SBCV20のソフト開発

前回の投稿に続きSBCV20のソフトウェアの話。最初にネイティブモードのハローワールドとエコーバックテスト(受信割り込み付き)でハードウェアの動作を確認。次に、エミュレーションモード(CPU判定付き)で同じことをやって8080の機械語の動作を確認。参考までにソースをGistに貼っておく。これで8080の機械語の、いわば入れ物が完成。あとはいまハローワールドとエコーバックテストが書いてあるところにBASICを埋め込むだけ。

8080とV20はROM、RAMの順序が逆なので、8080のBASICは前後を入れ替えてからV20へ持ち込むことになる。その入れ替えがしやすいように、8080のBASICをあらかじめアドレス非依存に書き直しておく。この過程で1バイトのRST命令を3バイトのCALL命令へ置き換えたが、先頭のスカスカな領域が詰まって、全体では1バイト減。これをSBC8080で動作確認。実行速度はASCIIART.BASによるベンチマークテストで変化なし。

SBC8080で動いたBASICをSBCV20へ埋め込み可能な形に微修正。すなわち、端末制御はネイティブのサブルーチンを呼び出ように書き換え、8080の側でやっている割り込み処理を削除し、ROMとRAMの開始アドレスを変更。これは過渡的なBASICであり、単体ではテストできないから、失敗できない緊張感でいっぱい。その機械語をテキストに書きだし、SBCV20のBASICのソースに埋め込んでアセンブル。ROMに焼いてテスト。

SBCV20のBASICは、基本的にエミュレーションモードで動くが、端末制御でネイティブモードのサブルーチンを呼び出すし、端末からの受信割り込みで勝手にネイティブモードへ戻ってしまう。この往来にあたり、セグメントをどう取り扱うかで何度かやり直しを余儀なくされた。最終的にセグメントは終始0000H固定として起動に成功。V20と8080のコードが同じセグメントに混在するが、むしろアドレスの関係がわかりやすくなった。

SBCV20のBASICでASCIIART.BASが完走。これをもって当面の目標を達成したと判断する。実行時間は2分30秒。下の写真でタイマーが1分56秒を表示しているのは途中経過だから。この結果を、はせりんさんが公開しているASCIIART(マンデルブロ集合)ベンチマークのデータと照合すると、V20/10MHzのエミュレーションモードは8080/10MHzに相当。リアルな8080ではついぞ実現しなかった、未知の領域を体験しているわけだね。

SBCV20の関連ファイルをGitHubに置いておく。そのうち、MSBAS80V.HEXはSBC8080で動く。V20BASIC.HEXはSBCV20で動く。MSBASV20.LSTはSBCV20に埋め込まれたBASICのリスティングに相当し、たとえば、BASICのUSR関数で機械語を実行する際、内部構造を知るために必要となる。下の例は、USR関数の引数を取得し、1増加させ、戻り値とする処理。引数や戻り値の取り扱いでMSBASV20.LSTが示すアドレスを参照した。

SBCV20は、さしあたりスイッチサイエンスさんのマーケットプレイスで頒布するべく準備を進めているところ。あわせてオレンジピコショップさんにも協力を求めている。とはいえ、事務処理が苦手な上に一部の機能のテストができておらず、あれこれやっているうちにとうとう年末を迎えてしまった。恒例のお祭り騒ぎができるのは来年になると思う。まだちょっと早いかもしれないけれど2021年もよろしくお願い致します。

SBCV20の紆余曲折

日本電気V20(μPD70108)の平凡なコンピュータSBCV20は、このたびエミュレーションモードで8080のBASICが動き、めでたく当面の目標を達成した。ネイティブモードではハローワールドしか動いていないし、インテル8088はまだテスト中だが、先行きの見通しは立った。さしあたり、ここに至る紆余曲折をまとめておきたい。現時点の模範製作例を下に示す。シルクのREV04が試作4回めのプリント基板であることを示している。

別窓でPDFの回路図を開く

V20はじめましたで自信満々に「正しく動く」と予言したREV01はROMとRAMが逆順に配置されているという致命的な欠陥があった。8080の機械語を動かす目標に気をとられ、つい8080と同様、アドレスの前半にROM、後半にRAMを配置してしまった。V20は前半がRAM、後半がROMでなければならない。これを手配線で修正し、ハローワールドに成功。ついでにArduino方式の自動リセットを試して失敗しているが、そこはご愛敬。

さらにテストを進めるとICが全部CMOSのとき電源オフでも走り出す現象が発覚。わかりづらいと思うが、下の写真はACアダプタをつないでいないのにLEDが薄く点灯している。この問題は、忘れていたけれど、SBC6303とSBCZ80で経験済み。シリアルの受信信号が電源に回り込んでいるらしく、これらはRxDに抵抗を入れることで解決した。SBCV20はRxDの周辺にお誂え向きのスペースがあり、抵抗の1本くらいは簡単に追加できる。

REV02は、ROMとRAMの配置を修正し、RxDに抵抗を入れ、あともうひとつ、そんなに負荷が軽いのならUSBのバスパワーでも動くだろうと考えて電源選択用のピンヘッダを立てた。このいきあたりばったりで追加した試みが大失敗。バスパワーを選択すると、電源をオンにした瞬間、USB-シリアルアダプタがリセットしてしまう。数秒後に復帰するが、パソコンの端末ソフトが回線を見失って再起動を余儀なくされ、不便きわまりない。

陶芸家は窯焼きに失敗した作品をその場で割っちゃうでしょ。まあそんな気持ち。電源選択用のピンヘッダは、パスパワーで動かそうとして失敗した証拠であり、一刻も早く取り去りたい。てことで、ほかの部分を十分にテストしないままREV03を製作。案の定、問題が発覚。シリアルの受信信号が電源に回り込む件、RxDに抵抗を入れただけでは解決していない。下の写真はACアダプタをつないでいないのにLEDが煌々と点灯している。

ここまでひどい事態は経験がない。もしかしたらRxDの受信信号だけでなくRTSの制御信号も流入している恐れがある。どうしたものかと考えあぐねていたら、ありがたいことにネットで知り合った同好の士からいくつかの対策が寄せられた。そのうちElectrelicさんのアイデアを拝借。RxDの抵抗をダイオードに替え、根元をプルアップ。またCTSを端子から切り離し、GNDへ接続。これで一件落着。最終形のREV04は冒頭で紹介したとおり。

いやもう苦労話を始めたら言いたいことがたくさんあって終わらない。このあとソフトウェアの開発でもいろいろあるわけだが、それは次回の投稿に送ろうと思う。

SBCF8が完成

F8(3850/3853)で動くシンプルボードコンピュータSBCF8は最大の難関だったタイニーBASICの移植に成功し、このたびようやく完成にこぎつけた。SBCF8の大きな特徴は下に示すとおりSBC8080サブボードと接続してそのメモリと8251を利用するところ。特にF8を8251と組み合わせて端末制御する仕組みは世界で最初に実現した快挙、だと思う。

SBCF8の成果を第三者に検証していただけるよう、技術的な資料を下に公開する。最後まで苦しめられたタイニーBASICはデータパックに含まれる。そのソースは一見ダセぇ書きかたをしており、もうちょっとどうにかならないかと言われることが予想されるため、アセンブラを一緒に入れておいた。やれるもんならやってください。

回路図-sbcf8sch.pdf
部品表-sbcf8bom.pdf
データパック-sbcf8_datapack.zip(2.44Mバイト)

このブログではコンピュータがひとつ完成するたびにプリント基板を頒布してお祭り騒ぎをするのが恒例になっている。ところがSBCF8は、F8が入手困難すぎて、今のところプリント基板を頒布できる状況にない。いつもはドヤ顔でお披露目するのに、今回は心なしか勢いを欠いているなと感じたら、まあそのあたりが原因だと思ってもらいたい。ぴえん。

手ごわいぞF8

SBCF8は固有の装置が端末だけなので、普通、端末制御サブルーチンを書けばプログラムの移植が完了する。なのにいまだタイニーBASICを動かせないのはボクがとろいからではなく、いやまあそういう側面はあるにしろ、大きな理由はF8が普通でないからだ。ボクが書いた端末制御サブルーチンは、hello, worldを成功させたものの、タイニーBASICで使えるかどうか判断しきれていない。そのへんの事情を理路整然と説明してみる。

1.SBC8080サブボードの8251を流用するという妙案が仇となる
SBCF8はSBC8080サブボードと組み合わせてそのメモリと8251を拝借する。メモリは問題ない。8251は、8080だとIOアドレスに割り当てるが、F8のIOアドレスは内蔵IO専用だから、SBCF8ではメモリアドレスに割り当てた。これが問題の芽となる。でもさ、SBC8080サブボードと組み合わせるのは経済的に合理的で、悪くない構成だと思うんだよね。

2.F8ではメモリアドレスを必ずDCで指定する
F8ではメモリアドレスをDCで指定する。8251のレジスタもDCによる間接指定となる。DCは随所で使われるため、端末制御サブルーチンはこれを保護しなければならない。じゃあどうやるか。ちなみに、タイニーBASICのもとの記述は端末をポート0で制御しており、DCを使わないため、DCの保護をやらない。つまり、そのままパクれる例がない。

3.F8にはスタックがないんだぜ
想定外だったのはF8にスタックがないこと。かわりに、サブルーチンの呼び出し時に戻りアドレスを持つPC1と、DCの裏レジスタともいうべきDC1がある。これらはスタックでなく上書きだから、サブルーチンのネストが1回に限られ、それ以上のやりかたは「各自工夫」となる。プログラムの移植にあたっては、その流儀と合わせる必要がある。

4.SBCF8のhello, worldで使った端末制御サブルーチン
SBCF8の端末制御サブルーチンはhello, worldが動けばいいという前提で簡単にまとめてある。一例として1文字出力を下に示す。ここからもうひとつサブルーチンを呼び出すことはないのでPC1を保護していない。DCはDC1と入れ替えて保護した。どこか別のところでもDC1を使っていたら問題になりかねないが、hello, worldでは大丈夫だと確認した。

;	Scratchpad01の文字を8251で送信
;
PUTCH	XDC		;DCをDC1と入れ替える(退避)
PU1	DCI	UARTC	;DCに8251制御レジスタのアドレスを入れる
	LM		ステータスをAに読む
	NI	$01	;Aの送信可ビット以外をマスク
	BZ	PU1	;送信可でなければ繰り返す
	DCI	UARTD	;DCに8251データレジスタのアドレスを入れる
	LR	A,1	;Scratchpad01の文字をAに読む
	ST		;Aの文字を書く
	XDC		;DCをDC1と入れ替える(復帰)
	POP		;RETURN

ついでだから言っておくとDCの値はメモリアドレスを指定したあと自動的に1増加する。そのため、8251のレジスタを繰り返し読むときは、随時、DCにアドレスを入れる必要がある。もうひとついうとDCは3853(SMI)にあり、3850(CPU)のレジスタ構成図をいくら探しても見付からない。それやこれや意表を突いた仕様に悩まされているが、こまごまと説明すると愚痴っぽくなるので、そのへんはまた別の機会に述べようと思う。

5.サブルーチンのネストはこうやった
SBCF8の端末制御サブルーチンのうち文字列出力を下に示す。文字列出力は1文字出力を繰り返し呼び出す。1文字出力がPC1を上書きし、文字列出力が戻れなくなってしまう事態を避けるため、先頭でPC1をKに退避し、末尾で復帰させる。これで1回のネストが実現する。hello, worldでは、それ以上のネストがないことを確認してある。

;    DCで文字列の先頭を指し示して8251で送信
;
PUTS	LR	K,P	;PC1(戻りアドレス)をKに保存
PS1	LM		;DCの指し示す文字をAに読む
	CI	0	;Aの文字が末尾(0)かどうかを検査
	BZ	PS2	;もし末尾だったら処理を終了
	LR	1,A	;Aの文字をScratchpad01に入れる
 	PI	PUTCH	;PUTCHを呼び出す
	JMP	PS1	;繰り返す
PS2	PK		;Kにある戻りアドレスを復帰

以上のとおり、ボクが書いた端末制御サブルーチンはhello, worldのように小さくて見とおしのいいプログラムだと完璧に機能するが、タイニーBASICではわからない。少なくとも丸ごと流用はできそうにない。というわけで今タイニーBASICの構造を調べているところ。F8の面白さを存分に味わっているが、電子工作の神様、もうお腹いっぱいです。

F8でLチカとhello, worldに成功

F8開発ボードとSBC8080サブボードの組み合わせでLチカとhello, worldに成功した。これでF8の基本を理解できたといえる。ただし、製作の過程でいくつかの小さな間違いを修正している。そのへんを述べた上で、本番のボードSBCF8を披露したい。情報不足で行き詰っていたとき貴重な資料を提供してくださったtendai22plusさんに感謝します。

F8開発ボードで最大の冒険はSBC8080サブボードとつないでメモリと8251を流用するところ。すなわち、風変わりなF8の構造で普通のメモリと8251を動かせるかっていうこと。信号の遣り繰りは、たぶん試行錯誤が必要だと思ったのでGALに押し込んだ。F8開発ボードにSBC8080サブボードを乗せちゃうと見えないんだけど、ここね。

最初のテストはLチカをやるのが普通だが、当初はサブルーチンの呼び出しかたがわからず、点滅の間隔をとるために遅延を入れることができなかった。しかたなく遅延なしでポート1を振ってオシロで観測。うん、まあ振れてはいる。しかし振れ幅が2V強と小さい。このくらいだと、ただの雑音を拾っている可能性が捨てきれない。

試しにポート0を振ってみると、こちらは正しく5V付近の振れ幅が観測できた。その後、ポート1の振れ幅が小さいのは先にTD62003(ダーリントンアレイ)がつながっているせいだと判明。ICソケットからTD62003を取り外したらポート1も正常な振れ幅になった。本番では、TD62003とLED点灯回路をごっそり取り除くことにする。

ポートを振るだけのつまらない処理ではあってもプログラムが動いたからにはメモリの読み出しに成功している。おそらく書き込みも成功するだろう。その自信を背景にマニュアルを読み込み、サブルーチンの呼び出しかたを習得してLチカに成功。難しくて当然だ、F8にはスタックがないんだから(なのにスタックレジスタがあるんだぜ)。

続いてhello, worldね。こちらは8251を使う。SBC8080サブボードの8251は、8080だとIOアドレスにつながるが、F8にはそういう領域がないからメモリと同じアドレスに割り当てる。F8のアドレスをGALで遣り繰りし、$FF00以降をIO領域とした。凡ミスを修正して、ピンの割り当てはこんな感じ。凡ミスの内容は言う価値がないから言わない。

F8はリセット信号を出力しないので8251はポート1-7でリセットする。こういう仕組みに組み立てたことをすっかり忘れていたし、気付いたあともF8のポートが反転(0を書くと1を出力)することを知らなくて、ロジアナを持ち出す大騒動になった。回路は目論見どおりに動いている。忘れたり勘違いしたりするくらいは大した問題じゃない。

こうしてhello, worldの出力とエコーバックに成功。ソースをGistに貼っておく。最終的にはこちらで公開されているTiny BASIC for The F8を動かす予定。このBASICはポート0で端末を制御するが、うちのF8はメモリと同じアドレス領域の8251で制御するため、余計なレジスタを使い、メモリの操作を妨害する恐れがある。もう一波乱あるだろうな。

F8開発ボードはSBC8080サブボードより基板の奥行を広げ、そこへTD62003とLED点灯回路、電源とリセットのスイッチを配置している。前述のとおりTD62003とLED点灯回路は取り除くことにしたし、電源とリセットのスイッチは、この位置だと操作し辛い。奥行を広げた意味がないので、サイズを合わせることにした。

SBCF8はこんな感じ。SBC8080サブボードを下にして重ねると見た感じスッキリまとまると思う。まだBASICと格闘中だが、hello, worldが動いたからあとはソフトウェアでどうにかなると踏んで、もうプリント基板を注文してしまった。動作確認ができ次第、ハードウェアとソフトウェアの一式、情報を公開しようと思う。

いま(2020年11月7日)ちょっとaitendoを覗いてみたら、F8のうち3850は売り切れて3853が残っている。想像では、コレクターがCPUだけ買ってSMIを放置しているのだと思う。この際いっとくけどさ、F8は3850と3853のセットで一人前のCPUだからね。コレクションだとしても、3850だけではあまり価値がないよ。

V20はじめました

話せば長いあれこれをごっそり省略して言うと日本電気のμPD70108いわゆるV20で平凡なコンピュータを作ることにした。オレンジピコショップでV20と、勇み足で本来は不要な128KバイトのSRAMを調達。これで8080のエミュレーションをやってGrant’s BASICを動かすのが当面の目標。先々はZ80onSTM32やレトロシールドみたいに周辺部品をマイコンボードで代替するのが目標だが、それは話すと長いから省略したあれこれに含まれる。

V20の動かしかたは8088と同じ。厳密にはクロックの使いかたが違うが、V20は8088のクロックで動くし、専用のクロックもピン互換のクロックジェネレータで作ることができる。したがって設計は以前tomi9さんに作ってもらったSBC8088を流用。動作確認用のhello, worldもそのまま使えると思う。上位互換のCPUとはこんなに楽なものかと実感。

回路図を下に示す。メモリは最大1Mバイトまで乗るが64Kバイトにとどめてある。読み書き信号は3ステートで出せるように74257で作った上で普通に出している。この微妙な構造は先々マイコンボードと組み合わせる段階でちょっとした妙案を試す準備だが、マイコンボードと組み合わせないときでもこれといって悪さをするわけではないから問題ない。

別窓でPDFの回路図を開く
[2020/12/27追記]この回路図には誤りがあります。最終形はSBCV20の紆余曲折に示しています。

ガーバーはこんな感じ。ボクの製作物はケースを省略してプリント基板むき出しで動かす前提なので、いや本当は配線萌えしちゃうタチだから、パターンが少数のビアできれいに流れると嬉しくなる。これは奇跡の部品配置。あくまで個人の感想だけどね。そして、非論理的なことを言ってよければ、こういうふうに仕上がったときはたいてい正しく動く。

そんなわけでまだF8が動いていない段階でV20を始めてしまった。ほかにCOSMACと8749とZ180と68008をやりたいと思っている。一時期、ぶっ散らかった製作物をひとつずつ片付けていこうとしたことがあったけど無理だったから諦めた。行き当たりばったりでいいや、今までそういうやりかたを続けてきて、結局、何とかなっているんだから。

F8はじめました

秋葉原のコテコテな一帯から少し離れたところにあるaitendoはレトロCPUを気まぐれに並べてくれるから油断がならない。ついこの間はフェアチャイルドF8ファミリーを五月雨式に売り出した。3853かよそれだけあってどうせいっちゅうねんと無視した翌日に一式が揃って瞬殺、日々後悔していたところ、運よく少量再入荷したやつにあり付けた。

F8の構造は、仮にインテルの構造を普通の基準とすれば、ものすごく変わっている。そのことは、このブログにたびたびお越しくださるDAIさんからきいていたが、実物を手にして真剣にマニュアルを読むとつくづく実感する。こういうのわくわくするよね。いろいろ検討した結果、3861は置いといて、3850と3853で動かす回路を描いてみた。

別窓でPDFの回路図を開く

実物のメモリをつなぐとプリント基板がサービスサイズに収まらないから拡張コネクタを出しておいてSBC8080サブボードとつなぐことにした。現時点では3853のCPUREADがRD、RAMWRITEがWRの想定。そこらへんはいずれ確認することにして関連の信号はGALにつないでおいた。課題をすべて先送りしたプリント基板のガーバーはこんな感じ。

これは開発ボードで、前出の回路に加え、3850のポート10～13にLED点灯回路を追加してある。これでLEDの点滅くらいはできるんじゃないかと思う。うまくいけばSBC8080サブボードの8251がhello, worldを出力するし、もっとうまくいけば割り込みで端末の操作を拾うことができる、はず。知らんけど。まだ始めたばっかりなんで。

ザイログZ80伝説ついに出来

このブログは年1回だけ告知を認めてもらっておりまして、過去2年、何も告知しなかったのは告知するモノがなかったからなのですが、やっと出来ました。2020年8月31日、全国の書店で『ザイログZ80伝説』(出版社のページはこちら、Amazonのページはこちら)が発売されます。このブログで紹介したZ80のあれこれと、このブログでは紹介していない当時のエピソードを満載しています。よろしければ書店さんで手に取ってご覧ください。

別窓でPDFを開く(1.2MB)

この本はおかげさまでご好評をいただいております『インテル8080伝説』と『モトローラ6800伝説』の姉妹書です。もしこれらがコケていたらこの本は存在しませんでした。私にこの本を書く機会を与えてくださった皆様に心から感謝いたします。また、執筆に難航している期間、いや急いで読みたい本じゃねえからマイペースでやれよと励ましてくださった皆様どうもありがとうございました。これでライフワークを完結できました。

SBC6800のプチ改造で6502を動かす

つねづね6502を動かしてみたいと思っていたところ、ツイッターに画期的な情報があがった。ほうめいさんが無改造のSBC6800とゲタで6502を動かせるとツイート。最終形がまごころせいじつ堂のSBC6800を改造せずに6502を動かす＆unimon_6502の移植にまとめられている。後を追ってボクなりのやつを作ったので経緯をまとめておく。ボクはプチ改造してるし6502の一部品種に完全対応していないけれど工数がいくらか少ない。

SBC6800で修正が必要なのは下の回路図の赤字部分。X印は切断、▽印はプルアップ。ほうめいさんと違うのはプルアップを抵抗なしの電源直結にして手抜きしたところ。その一環でRDY(2番ピン)を現状のまま電源直結としている。RDYはW65C02でWAI命令を実行したときLを出力するから本当はまずい。しかし元祖6502やR65C02などは(たぶん)大丈夫だと思うのでW65C02の場合はWAI命令を使わないという条件を付けて問題を雑に解決。

プリント基板の加工を最小限にとどめるため切断する4か所はICソケット2段重ね方式。すなわちDIP40ピン平ソケットから1番ピン、3番ピン、5番ピン、39番ピンを抜いて、すでにあるICソケットへ重ね、そこへ6502を挿す。このやりかたは何かの事情で6502を取り外すとき重ねたICソケットのあちこちで6502と一緒にピンが抜けるから気を付けてね。

プルアップは電線をハンダ付け。一種の改造には違いないが、たった2か所、復元容易なプチ改造。6800に戻したくなったらすぐ戻せると思う。以上で作業が完了。

Electrelicさん作、ほうめいさんご提供のUniversal Monitorが動いたところ。実をいうとここに至るまでさんざん失敗したから、動くように作ったんだけど、動いてびっくりだよ。

試作機に挿さってるのはWAI命令を使ってはいけないと決めたW65C02。うっかり使っちゃうことを防ぐにはBASICを動かすのがいちばん。てことで、お馴染みGrant SearleさんのGrant’s 6502 ComputerからOSI MS-BASICを拝借、ソース3か所の修正で移植完了。移植済みのファイル一式をOneDriveに置いておく。その中のosi_bas.binが2764のイメージ。

6502のMS-BASICについてはCreate your own Version of Microsoft BASIC for 6502に詳しい解説がある。OSI MS-BASICはオハイオサイエンティフィックにライセンスされた版で、年代でいうとコモドールの後、アップルソフトの前。ボクの英語読解力が正しければ浮動小数点計算機能の有効桁数を9桁から6桁へ切り詰めて8KバイトのROMに詰め込んである。それをやってくれたおかげでSBC6800のROMに書き込むことができた。

ほうめいさん、Electrelicさん、Grantさん、そしてKuninetさんに感謝します。Kuninetさんは手配線の6502でOSI MS-BASICを動かし、ほうめいさんのやりかたでもボクより先に実物を完成して勇気とアドバイスをくれました(詳細はこちらをご覧ください)。

マザーボード図鑑

古いパソコンの資料写真を撮影する場合、最初にマザボ一発撮りをやっておいて各部のアップを撮る。マザボ一発撮りはアップの位置関係を確認するもので、文書に掲載すると細部がつぶれるから使えない。つまりたいていは日の目を見ない。もったいないのでここに残しておく。いずれもクリックすると別窓で横1920ピクセルの写真が開く。

日立製作所ベーシックマスターレベル2(MB6880L2)

日本電気PC-8001

シャープX1 CZ-812CE

エプソンQC-10

日本電気PC-9801N(初代98NOTE)

玄人志向 玄箱

レトロPCの研究にお役立ていただければ幸いです。