Самодельный Ноутбук Zedripper С Шестнадцатью Z80

Сыграйте в альтернативную историю создания компьютеров, подойдя к вопросу многозадачности с точки зрения аппаратного обеспечения.

Собрать компьютер, на котором я мог бы писать забавные короткие программы в поезде на работу.

Создать платформу, на которой можно было бы проводить относительно простые эксперименты с компьютерной архитектурой.

64 КБ выделенной памяти для каждого Z80. Терминальный ускоритель, соответствующий стандарту ANSI, с 16 выходами.

Все процессоры и устройства соединены полностью синхронной однонаправленной кольцевой сетью, работающей на частоте 83 МГц.

128 МБ памяти на SD-карте (16 x 8 МБ памяти в CP/M).

«Серверное» ядро, которое загружает CP/M 2.2 и запускает файловый сервер CP/NET (написанный на Turbo Pascal 3 на том же компьютере!), обеспечивая общий доступ к SD-карте.

15 «клиентских» ядер, запускающих CP/NOS из ПЗУ.

Каждый клиент имеет доступ к общему хранилищу, и каждый может запускать любую программу CP/M 2.2, не конкурируя за ресурсы с другими ядрами.

Аппаратное обеспечение не могло справиться с этим (и было очень сложно заставить программы хорошо работать в таких операционных системах, как DOS), пока мы не перешли в эпоху 386-х компьютеров и компьютеров с памятью более 4 МБ.

В процессе своего исторического увлечения компьютерами я наткнулся на кое-что очень интересное для меня: на ранних этапах разработки ОС КП/М поддерживал «сетевую» версию под названием CP/NET. Ее идея сегодня знакома большинству людей — установить в офисе одну-две «настоящие» машины с большими накопителями и принтерами, ресурсы которых будут совместно использоваться тонкими клиентами, терминалами с ЦП и оперативной памятью.

Каждый пользователь будет работать так, как если бы у него была собственная машина с CP/M и доступом к большим дискам и принтерам.

Как я уже упоминал, ЦП и ОЗУ (обычно у Z80 было 64 КБ DRAM) не были особенно дорогими, но все внешние компоненты, необходимые для создания полезного компьютера (диски, принтеры, мониторы и т. д.), добавлялись к общей стоимости.

.

В то время добавление нескольких ЦП/ОЗУ к компьютеру казалось несколько декадентским подходом к предоставлению нескольких ЦП и ОЗУ одному пользователю.

Даже CP/M пошел по пути разделения времени для ОС MP/M. Я обнаружил, что ближе всего к этому была компания Exidy — в 1981 году они выпустили свою машину Multi-NET 80, которая позволяла добавлять до 16 карт, каждая с Z80 и оперативной памятью.

Однако он был разработан для размещения до 16 отдельных пользователей, а не для одного пользователя, одновременно запускающего 16 программ.

Так близко… Перенесемся на 40 лет вперед, и транзисторы действительно стали дешевле.

После закрытия лаборатории мне достались в наследство несколько ПЛИС чудовищных размеров (Stratix IV 530GX), и я задумался о том, что интересного можно сделать с одной из них.

В какой-то момент я наткнулся на очень интересный проект Гранта Сирла.

Мультикомп , и собрать работающую машину с CP/M и одним процессором оказалось довольно легко.

Но мне нужно было больше.

Я решил посмотреть, смогу ли я создать многоядерную машину CP/M с настоящей многозадачностью — ничего особенного, просто грубая сила.

ЦП 0 загружается прямо из ПЗУ, которое я получил от Гранта, а остальные узлы загружаются из ПЗУ CP/NOS объемом 4 КБ, которое я получил от симулятора Atari. Оба ПЗУ ожидают подключения к последовательному терминалу через стандартный интерфейс, а клиенты CP/NOS ожидают подключения к серверу другого последовательного порта.

На таких больших ПЛИС легко разработать собственную логику.

Я разработал собственную логику декодирования адресов, благодаря которой Z-Ring для каждого CPU появляется в схеме отображения адресов там, где это необходимо.

Для загрузки прошивки используется Ethernet, поэтому на боковой стороне корпуса есть такой порт, а также адаптер для SD-карты и слот для внешнего последовательного порта (пока не используется).

Это позволило перевести PS/2 в ASCII, а также для большего удобства легко сопоставить некоторые дополнительные клавиши (F1-F12) с «магическими» последовательностями команд терминала.

Затем контроллер выводит Z80 байтов через UART со скоростью 9600 бод (используя простой делитель напряжения, который изменяет напряжение от 5 В до 2,5 В для FPGA).

Учитывая, что данный проект был собран из разного хлама, валявшегося в моей мастерской, это было удобное решение, которое хорошо сработало.

Для дисплея требуется таймер 83,33 МГц (1280x800 при 60 Гц), поэтому для простоты вся схема работает на этой частоте.

В проекте Гранта Multicomp был код VHDL для простого ANSI-совместимого терминала.

Я переписал его логику на Verilog, а затем разработал видеоконтроллер, поддерживающий 16 независимых терминалов, подключенных через один узел Z-Ring. Дисплей 1280x800 считается дисплеем 160x50 символов (со шрифтом 8x16), и каждый терминал работает как «спрайт» 80x25, который можно перемещать в любое место экрана (со списком приоритетов, регулирующим последовательность отрисовки терминалов).

Поскольку каждый терминал работает независимо от других, он имеет свой собственный конечный автомат с 2 КБ ОЗУ для символов и 2 КБ «атрибутной» ОЗУ (для хранения информации о цвете).

Каждый символ поддерживает 4-битный фон и цвет символа.

Поскольку все терминалы должны иметь одинаковый отступ, а «ячейка» 8x16 может содержать только один символ, все терминалы могут использовать одно и то же ПЗУ размером 2 КБ, содержащее шрифт. В общей сложности логика дисплея использует около 66 КБ блочной оперативной памяти.

В целом, это очень простой оконный менеджер для моих терминалов CP/M, почти полностью работающий на аппаратном уровне.

Это одна из самых богатых областей для исследований — пока переставлять терминалы может только ЦП сервера, но у меня есть далеко идущие планы добавить устройство позиционирования типа мыши, которое позволит, используя только аппаратное обеспечение, перетаскивать окна и изменять их.

приоритет отображений.

Поскольку контроллер терминала является лишь одним из узлов Z-Ring (и этот интерфейс очень легко перенаправить на любой из Z80), в планы на будущее входит, возможно, добавление «полноэкранного» терминала 160x50 (возможно, в качестве «фона») и настоящее отображение цветов 1280x800x64 с использованием быстрой внешней SRAM на плате.

Удобно, что ПЛИС имеет стабилизаторы на 3,3, 5 и 12 В, которые довольно легко подключить, поэтому ПЛИС получает питание напрямую от литий-полимерного аккумулятора емкостью 5000 мАч с напряжением 14,4 В, а затем распределяет питание на все остальные устройства.

Одной из проблем было то, что мне не хотелось каждый раз разбирать ноутбук, чтобы зарядить его, но у аккумулятора был обычный разъем питания +/-, а также «балансный» разъем, который подключался к каждой отдельной ячейке.

.

Мое далеко не идеальное решение заключается в том, что кнопка питания переключает соединение аккумулятора между питанием FPGA и разъемом для зарядки, расположенным в углублении, закрытом сдвижной крышкой.

Это не очень удобно, но можно просто сдвинуть крышку и вытащить разъемы для подключения к зарядному устройству без использования шестигранных ключей.

Зарядка выглядит странно Я не проверял батарею тщательно, но ее хватает как минимум на 3 часа (более чем достаточно, чтобы покрыть поездку на поезде).

Скорее всего, без какой-либо оптимизации потребления его хватит примерно на 6 часов.

Он не поддерживает использование во время зарядки, но аккумулятор работает достаточно долго, чтобы с ноутбуком не было проблем.

Я подпружинил шарниры экрана, так что он действительно выглядит как обычный, хотя и несколько медленный ноутбук.

Я хотел придать ему вид 1980-х годов, поэтому верхние углы экрана напоминают Cray, а также имеется подставка для запястий из искусственной кожи.

Край фанеры, вырезанной лазером, очень неприятен для рук, поэтому эта подставка оказалась на удивление функциональной.

Поскольку эта машина была создана для написания программ на Turbo Pascal, я попробовал провести несколько микротестов скорости.

В результате получилось 15-35 тысяч операций с плавающей запятой в секунду (при использовании 48-битного типа Real в TP) и около 1 миллиона целочисленных операций в секунду (при использовании 16-битного типа Integer).

Неплохо для 8-битного процессора и достаточно удобной среды программирования.

Интересным будущим проектом может стать разработка ускорителя с плавающей запятой.

Ноутбук сделан из фанеры, и очень хочется его чем-нибудь прикрыть.

Устройство позиционирования джойстикового типа.

Подключите его к контроллеру клавиатуры.

Отслеживание батареи.

АЦП на контроллере клавиатуры позволял достаточно легко контролировать аккумулятор, чтобы я знал, каков уровень заряда.

Wi-Fi – у меня есть ESP32, на котором можно запустить Zimodem! В сочетании с режимом точки доступа телефона это должно позволить мне выходить в Интернет, находясь в пути.

Есть хорошие терминальные приложения для CP/M, но было бы здорово написать что-то вроде IRC-клиента или простого веб-браузера.

Также будет удобно использовать протокол передачи файлов Кермит на современном компьютере под управлением Linux. Доступный снаружи последовательный порт для подключения к другой машине (разъем для него уже распечатан, его нужно только припаять).

Светодиод, показывающий текущий статус.

Спереди для него уже есть отверстие - сейчас планирую подключить его к сигналу доступа к SD-карте.

Тап приятный и четкий, клавиатура большая и удобная, корпус громоздкий, но весит мало (и помещается в рюкзак).

Ноутбук даже оказался на удивление эргономичным для работы в поезде.

Я думаю, что я на правильном пути.

Возможность открывать текстовый редактор в одном окне для заметок и отладку кода TP в другом чрезвычайно удобна (или возможность делать заметки во время игры в Zork!).

Чувствуется, что такой подход к созданию недорогих многозадачных компьютеров на базе CP/M мог бы существовать.

Оставайтесь с нами и следите за новостями (или пишите мне электронная почта , если уж совсем не терпится).

В какой-то момент я, вероятно, присоединюсь к 21 веку и открою аккаунт на github. Увы, все упирается в то самое «свободное время».