популярным способом проверки памяти является запись/чтение в ячейки памяти/из ячеек памяти сначала байтов 0x55 (01010101), а затем байтов 0xAA (10101010), либо байтов 0xA5 (10100101)  и 0x5A (01011010).
В статье "Ram Tests" (http://www.ganssle.com/articles/ramtest.htm) советуется записывать последовательно в ячейки памяти и проверять при чтении случайную последовательность из, например, 257 байт. Для ускорения теста можно писать/читать, например, каждую третью или пятую последовательность.
Я использую этот метод с длиной последовательности 33 - на единицу больше размера линии кэша - из байтов:

0x3D 0x55 0x5F 0x15 0x23    0x47 0x1C 0x31 0x48 0x60  
0x35 0x11 0x4F 0x2F 0x2E    0x14 0x20 0x5B 0x39 0x26  
0x09 0x61 0x34 0x30 0x50    0x2B 0x4B 0x0F 0x63 0x1F   0x10 0x1E 0x36

(случайная последовательность сгенерирована с помощью сервиса RANDOM.ORG).

Сначала я выполняю проход теста с исходной последовательностью, а затем - с инвертированной.

Я выполнил 7400 проходов теста памяти (с помощью команды монитора "M") - ошибок обнаружено не было:
тест памяти

Также успешно было пройден тест памяти UMPIRE.COM:
тест памяти UMPIRE

Переключение банков памяти

Я сделал эмуляцию устройства управления памятью (Memory Management Unit - MMU), осуществляющего переключение банков памяти.

Я разделил адресное пространство 0x0000...0xFFFF на 16 блоков (с номерами от 0 до 15) размером по 4 КБайта. Каждый блок может быть отображен в один из банков с восьмибитным номером.

Старший бит номера банка определяет тип устройства памяти:
0xxxxxxx - SD RAM;
1xxxxxxx - FRAM.

SD RAM содержит 4 банка памяти размером 64 КБайта каждый, размещенных на SD-карте (1 сектор содержит одну линию кэша - 64 байта).

FRAM может быть представлена чипами (от одного до восьми), I2C-адреса которых определяют их соответствие банкам памяти размером 32 КБайт каждый (размер банка равен адресуемому размеру памяти -  64 КБайта):

I2C -адрес 0x50 0x51 0x52 0x53 0x54 0x55 0x56 0x57
Номер банка 0x80 0x81 0x82 0x83 0x84 0x85 0x86 0x87

Соответствие банков блокам определяется номерами банков в наборе из 16 регистров.
Для задания номера банка для определенного блока используются две команды вывода в порт:

OUT D0, номер_блока
OUT D1, номер_банка

Также для переключения блока памяти X на банк памяти Y можно использовать команду монитора YXY.

Для определения текущего банка для определенного блока используется команда:

IN D0, номер_блока

Эмуляция консоли

Сейчас для связи Arduino Nano с компьютером через последовательный порт (для ввода-вывода команд и данных) я использую преобразователь USB-Serial и терминальную программу TerraTermTera Term (https://osdn.net/projects/ttssh2/releases/).
Для настройки последовательного порта в программе Tera Term предназначен пункт меню Serial -> Serial port...:
эмуляция микрокомпьютера
Последовательный порт должен настраиваться на скорость 115200 бод, 8 бит данных, без бита четности, 1 стоп-бит и аппаратное управление потоком:
эмулятор настройка

Для управления потоком используется вывод CTS преобразователя USB-Serial, который соединен с выводом D2 Arduino. "Низкий" уровень на этом выводе разрешает передачу данных от компьютера к эмулятору.

Я сделал эмуляцию коммуникационных портов в соответствии с архитектурой компьютера "Altair 8800" , созданного Micro Instrumentation Telemetry Systems (MITS) :

основной последовательный порт Arduino отображается одновременно на порты двух плат:
плата SIO-A (88SIO) (чип COM2502):
порт 0x00 (0): порт статуса (TTS) (R - бит 5 = 1 (0x20) - есть символы для ввода, бит 1 = 1 (0x02) - терминал готов к выводу символа)
порт 0x01 (1): порт данных  (TTI/TTO) (R/W)

первый порт платы 2SIO (88-2SIO) (чип EF6850 - 8-битный асинхронный адаптер коммуникационного интерфейса):
порт 0x10 (16): порт статуса (TTS) (R - бит 0 = 1 (0x01) - есть символы для ввода, бит 1 = 1 (0x02) - терминал готов к выводу символа)
порт 0x11 (17): порт данных  (TTI/TTO) (R/W)

Для настройки терминала в программе Tera Term предназначен пункт меню Serial -> Terminal...:

По умолчанию размер экрана - 80 колонок, 25 строк:
терминал эмулятора

причем последняя строка не используется для вывода информации. Если происходит полное заполнение экрана (после операции ввода с консоли), то вывод на экран и работа эмулятора приостанавливается, а в самой нижней строке появляется приглашение ">>>" для нажатия какой-либо клавиши после просмотра информации на экране (страничный режим). После нажатия клавиши происходит прокрутка информации на экране и работа эмулятора продолжается до следующего полного заполнения экрана.

Эмуляция дисководов

Я эмулирую поведение дисковода гибких дисков на уровне обращений чтения/записи к портам.

Порты контроллера дисковода/DMA:
порт 0xE0: порт статуса (R)/ команды (W)
порт 0xE1: порт  дорожки (R/W)
порт 0xE2: порт сектора (R/W)
порт 0xE3: порт выбора диска (R/W)
порт 0xE4: порт младшего байта адреса DMA-буфера (W)
порт 0xE5: порт старшего байта адреса DMA-буфера (W)

Для эмуляции дисководов гибких дисков (на дискете 77 дорожек с 26 128-байтными секторами на каждой = 2002 (0x7D2) сектора = 256256 байт = 250,25 Кбайт) я  использую ту же SDHC-карточку, выделив в ней области, начиная с сектора  0x0001000, для эмуляции 100 дискет (128-байтный сектор эмулируемой дискеты размещен в начале 512-байтного сектора карточки, для каждой дискеты отводится 0x1000 секторов).

Для записи образа дискеты на карточку используется команда монитора Nxxxxxxxx, где xxxxxxxx - номер сектора карточки, начиная с которого запиываются данные (в 16-ричной форме), например, команда N00001000 записывает образ дискеты с номером 00.

С помощью команды Z монитора я могу "вставить" дискету в любой из четырех дисководов A, B, C или D:
(например, команда ZB02 монтирует дискету с номером 02 в дисковод B)
эмуляция дисководов

Номера "вставленных" дискет запоминаются в EEPROM Arduino и восстанавливаются при повторном запуске эмулятора.
Дискету в дисководе можно отформатировать (заполнить байтами 0xE5) с помощью команды X монитора (например, XA - форматирование дискеты в дисководе A).

Файлы могут быть скопирован с одного диска на другой с помощью утилиты PIP:
например, PIP B:=A:TEST.COM копирует файл TEST.COM с диска A на диск B.

Адаптация операционной системы CP/M

Операционная система CP/M ("Control Program for Microcomputers") версии 2.2 (однопользовательская и однозадачная) была выпущена компанией  Digital Research Inc. (DRI) под руководством Гарри Килдалла (Gary Kildall) и его жены  Дороти МакЭвен (Dorothy McEwen) в 1979 году.
Гарри Килдалл
Гарри Килдалл (Gary Kildall)

Руководство по ОС CP/M версии 2.2 (317 страниц!) можно загрузить здесь - http://www.cpm.z80.de/manuals/cpm22-m.pdf .

Система CP/M должна настраиваться под размер оперативной памяти конкретного компьютера - этот процесс называется "CP/M Alteration".
Для адаптации операционной системы под актуальный размер памяти я создал проект на Go getcpm (проект доступен на GitHub - https://github.com/Dreamy16101976/getcpm).
Для компиляции программы на Go в исполняемый файл getcpm.exe требуется использовать команду:

go build getcpm.go

При запуске программы getcpm.exe требуется указать размер памяти в килобайтах (XX) и желаемый серийный номер системы CP/M (6 байтов в 16-ричном виде, YYYYYYYYYYYY), после выполнения настройки создается файл CPMXXK.SYS и указывается его восьмибитная контрольная сумма:
настройка CP/M

Программа, используя файл CPMDIFF.SYS, корректирует адреса в файле CPM00K.SYS, выполняя настройку на заданный объем оперативной памяти:
настройка CP/M

Размер получаемого файла, содержащего CCP и BDOS операционной системы CP/M версии 2.2, равен 5632 байта.
Я выбрал вариант с 64 Кбайтами ОЗУ (64K system).

Ссылка на скачивание zip-архива с образом CP/M CPM64K.SYS:
https://acdc.foxylab.com/sites/default/files/CPM64K.ZIP

Для записи операционной системы CP/M на SD-карточку используется команда монитора N00000100, где 00000100 - номер сектора карточки (в 16-ричной форме), начиная с которого записывается образ системы.

После ввода команды монитор ожидает начала передачи от компьютера, передавая символы C. Затем в программе Tera Term необходимо выбрать для загрузки файл CPM64K.SYS с образом системы. После окончания загрузки происходит возврат в монитор.

CCP и BDOS располагаются на SDHC-карточке, начиная с сектора 256, откуда их  загружает написанный мной начальный загрузчик.

Карта памяти системы:

0xFFFF
BIOS - базовая система ввода-вывода
0xFA00
BDOS - базовая дисковая операционная система
0xEC06
CCP - интерпретатор командной строки (командный процессор)
0xE400
TPA (Transient Program Area) -
область программ пользователя
0x0100
cлужебная область операционной системы
0x0000

Я сделал перехват функций BIOS (при обращении по соответствующим адресам памяти) и их реализацию:
(смещения указаны относительно адреса 0xFA00)

Смещение Функция
0x00 BOOT - "холодная" перезагрузка
0x03 WBOOT - "горячая" перезагрузка
0x06 CONST - получение состояния консоли
0x09 CONIN - ввод из консоли
0x0C CONOUT - вывод в консоль
0x0F LIST
(не реализовано)
0x12 PUNCH
(не реализовано)
0x15 READER
(не реализовано)
0x18 HOME - переход в начало диска
0x1B SELDSK - выбор диска
0x1E SETTRK - выбор дорожки
0x21 SETSEC - выбор сектора
0x24 SETDMA - установка адреса DMA-буфера
0x27 READ - чтение сектора
0x2A WRITE - запись сектора
0x2D LISTST - получение состояния устройства вывода листинга
(не реализовано)
0x30 SECTRAN - трансляция логических (с 0)/физических (с 1) секторов

Для ввода/вывода информации в CP/M используются такие логические устройства:
CONSOLE - консоль;
LIST - устройство для вывода листинга (обычно принтер);
READER - устройство ввода c перфоленты;
PUNCH - устройство вывода на перфоленту.

Эксплуатация эмулятора

Карта памяти SD-карточки (сектора (512 байт)):

0x100 ... 0x10A  - CCP & BDOS (загружаемая ОС CP/M) (11 секторов)
0x1000 ... 0x64FFF - данные эмулируемых дискет (100, на дискету выделено 0x1000 секторов) (128- байтный сектор дискеты в одном секторе)
0x70000 ...  0x71FFF - банки (8) памяти (1 линия кэша (64 байта) в одном секторе)
--- 228 МБайт

После включения Arduino Nano происходит детектирование FRAM-чипов памяти на шине I2C, инициализация памяти на SD-карте, автоконфигурация MMU, проверка оперативной памяти:
i8080 тест памяти

Затем запускается монитор и отображается его приглашение к вводу команд ">".
Я реализовал для монитора следующие команды:
RXYY - запись байта YY (hex) в регистр X
DXXXX - отображение байта памяти по адресу XXXX (hex)
LXXXXYY - запись байта YY (hex) в память по адресу XXXX (hex)
IXX - чтение байта из порта XX (hex)
OXXYY - запись байта YY (hex) в порт XX (hex)
W - включение/выключение режима отладки
G - запуск программы с адреса XXXX (hex)
QXXXX - установка точки останова (breakpoint) на адрес XXXX (hex)
F
- загрузка двоичной информации из файла формата Intel HEX
TXXXX - загрузка текстового файла в память с адреса XXXX (hex)
BXXXX - загрузка двоичного файла в память с адреса XXXX (hex)
ZXYY - "вставка" дискеты с номером YY в дисковод X
XX - форматирование диска X (X = A,B,C,D) - область на карточке, отведенная для диска, заполняется байтами 0xE5
NXXXXXXXX
- запись двоичного файла на карточку, начиная с блока XXXXXXXX (hex) (каждый фрагмент файла длиной 128 байт записывается в начало 512-байтного сектора карточки)
C - загрузка ОС CP/M
H - перезагрузка Arduino
M
- тест памяти
YXY - переключение блока памяти X на банк памяти Y
V
- вывод информации о текущем состоянии эмулятора

При вводе команды "C" происходит загрузка операционной системы с SD-карточки (длится около 9 секунд):
загрузка CP/M
64K SYSTEM - размер памяти, используемый системой, в килобайтах
CBASE - адрес начала CCP
FBASE - адрес начала BDOS
BIOS - адреса процедур BIOS
После загрузки отображается приглашение операционной системы "A>".

В ОС CP/M встроено несколько команд:
DIR - вывод списка файлов
REN - переименование файла
ERA - удаление файлов
SAVE - сохранение области памяти в файл
TYPE - вывод содержимого текстового файла
USER - задание текущего номера пользовательской области

Пример результата выполнения команды DIR:
CP/M команда DIR
При нажатии клавиш CTRL + / при запросе ввода с консоли происходит возврат из ОС CP/M в монитор.

Загрузка файлов в эмулятор

Для загрузки файлов в эмулятор посредством терминальной программы (я покажу этот процесс на примере программы Tera Term)  используется протокол XMODEM.

Для загрузки в оперативную память двоичного файла используется команда монитора Bxxxx , где xxxx - начальный адрес в памяти для загрузки файла (в 16-ричной форме):
загрузка файлов в эмулятор

После ввода команды монитор ожидает начала передачи от компьютера, передавая символы C.

Затем в программе Tera Term необходимо выбрать файл для загрузки:
эмулятор восьмибитного компьютера

После окончания загрузки происходит возврат в монитор:
эмуляция 8080

Для загрузки в оперативную память текстового файла используется команда монитора Txxxx , где xxxx - начальный адрес в памяти для загрузки файла (в 16-ричной форме). Если в загружаемом текстовом файле встречается байт со значением 0xA, то он считается символом конца файла и передаваемые дальше байты игнорируются.

Для загрузки в оперативную память данных из файла формата Intel HEX используется команда монитора F.

Для записи загруженных (с адреса 0x100) данных на диск необходимо загрузить ОС CP/M командой монитора C и записать содержимое памяти, начиная с адреса 0x100, на диск в файл FILE.COM командой
SAVE n FILE.COM , где n = [ размер файла FILE.COM / 256 ] + 1.

Системный диск

Я записал на эмулируемый флоппи-диск стандартные системные программы:
ASM.COM - ассемблер
DDT.COM - отладчик
DUMP.COM - вывод файла в 16-ричном виде
ED.COM - текстовый редактор
LOAD.COM - создание COM-файла из HEX-файла
PIP.COM - копирование файлов
STAT.COM - вывод состояния диска
SUBMIT.COM - выполнение SUB-файла
XSUB.COM - выполнение расширенной программы SUBmit

Также я разместил на диске интерпретатор бейсика TINYBAS.COM и тестовые программы TEST.COM, 8080PRE.COM, 8080EX1.COM.

Ссылка на скачивание zip-архива с образом этого диска DISK_1.BIN:
https://acdc.foxylab.com/sites/default/files/DISK_1.ZIP

Запуск программ в эмуляторе

В эмуляторе можно запустить эмулятор от микрокомпьютера "Altair 8800".

После запуска появляется приглашение в виде точки:
эмуляция Altair 8800

Вводя команду D, получаем дамп области памяти:
эмулятор Альтаира

Программирование в эмуляторе

Для программирования в ОС CP/M доступно множество интерпретаторов и компиляторов.

BASIC
Я запустил интерпретатор бейсика TinyBASIC (SHERRY BROTHERS TINY BASIC VER. 3.1):
TinyBASIC CP/M

Ссылка на скачивание zip-архива с исполняемым файлом TINYBAS.COM и файлом справки TINYBAS.DOC:
https://acdc.foxylab.com/sites/default/files/TINYBAS.ZIP

Ada
Я записал на эмулируемую дискету компилятор языка программирования Ada версии 2.10 от компаний Supersoft Inc. и Maranatha Software Systems.
Архив с компилятором можно скачать здесь - acdc.foxylab.com/ada.zip .
Компиляцию программы TOWERS.ADA решения задачи о "Ханойской башне" я выполнил командой:

ADA TOWERS
компилятор Ada

В процессе компиляции создаются временные файлы TOWERS.INT и TOWERS.OPT и результирующий файл TOWERS.COM.

Затем я запустил скомпилированную программу TOWERS.COM на выполнение командой

TOWERS

и получил решение задачи для трех колец:
задача о Ханойской башне

В качестве теста производительности я использовал программу PRIMES.ADA.
Для выполнения программы на эмуляторе потребовалось около 8 часов (!), при этом было найдено 1899 простых чисел:
PRIMES.ADA

YouTube
Видео работы проекта в реальном времени:
https://youtu.be/LHFmt3qWAuY

Планы дальнейшего развития:

  • подключение PS/2 клавиатуры
  • подключение телевизора или LCD-экрана

Продолжение следует

Яндекс.Метрика