PAX modul pro PMD85

Pro PMD85 jsem si vyvinul modul, který dokáže u verzí 2/2A a 3 doplnit pár zajímavých funkcí, aniž by bylo nutné PMD rozebírat, či cokoliv v něm měnit. Podle hlavního použitého mikroprocesoru – Propeller Parallax – jsem jej nazval PAX modulem.

Parallax P8X32A od firmy Propeller je 8 jádrový mikroprocesor (i když „jádro“ není úplně nejvhodnější označení, autoři používají označení COG), se sdílenou RAM o velikost 32kB a podporou generování VGA výstupu sériovým registrem. Parallax je připojen na systémovou sběrnici péemdéčka (v místě ROM modulu).

Co všechno modul umí?

• VGA převodník s podporou několika barevných režimů
• Emulace ROM modulu
• Emulace pásky s SD kartou (zatím pouze čtení)
• MIF85 modul
• Stažení a spuštění programu přes USB rozhraní z vývojového prostředí DevX85

Na tomto místě chci uvést, že až na VGA převodník slouží další funkce primárně ke snadnému ověření mých vyvíjených programů na reálném PMD, v žádném případě to není konkurent k Megarom modulu nebo k PMD32-SD, ani zde není snaha dělat z PMD něco jiného než je.

Vše mám sestavené na univerzální DPS, abych mohl dělat změny během vývoje. Návrh DPS jsem nedělal, to raději přenechám zkušenějším.

Schéma zapojení

Schéma se dá rozdělit na dva bloky:

• blok s dekodérem (ATF22V10C), Parallaxem, sériovou EEPROM a konektory na VGA a SDHC kartu (příp. sériovou linku),
• blok s doplněným MIF85 (8253 + ATtiny85 + SAA1099).

Jelikož Parallax vyžaduje napájení 3,3V, je na desce také regulátor LF33 a na datovou sběrnici je procesor připojen přes omezovací rezistory 1k až 10k, což je implementačně jednodušší řešení než nějaké konvertory. Parallax vyžaduje sériovou EEPROM, ze které si po spuštění stáhne program. Její obsah se dá naprogramovat z vývojového prostředí Propeller Tool sériovou linkou, sám používám převodník USB/UART TTL (s čipem CH340G). Uvedený sériový port se dá využít i softwarově.

Díky 3,3 voltové logice může být SD karta připojena přímo na procesor. Sám ale používám raději nějaký hotový modul s naletovaným microsd konektorem.

VGA výstup používá 6bitový DAC, tedy počet barev je max. 64. Barevný režim lze zvolit softwarově a nebo připojeným tlačítkem.

Celý blok s Parallaxem by se obešel bez dekodéru ATF22V10C, kdyby se vstup CS_PX spojil přímo s adresovým vodičem A2, podobně jako je připojena 8255 v původním ROM modulu. Ale jelikož je ATF22V10C potřebný pro MIF85, podílí se ještě na dvou funkcích:

• dekóduje přístup na porty 6x, na kterých je již implementováno přepínání barevného režimu na jiném převodníku,
• provede úplné dekódování ROM modulu na portech F8 – FB.

MIF 85

Ačkoliv jsem to původně neměl v plánu, rozhodl jsem se nakonec do modulu implementovat i MIF85. Ten obsahuje zvukový čip SAA1099 zavěšený na porty 0xEE a 0xEF. Důležitou součástí původního MIF 85 je i přerušovací systém založený na interním časovači 8253, jehož časovač T0 je vyveden na aplikační port. Vývody z interního časovače ale v konektoru pro ROM modul nejsou, proto (v zájmu zachování kompatibility) je v modulu druhý, stínový časovač, který naslouchá na stejných portech jako ten interní (5C – 5F), ovšem čtení z těchto portů je znemožněno (viz pullup na IORD), aby vzájemně nekolidoval s interním 8253. Využitý je jen čítač T0, další jsou blokované.

Dovolil jsem si ještě jedno „historicky nekorektní“ zjednodušení: jeden přidaný procesor ATtiny25 slouží jako zdroj 8MHz pro SAA1099 a současně jako prodlužovač impulsů přerušení. Výstup z časovače 8253 generuje příliš krátké impulsy na to, aby 8080 spolehlivě zareagoval, proto jeho vzestupná hrana vyvolá v ATTiny přerušení, ve kterém se impuls prodlouží na 12 us (důvod je dobře popsán zde). Výstupní analogová část je převzatá z původního MIF85. Přiznám se, že jelikož jsem doma neměl některé komponenty, osazené to mám čipem ATtiny85 a ten jsem nechal taktovat vnitřním RC oscilátorem (pomocí PLL lze vyhnat takt až na 16 MHz). Výstupní požadavek na přerušení (signál IRQ) se ještě kvůli maskování zpracovává dekodérem.

Pro dekodér adres a vyřešení povolení/zakázání přerušení jsem zvolil moderní variantu GALu – ATF22V10C. Jeden z výstupu (IE) sice není nikam zapojený, ale je obrazem toho, zda je/není povolené vyvolávání přerušení. Reset PMD přerušení zakáže. Změna přerušení (stejně jako u originálu) se provede zápisem na port EC.

MIF85 jsem vyzkoušel na MagicLand Dizzy a Atomix a funguje spolehlivě.

Jak funguje VGA převodník

Požadované signály: D0 – D7, FI2

Asi nejužitečnější funkce je VGA převodník, který ze systémové sběrnice vyčítá videodata, ukládá ho do vnitřní paměti Parallaxu a obraz o původním rozlišení 288×256 pixelů promítá 2x zvětšený do rozlišení 800×600 (tedy do rozlišení 576×512, kolem obrazu je cca 100 px rámeček).

Jak funguje vyčítání dat? Na systémové sběrnici se v pravidelných intervalech objevují videodata s každou náběžnou hranou signálu STB. Protože STB na systémové sběrnici vyveden není, sleduje se signál FI2 a od jeho náběžné hrany se odpočítá zpoždění před vyčtením hodnoty video dat. Další náběžnou hranu je nutné ignorovat, protože videodata se na sběrnici objevují s poloviční frekvencí.

Parallax musí určit, jestli se videodata objevují každou sudou nebo lichou náběžnou hranu. signálu FI2. K tomu se využívá faktu, že mezi videodata se přimíchává i obsah RAM „vedle“ videoram, která se částečně nastaví po resetu počítače dopředu známým obsahem. Konkrétně mě zajímá vzor „xecu“ který je uložen na adrese C170 u verzí 2/2A/3 (u PMD85-1 tam není, takže na PMD85-1 aktuálně převodník nefuguje). Nenašel jsem shodu napříč všemi modely, hlavně kvůli odlišnostem u verze 3 – až na toto místo. Proto jsem raději hodil přes palubu PMD85-1, který je pro mě spíš předčasně vydaný prototyp, než použitelný počítač. Mimochodem se ještě načítá pár bajtů dále – na místě C17D se dá rozpoznat, zda se jedná o dvojkovou nebo trojkovou verzi (viz emulace ROM).

Po spuštění se tedy Parallax zasynchronizuje na první náběžnou hranu fi2 a hledá se vyčtení posloupnosti „xecu“ nejprve pro každý sudý FI2, pokud se tak nepovede pro celý snímek, hledá pro vzor pro všechny liché FI2 atd.

Ale to není vše.

Data z adresy C170 se na sběrnici objevují i během zatemnění. Adresa z videoprocesoru vychází do RAM jen ve 14 bitech, horní dva se nastaví do log. 1, v době zatemnění se tak startuje zase od C000 pro prvních 64 řádků. Pro názornost, kdybychom za sebe poskládali data z 320 řádků, která se na sběrnici objeví, dojde k zopakování horní čtvrtiny obrazu (viz obrázek níže). Ovšem video výstup je zatemněn a během tohoto okamžiku se místo toho generují synchronizační impulsy.

Takže po nalezení vzoru „xecu“ hledám, jestli na něj nenarazím opět po 64 (řádků) *64 (bajtů na řádek) bajtů. Tím tak určím nejen, kdy jsou data na sběrnici, ale taky začátek a konec obrazu. Jakmile dojde k nalezení videodat, synchronizace se už neprovádí (ani po resetu PMD, protože Parallax se neresetuje), pouze započne nekonečné vyčítání videodat, takže „xecu“ se může klidně přepsat. Vyčítání je velice stabilní, nestalo se mi ani po hodinách provozu, že by se obraz rozpadl.

Celý proces zasynchronizování je tak rychlý, že k němu dojde dříve, než se monitor probudí ze spánku (VGA signál se generuje bez ohledu na synchronizaci s daty ze sběrnice).

Ve snímaném obraze se může objevit sněžení, a to z několika důvodů:

• nevhodně zvolnou dobou zpoždění mezi náběžnou hranou FI2 a okamžikem čtení videodat – aktuálně zvoleno tak, že mám bezšumový obraz na mých počítačích – ale jelikož každé PMD se chová jinak, může se na některých kusech objevit šum
• absence pull-up rezistoru na I/OR, který způsobuje šum v obraze, pokud se čte např. z 8255 klávesnice. Více o tomto problému je ve fóru zde: odkaz. V modulu je tento pull-up doplněn.
• čtení z portu 8Ch (např. myš) rovněž vede k vysokému šumu v obraze. Hardwarové řešení problému pomocí jediné diody navrhl Libor L.A. zde ve fóru.

Barevné módy

Technicky je v PAXu implementovaný jen jeden barevný režim, kterému se přepíná paleta barev. Implementované jsou zatím 3 režimy:

• mód s odstíny šedi (bez blikání a pouze 3 stupně, nikoliv 4, kvůli jednoduchému DAC)
• čtyřbarevný režim RGBM
• ColorAce, tj. 8 barev (výchozí po zapnutí)

Režim lze měnit tlačítkem nebo softwarově, změna je indikovaná textem na monitoru (COLORMODE ACE/RGBM/GRAY).

Pro softwarovou změnu je nutné mít připojené jednu (nebo obě) ze skupin signálů:

• A0, A1, A2 (CS_PX), WR (změna přes port F8)
• CS_6x, A0, A1, WR (změna přes port 6C)

Jelikož už existuje převodník VGA Faudraj a na kmenových stránkách pro PMD85 je k ovládání používán ke změně barevného režimu port 6Ch, je možné (po připojení aktivačního vstupu na CS_6x např. z 3205) přepínat videorežimy i tímto způsobem. V původním převodníku je definováno 8 barevných režimů, ale protože se nové hry zaměřují jen na výše uvedené 3 barevné režimy, zjednodušil jsem to a kód pro Faudraj se převede na režim podle následující tabulky (a navíc netuším jaký je rozdíl mezi barevným režimem u PMD85.3 a jinými):

Číslo zapisované na port 6Ch	Faudraj režim	PAX režim
0	Hexac	ColorAce
1	ColorAce	ColorAce
2	Barevný mód PMD85.3	RGBM
3	Barevny mód PMD85, PMD85.2, PMD85.2A	RGBM
4	Monochromatický mód PMD85.3 – pouze zelená barva	Gray
5	Monochromatický mód PMD85.3	Gray
6	Monochromatický mód PMD85, PMD85.2, PMD85.2A – pouze zelená barva	Gray
7	Monochromatický mód PMD85, PMD85.2, PMD85.2A	Gray

Druhý způsob je zápisem hodnoty 0xC0 + číslo režimu (stejné jako u zápis na 6C) na port 0F8h. Např. přepnutí do režimu ColorAce lze provést takto:

mvi a, 0c1h
out 0f8h

nebo

mvi a, 1
out 6ch

Kromě Hexac režimu by asi nebylo složité doplnit další režimy definicí nové palety (v souboru PAXmain.spin). Barevné režimy skládají 2bitové barevné atributy z lichého a sudého řádku – jako u ColorAce. Tím dostáváme 4bitový index, celkem 16 barev. Ovšem pro každý index se eviduje opět barva pro lichý a sudý řádek (tedy 32 barev pixelu v log. 1) – u ColorAce jsou tyto barvy stejné, u 4 barevného režimu různé. Paletu ovšem netvoří jen údaj, jakou barvu má pixel v log. 1, ale také pixel v log. 0. Jak je známo, na PMD je barva „pozadí“ vždy černá – v PAX modulu už to nemusí platit. Celkem se tak v paletě definuje 64 barev:

• 16x (barva popředí + barva pozadí) pro sudé mikrořádky
• 16x (barva popředí + barva pozadí) pro liché mikrořádky

K objasnění možná ještě pomůže následující obrázek:

Pouhou změnou palety tak lze emulovat všechny barevné režimy (i ty, u kterých se atributy ze dvou mikrořádků neskládají). Vlastní paletu lze definovat tak, že se na port 0F9h zapíše index do palety (0 – 63), na 0FBh 6bitový údaj pro DAC (0 – 63), a po té se provede nastavení zápisem příkazu 0xD0 na port 0F8h. Pokud bychom chtěli nastavit podle předcházejícího příkladu modrou barvu pozadí pro lichý řádek, bude index palety vypadat následovně:

Definice barvy pro DAC má následující strukturu, tj. modrá barva má údaj 00000011 ~ 03h:

Kód pro nastavení bude vypadat:

mvi a, 36h  ; index
out 0f9h

mvi a, 03h  ; barva
out 0fah

mvi a, 0d0h
out 0f8h    ; zápis

Pro zkrácení definice palety se při zápisu barvy pro sudé řádky současně nastavuje i barva pro liché mikrořádky. Změnou režimu tlačítkem nebo přes port 6C/F8 se paleta zase přenastaví a změny se ztratí.

Díky 6bitovému DACu je možné vytvořit 64 barev. Teoreticky je tak lze všechny vyobrazit, ale dvojice barev by se střídaly každým mikrořádkem, prakticky je využitelných tedy jen 32 barev. Sám ale neplánuji nějak tuto možnost využívat. Colorace je pro mě dostatečně zajímavý barevný režim i s ohledem na rozšíření v nových hrách.

Emulace ROM modulu

Požadované signály: D0-D7, A0-A2, RD, WR

Pokud je adresový vodič A2 (příp. CS_PX) připojen na PAX modul, odchytává modul zápis/čtení na adresy x8 – xB, kam je namapovaný ROM modul. Modul se chová jako nakonfigurovaný 8255 v modu 0, zápis na port FB se ale ignoruje (jen resetuje vnitřní nastavení, resp. ruší právě probíhající operaci). Pokud dojde k zápisu na „adresní“ porty F9 a FA, zapne se emulování čtení z ROM modulu a na adrese F8 lze přečíst bajt z vnitřního úložiště. Tohle pracuje spolehlivě, takže např. rutinka 8C00 v monitoru, která přenáší data z ROM modulu do RAM, funguje bezchybně.

Ve výchozím stavu (po zapnutí) se v emulovaném ROM modulu nachází PAX Commander, což je takové GUI rozhraní pro práci s SD kartou. Jde to změnit, akorát vzhledem k volné paměti v Parallaxu jsme omezeni na cca 10 kB. V PAX Commanderu se jednoduše otevře soubor *.rmm a ten nahradí PAX Commander – změna je jen dočasně trvalá do dalšího zapnutí/vypnutí. Pro trvalou změnu lze přeložit firmware s jiným výchozím obrazem (na konci v souboru ROMdriver.spin).

Ještě je tu taková maličkost s autostartem programů z ROM modulu. U verzí PMD85-2/2A je úvodní sekvence CD 00 8C, u verze PMD85-3 zase CC 00 EC. Pax Commander začíná sekvencí pro verzi 2/2A. Během synchronizování dat na sběrnici pro VGA převodník se současně přečte bajt z adresy C17D. Pokud je zde hodnota BE, jedná se o PMD85-3 a úvodní sekvence se přepíše, takže dojde k autostartu bez nutnosti vyvolávání režimu kompatibility (JUMP FFF0). Pax Commander, příp. jiný zavaděč, je vhodné napsat tak, aby fungoval na obou verzích (zejména, pokud volá podprogramy z monitoru).

Emulace pásky SD kartou

Požadované signály: D0-D7, A0-A2, RD, WR

PAX modul umožňuje připojit SDHC kartu, která musí být naformátovaná souborovým systémem exFAT (podporuje MBR i GPT). Tento formát má výhodu v tom, že cluster (spojená posloupnost sektorů) může být naformátovaný na větší velikost, např. cluster 128 kB (doporučuji min. tuto hodnotu) pojme bezpečně i ten nejdelší pmd soubor (pro ptp soubory to chce ještě více). Tím se dost zjednoduší implementace knihovny pro práci se soubory, protože se nemusí procházet FAT tabulka a hledat na sebe navazující řetězec clusterů jako např. u FAT32. Je možné, že některé SDHC karty nebudou fungovat správně, driver jsem si psal sám. Zkoušel jsem na 3 různých kartách s různou třídou 2 – 6, a jelo.

Příkazy pro práci s SD kartou se zapisují na port F8, tím se přeruší emulace ROM modulu, dokončení příkazu lze určit čtením stavového slova z portu FB a příp. data se vyčítají z portu F8. Zápis na F9/FA zase vyvolá emulaci ROM modulu.

Pomocí příkazů se dají vyčíst všechny soubory/složky (jméno, velikost, atributy) aktuálního adresáře (do rootu se ještě přimíchá i název svazku), otevřít složku a nebo otevřít soubor pro čtení. V otevřeném souboru lze seekovat. Protože exFAT (narozdíl od FAT32) neudržuje v adresáři odkaz na nadřazený adresář, je zde pouze implementováno vyskočení do „rootu“ souborového systému. I s tím lze realizovat docela jednoduché přechody do nadřazené složky (viz PAX Commander). Zápis do souboru není implementovaný, jak už jsem psal, používám to spíš jen k ověření vyvíjeného programu – takže mi postačuje jen prosté spouštění.

Celkové pojetí emulace mgf pásky spočívá v tom, že se u modelu 2A/3 v AllRam režimu patchnou rutinky pro čtení z pásky a přesměrují čtení souboru na Pax modul. Soubory v adresáři (*.pmd) pak vytvoří virtuální pásku, která se stále přetáčí dokola. Pokud se (v PAX Commanderu) otevře soubor PTP, pak se celý tento soubor tváří jako nekonečná páska. Pokud se načte program, který opět k přístupu na pásku používá rutiny z monitoru, opět se vyčítá z sd karty. U modelu 2 nelze provést patch – monitor je natvrdo zadrátovaný. V tomto případě se načítací procedury nakopírují do videoram „vedle obrazu“ a lze tak alespoň některé *.pmd programy spustit, ale tím taky všechny další možnosti končí.

V emulaci pásky funguje většina programů, včetně posledních her od RM-TEAM (u Spin Dizzy padá možnost využít ukládání/čtení) a Libora L.A. (Lemmings ale jen na PMD85-3) . U některých by asi ještě pomohlo vylepšení PAX Commanderu, jiné by se musely mírně upravit, ale to je už jen věc vývoje.

Jednotlivé příkazy tady nebudu dokumentovat, ostatně jsou uvedené ve zdrojových kódech. Cílem bylo učinit modul transparentním, tj. programy se nemají starat o to, jak je realizované úložiště, stačí, aby používaly nahrávací rutiny z monitoru.

Možné konfigurace zapojení

S jediným FW lze funkce celého zapojení ubírat, takže si každý z toho může vzít jen to, co chce:

1. Pouze VGA převodník – postačí Parallax + sériová eeprom. Připojení na D0-D7 a FI2 na konektoru ROM modulu, ale i kdekoliv uvnitř počítače.
2. Interní VGA převodník se sw přepínáním režimu na portu 6C – navíc se připojí signál IOWR a na vstup CS_6x se připojí výstup z interního MH3205. Zvláště provedení se SMD součástkami je velice šikovné pro vložení do skříně PMD85. Bohužel Parallax v SMD provedení už není a asi ani nebude k dispozici.
3. Nejjednodušší zapojení VGA převodníku s ROM emulací a SD karta – pouze Parallax + sériová eeprom. Dekodér s ATF22V10C lze vynechat, pokud se nevyžaduje sw změna barevného režimu na portu 6C a postačuje tlačítkem nebo v Pax Commanderu. Vstup CS_PX se připojí na signál A2.
4. Kompletní zapojení i s MIF85

Pax Commander

Základní GUI rozhraní pro práci s PAX modulem se nachází v emulované ROM. Po spuštění počítače se zavede do paměti od adresy 0000, a otestuje typ počítače. U verze PMD85-3 nastaví režim kompatibility, u PMD85-2A zapne Allram. U modelů s 64kB modifikuje nahrávací rutinky. Do paměti „vedle videoram“ nakopíruje pár utilitek pro případ, že se jedná o počítač PMD85-2.

Pokud se načte SD karta, zobrazí se výčet souborů v kořenovém adresáři SD karty. Vzhledem ke zjednodušené implementaci jsou to jen soubory s délkou jména do 15 znaků a zabírající jen jeden cluster. Ostatní nebudou vidět. Znaky s diakritikou se nahradí podtržítky. Soubory jsou seřazené abecedně a je u nich uvedena i velikost v kB.

:

Ovládání:

• + vyskočí do monitoru. Monitor je v případě 64kB modifikovaný (hláška je + + PAX Sys + +). Pokud se zadá příkaz např. MGEND 99, začnou se vyčítat všechny PMD soubory z adresáře, ze kterého se PAX Commander opustil, příp. všechny soubory z PTP pásky, která byla otevřená.
• změní barevný režim
• nebo posouvá kurzor mezi řádky (v emulátoru šipky nahoru/dolů). Pokud se kurzor zastaví nad souborem s příponou *.pmd, vyčte z něj hlavičku a zobrazí v okně. Hlavička s autorunem je označena hvězdičkou.
• spustí s vybranou položkou akci, konkrétně:
  • složka – otevře prohlížení složky
  • soubor *.pmd – spustí jeho nahrávání (programy s promptem „?“)
  • soubor *.ptp – otevře prohlížeč PTP souboru, ve kterém lze opět vybrat položku a spustit ji
  • soubor *.rmm – nabídne načtení do vnitřního „ROM modulu“
• + otevře podokno s volbou spuštění. Pokud by nějaký loader nebyl kompatibilní, je možné ho ještě různě „patchnout“. Vysvětlení k jednotlivým položkám:
  • žádný patch – loader se nechá nepozměněný, spoléhá se na upravenou rutinuv monitoru (nebude fungovat na PMD85-2)
  • patch 8b6c/8de2 – tyto adresy (a jejich ekvivalenty u trojkové verze eb6c/ede2) se nahradí adresami rutinek ve videoram. Toto je výchozí nastavení (tj. prosté stisknutí EOL vykoná tento patch). Funguje v největším počtu případů i na PMD85-2.
  • patch out F7 – nahradí dvěma instrukcemi NOP. Zabrání se vypnutí Allram režimu. Funguje např. u hry Galaxia, ale ta zase nejede na PMD85-3.
  • patch všeho – kombinace výše uvedených dvou patchů
  • emulace PMD85-1 – funguje jen u modelů s AllRam režimem, na adresu 8000h se nahraje monitor z jedničkové verze. Čtení z portu 1E se odchytává a nahrazuje se čtením bajtu z SD karty. Emulace je pomalá, ale v konečném důsledku pořád rychlejší než čtení z magnetofonu. Emulace se zastaví klávesou STOP (pochopitelně má smysl až po úplném nahrání programu). Lze tak například načíst Hlípu a další starší hry.
• vyskočí o adresář výše, nebo vyskočí z prohlížeče PTP souborů

A to nejlepší nakonec…

Všechny zdrojové kódy pro Parallax, AtTiny25, ATF22V10C i samotného Pax Commanderu je možné stáhnout/modifikovat a použít z gitlabu zde:

https://gitlab.com/Zdenek6/pax-modul

PAX modul lze i vyzkoušet v mém emulátoru ePMD85 od verze 1.7. Spuštění s PAX modulem lze pouze přes příkazový řádek, je nutné mít připravený i soubor pax_rom.bin (obsah ROM modulu) a uvést cestu, která se stane kořenem pro emulaci SD karty:

ePMD85 -rom: pax_rom.bin -pax: path

Binární soubory pro všechny čipy jsou zde: PAX modul.zip

Poděkování

Projekt by nepřešel do stádia zveřejnění bez těchto lidských duší:

• Libor L. A., díky, že jsi provokoval na oldcomp.cz, abych se o projekt podělil,
• CzechHuman, díky za ten čas věnováný návrhu DPS a ověření, že to funguje i jinde, než mimo můj domov
• RM-TEAM, díky, za stránky http://pmd85.borik.net/, ze kterých jsem čerpal důležité informace