Arduino Nano 3.0 - эмулятор компьютера под управлением ОС CP/M

Добавил индикацию обращения к шине I2C (а так как кроме памяти там сейчас ничего не висит, то фактически обращения к ОЗУ) - светодиод, загорающийся при низком уровне линии SCL. Quick-and-dirty подход повесить светодиод через резистор 2 кОм не проканал совсем - не нашлось не одного модуля памяти на шине - слишком сильный pull-up оказался, через 4,7 кОм хоть и работало, но в 7407 есть свободные ноги, так что через повторитель получилось надежнее.
Теперь "модуль" ОЗУ выглядит так:

 

Экран начальной загрузки на кинескопном ТВ:

 

Интересно, ресурсов esp-8266 хватит, чтобы потянуть эмулятор без дополнений? Правда, там доступно только API.

 

80 мегагерц, 32 бита, 80 килобайт ОЗУ - с огрооомным запасом, и фрамки не нужны, но на таком железе IMHO нет челенджа в отличии от 8 бит на 16 мегагерцах с парой килобайт ОЗУ. А так то на них Спектрумы и Коммодоры эмулируют (https://zx-pk.ru/threads/31388-esp8266-zx-spectrum-emulator.html, https://github.com/aldolo69/esp8266_zxspectrum_emulator, https://blog.adafruit.com/2019/01/2...modore64-commodore-esp8266-epaper-hacksterio/)

 

Повозился с кэшами (для меня проектирование кэша - одна из самых увлекательных сторон этого проекта, такой себе косплей проектировщика CPU Теперь имеется кэш инструкций в 6 линий по 16 байт и кэш данных в 4 линии по 8 байт, для инструкций кэшируется только чтение, запись напрямую в память, для данных кэшируется и чтение, и запись, "грязный" флаг, все дела Кэш - LRU, но реализация похожа на FIFO, если промах - последние данные добавляются в хвост, голова выталкивается, если попадание - нужные данные обмениваются с хвостом. Кэширование заметно ускорило работу, особенно отзывчивость CP/M. Теперь время инициализации ОС от окончания загрузки до появления A> в FAST режиме (без прорисовки картинки) - менее 2 секунд.
P. S. И недавно снятое (тогда кэш данных еще был однолинейный) видео с экрана кинескопного ТВ в винтажном стиле

 

Я начал компаньон-проект по расширению графических возможностей своего "нанокомпьютера". Еще одна обычная Arduino Nano выступает в роли видеокарты, обеспечивающей вывод на ТВ монохромной картинки с разрешением 320 x 244 (как у Sega Genesis, формат 240p) ! Причем это не рисование линий в формате демки, это модуль с полноценной пиксельной видеопамятью - в качестве нее я использую SPI RAM 23K256. Как основной вариант я хочу сделать разделенный по времени доступ к этому чипу - во время 244 активных пиксельных линий им владеет видеопроцессор, а остальные 68 линий - память может юзать основной процессор. Ну а сейчас я просто для "proof-of-concept" реализовал управление через UART. Вот какую картинку выдает моя видеокарта после загрузки через UART в видеопамять - я сконвертировал в монохром скриншот из игры FoxyLand для Sega Genesis - картинка снята посредством тв-тюнера (я откопал в закромах свой старенький 609-й Бехолдер):

 

"Нановидеокарта" позволила вывести 64 символа в строке (как у Коммодора), что позволит отказаться от виртуальных экранов (DIR проканает, ну а если уж какая-нибудь программа хочет больше - без переноса никак, сама себе злобная Буратина). Самый мозговыносящий эпизод был сотворить на ассемблере подпрограмму, выводящую символы шириной 5 бит в 40-байтной строке. Но во времена Спектрума-АОНа Байес на ассемблере был не проще Ну и проверить и при необходимости раскидать по этапам различные команды, чтобы этап уложился в одну строку - иначе на мгновение срывается синхронизация, некрасиво получается.

 

Давай образ "дискеты" обсудим. Вам не кажется, что это выходит за рамки CP/M-80 ?

 

64 символа - это как раз для CP/M необходимо, иначе много мороки с переключением виртуальных экранов. И становится возможным эмулировать Dazzler - те же шахматы или "Жизнь" будут рисоваться графикой!
Я использую стандартный CP/M-овский формат, но только первые дорожки не заняты системой, она грузится из отдельной области на карточке.
P.S. А так "нановидеокарта" (Nano + 23K256 + 74HC00) - наверно, один из самых дешевых адаптеров, позволяющий выводить информацию с последовательного порта на экран ТВ в формате 64x25 символов или 320x224 точки.
P.P.S. Освобождение основного процессора от обязаности ТВ-вывода позволит занять кэшами память, которая сейчас используется под видеобуфер.

 

Добавил в прошивку "нановидеокарты" рисование линий Брезенхемом (на ассемблере) - так что теперь это поделие, наверно, один из немногих, если не единственный 2D-видеоускоритель на Arduino Nano
Экран, заполненный символами шрифта (снимок с ТВ-тюнера):

 

Попиксельный и посимвольный скроллинг вверх и вниз силами моей "нановидеокарты" (снято с помощью ТВ-тюнера) - как оказалось, мой подход аналогичен Roller RAM в 8-битных компьютерах Amstrad PCW:

P.S. На саму операцию скроллинга (безразлично, на пиксел или на символ) требуется время меньше периода строчной развертки, паузы между операциями добавлены для наглядности.

 

8-битный МК эмулирует 8-битный компьютер - это увлекательно, но эмуляция 32-битного RISC-V процессора и запуск Linux-программ в user mode на Arduino Nano - еще интереснее.

riscv4nano project is currently in active development

Пока я ограничился эмуляцией RV32I (прототип готов, осталось тестировать, там заморочек тоже хватает). Но gcc позволяет задать -march=rv32i -mabi=ilp32 и он сам уже будет эмулировать все остальные RISC-V-расширения.

С памятью сложнее - если не использовать printf/scanf, а использовать варианты попроще, то небольшая C-программка вполне вмещается в 32 Кбайта SPI RAM-ки 23K256. А так - или "SD" RAM как в начале cpm4nano (с кэшированием должно шевелиться, и памяти будет много-много-много) или SRAM через I2C-размножители пинов (на али сейчас продается 256-килобайтная платка с IS62WV12816BLL).

Линюксовые системные вызовы (syscalls) пока read(stdin)/write(stdout)/sbrk/exit.

 

Достойно броского заголовока Linux на Arduino.

То есть работает?

 

Вряд ли Linux, скорее слой POSIX совместимости, как, например в NuttX.

@FoxyLab, исходный код cpm4nano выкладывался\планируется выложить?

 

Для запуска ядра нужны в том числе атомарные операции, привилегированные регистры, таймер, реализация MMU. Принципиально это возможно, но все-таки слишком замороченно.
Моя ближайшая цель - запуск скомпилированных gcc программ с обращениями к syscalls. Файловый ввод-вывод - пока консоль. Можно реализовать и обращения к файлам, read/write о файловой системе знать ничего и не должны, можно хоть FAT12 реализовать, когда-то на Спектруме у меня получилось сделать чтение/запись файлов на 720-килобайтные ай-би-эмовские дискеты.
Ну и так как это все-таки МК - отображенные на память GPIO (пока я сделал гашение/зажигание светодиода при записи по адресу 0XFFFF0000).

RV32I - я реализовал все команды, теперь буду тестировать, там ведь очень замороченный порядок битов в некоторых командах, по причине экономии мультиплексоров при хардверной реализации.

 

Есть статьи о запуске Linux на минимальных RISC-ах (в любом случае, RISC-V - это практически единственный способ подобраться к Linux на таком МК - есть еще и ARMv3, он поддерживался древним Дебианом, но там эмуляция посложнее, да и не так интересно, как RISC-V), но как я выше написал, там много нюансов.
Поэтому, как Вы и написали, пока что - реализация RISC-V эмуляции и операционной прослойки.

На GitHub была выложена одна из начальных версий (о чем и было расписано - что она начальная - где только можно, но все равно были утомительные вопросы), но я ее убрал. cpm4nano (как впрочем и все мои Arduino-проекты) жестко привязана к Arduino 1.6.6 (один очень интересный момент, который исчез уже в 1.6.13 - в 1.6.6 ассемблерные вставки в разных местах файла видят друг-друга), и код дополнительно увешан volatile __attribute__((used)) , а то компилятор уж шибко умный.
Я все собирался написать на Хабре о cpm4nano, выложив актуальную версию. Но скорее всего, с risc4nano получится раньше.

 

Сделал вот такое MMU (теперь процессор может прыгать по 32-битному виртуальному адресному пространству как хочет, пока не закончатся фреймы физической памяти):

Код (C++):

//MMU constants
const uint8_t PAGE_SHIFT = 12; //1^12 (4K) page size
const uint32_t PAGE_MASK = ~(((uint32_t)(1 << PAGE_SHIFT))-1); //0xFFFFF000 mask to select page
const uint8_t PAGE_NUM = 8; //pages number = frames number
const uint8_t FRAME_INVALID_MASK = 0x01; //bit 0 - valid bit (0 - valid, 1 - invalid)

volatile __attribute__((used)) uint32_t page_table[PAGE_NUM]; //page table (all bits 1 - free)

//MMU init
void mmu_init() {
  uint8_t tmp8;
  //page table init
  tmp8 = 0;
  while (tmp8 < PAGE_NUM) {
    page_table[tmp8] = FRAME_INVALID_MASK;  //frame invalid
    tmp8++;
  }
}

//translate logical_address to physical_address
uint16_t mmu_translate(uint32_t logical_address) {
  uint16_t offset;
  uint32_t page;
  uint8_t tmp8;
  uint16_t physical_address;
  //logical address analyze
  offset = (uint16_t)(logical_address & ~(PAGE_MASK));
  page = (uint32_t)(logical_address & PAGE_MASK);
  //search in page table
  tmp8 = 0;
  while (tmp8 < PAGE_NUM) {
    if (page_table[tmp8] == page) break;
    tmp8++;
  }
  //return physical address
  if (tmp8 < PAGE_NUM) {
    physical_address = ((uint16_t)(tmp8) << PAGE_SHIFT) | offset;
    return physical_address;
  } else {
    //search free frame
    tmp8 = 0;
    while (tmp8 < PAGE_NUM) {
      if ((page_table[tmp8] & FRAME_INVALID_MASK)== FRAME_INVALID_MASK) break; //free frame found
      tmp8++;
    }
    if (tmp8 < PAGE_NUM) {
      page_table[tmp8] = page; //create page record
      physical_address = ((uint16_t)(tmp8) << PAGE_SHIFT) | offset;
      return physical_address;
    } else {    
      error_code = ERROR_NOT_ENOUGH_MEMORY; //not enough memory
      return 0; //return dummy address
    }
  }
}

P.S. Научное название такого подхода - inverted page table. 32 килобайта SPI RAM разбиты на 8 фреймов по 4 килобайта каждый. 32-битный виртуальный адрес содержит 20 бит номера виртуальной страницы и 12 бит смещения. Page table содержит запись для каждого фрейма - он либо помечен свободным, либо содержит номер соответствующей виртуальной страницы.

 

Это похоже уже выходит за рамки CPM, но всё равно интересно.

 

Наконец то удалось зафиксировать (на ТВ-тюнере) все этапы прохождения широко известного в узких кругах теста 8080-го - "экзорциста" -

Таким образом, мой эмулятор можно считать полностью верным.

 

Не могли бы вы перезалить код для ардуины на гитхаб? Репозиторий исчез.