Assemblage d'un ordinateur 8 bits: comment réduire le nombre de puces à six

^{La combinaison de l'ancienne astuce avec le codage couleur NTSC et le fer moderne permet d'assembler une machine étonnamment efficace.Les}

systèmes 8 bits ont quelque chose de toujours attrayant: vous pouvez construire un système autonome suffisamment puissant pour prendre en charge une interaction utilisateur adéquate, mais assez simple pour assembler et programmer vous-même. La plupart des machines 8 bits modernes créées par des amateurs sont liées à des processeurs classiques qui vivaient à l' âge d'or des ordinateurs personnels dans les années 1980, lorsque des millions de téléviseurs étaient utilisés comme écrans. Au départ, l'idée était de construire ma voiture à partir du processeur Motorola 6809de la même époque. J'ai essayé d'utiliser le moins de puces possible, mais malgré mes efforts, j'avais encore besoin de 13 puces supplémentaires pour travailler avec la RAM et le transfert de données série. Alors j'ai pensé: et si j'utilisais un processeur 8 bits plus moderne? De combien puis-je réduire le nombre de puces dont j'ai besoin?


En conséquence, j'ai assemblé une voiture dessus, qui s'appelait Améthyste . Comme tout ordinateur domestique, il possède un clavier intégré et peut produire du son et de la vidéo. Il dispose également d'un langage de programmation intégré de haut niveau afin que les utilisateurs puissent y écrire leurs propres programmes. J'ai réussi à réduire le nombre de microcircuits à six: CPU ATMEGA1284P , interface USB et quatre circuits intégrés simples.

L'ATMEGA1284P 2008 (ou 1284P) a 128 kilo-octets de mémoire flash et 16 kilo-octets de RAM. Il peut fonctionner avec une fréquence allant jusqu'à 20 mégahertz. Il possède des contrôleurs série intégrés intégrés et 32 ​​entrées / sorties numériques.



Grâce à la mémoire intégrée et aux interfaces série, le besoin de nombreuses puces auxiliaires a disparu. Je pouvais générer directement de l'audio, interrompre et appliquer un signal à l'entrée / sortie avec différentes fréquences. Ainsi, j'ai appris à donner un ton qui, cependant, possédait la netteté caractéristique d'une onde carrée. Mais qu'en est-il de la génération d'un signal vidéo analogique? Cela nécessitera-t-il vraiment un équipement spécial?

Astuce standard

À la fin de 2018, j'ai vu une astuce que Steve Wozniak a utilisée dans les années 1970 pour implémenter le support graphique couleur dans Apple II. Aux États-Unis, cette astuce a été utilisée pour la diffusion couleur dans le système NTSC dans les années 1950.

Au départ, la télévision américaine n'était qu'en noir et blanc et utilisait la norme NTSC assez simple (développée par le Comité national des systèmes de télévision). Pour former une image à l'écran, un faisceau d'électrons trace des points sur sa surface, ligne après ligne. L'amplitude du signal vidéo reçu a déterminé la luminosité du faisceau à n'importe quel endroit donné le long de la rangée. Puis en 1953, NTSC a été mis à niveau pour prendre en charge la télévision couleur, tout en conservant la compatibilité avec les téléviseurs noir et blanc existants.

Les ingénieurs ont décidé de présenter les informations de couleur sous la forme d'un signal sinusoïdal haute fréquence. Pour cela, la sous-porteuse a été divisée en deux composantes avec un déphasage de 90 °, chacune ayant subi une modulation. Le résultat a été un signal modulé en amplitude et en phase. L'amplitude du signal a déterminé la saturation de la couleur. Ce signal de chrominance haute fréquence a ensuite été ajouté au signal de luminance basse fréquence pour créer le signal vidéo composite. Cette méthode est toujours utilisée pour de nombreux téléviseurs et écrans moins chers.

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Un téléviseur noir et blanc perçoit un signal couleur comme du bruit et l'ignore. Mais un téléviseur couleur peut séparer le signal couleur du signal de luminance à l'aide de boucles de filtre.

Dans les années 1970, les ingénieurs ont réalisé que ce schéma de filtrage pourrait être très utile pour les ordinateurs personnels car il permet à un signal numérique rectangulaire de simuler la plupart du signal analogique composite. Le flux de zéros envoyé par l'ordinateur au téléviseur sera perçu comme une tension analogique basse fréquence constante, c'est-à-dire noire. Le flux d'unités sera considéré comme une tension haute fréquence constante, c'est-à-dire blanche. Mais avec un débit binaire suffisamment élevé, des structures binaires plus complexes apparaîtront que les schémas de filtrage passe-haut reconnaîtront comme des signaux de couleur. Cette astuce a permis à Apple II d'afficher jusqu'à 16 couleurs.

Au début, je pensais que je devais commuter la broche d'entrée / sortie très rapidement afin de générer directement un signal vidéo. Cependant, je me suis vite rendu compte qu'avec mon 1284P fonctionnant à 14,318 MHz, je ne pouvais pas le commuter assez rapidement pour afficher plus de quatre couleurs. Le fait est que ses interfaces série intégrées auraient besoin de deux cycles d'horloge pour envoyer un bit, ce qui limiterait ma fréquence d'horloge à 7,159 MHz. Apple II a utilisé un accès direct à la mémoire rapide pour connecter sa puce externe à la sortie vidéo, tandis que son processeur était occupé par le traitement interne. Mais, comme la RAM de mon ordinateur est intégrée dans la puce, je ne pouvais pas utiliser cette approche.

J'ai donc regardé dans mes tiroirs et sorti quatre microcircuits de la série 7400 - deux multiplexeurs et deux registres à décalage série parallèle. J'ai pu installer huit broches 1284P en parallèle et envoyer simultanément des données vers les multiplexeurs et les registres à décalage, qui les convertissent en un flux binaire série haute vitesse. Ainsi, j'ai appris à générer des bits assez rapidement pour afficher environ 215 couleurs différentes à l'écran. Cependant, j’ai dû payer avec ma puissance de calcul: le traitement vidéo consomme constamment 75% des ressources du processeur.

Ordinateur compact

Amethyst est un ordinateur monocarte. Il est assemblé à partir de seulement six circuits intégrés - un processeur, une interface USB et quatre microcircuits de la série 7400, qui sont utilisés pour créer une image en 215 couleurs. Les commutateurs du clavier sont soudés directement sur la carte, qui prend également en charge l'audio et quatre connexions série E / S pour les périphériques tels que les contrôleurs de jeu et les périphériques de stockage. Vous pouvez écrire des programmes et les exécuter grâce à la machine virtuelle intégrée Forth.

J'avais besoin d'un environnement de programmation léger pour les utilisateurs, ce qui m'a fait choisir Forth au lieu du traditionnel Basic. Forth est un ancien langage de programmation pour les systèmes embarqués, il prend en charge l'interactivité et est capable de compiler efficacement du code. Avec lui, vous pouvez faire beaucoup en utilisant le minimum de ressources. Étant donné que le 1284P ne permet pas au code machine compilé d'être exécuté directement à partir de sa RAM, le code utilisateur est plutôt compilé en bytecode intermédiaire. Ce bytecode est ensuite envoyé en entrée à une machine virtuelle exécutée à partir de la mémoire flash 1284P. Le code de la machine virtuelle a été écrit en assembleur et optimisé manuellement pour le rendre aussi rapide que possible.

En tant qu'ingénieur travaillant pour une entreprise qui produit des imprimantes laser 3D, j'ai accès à des machines de découpe laser avancées. J'ai donc facilement conçu et fabriqué une caisse en bois (j'ai espionné la finition bois de l' Atari 2600 ). Les commutateurs mécaniques du clavier ont été soudés directement sur une seule carte de circuit imprimé Amethyst. Ce clavier a une caractéristique curieuse - l'absence du grand écart habituel. Au lieu de cela, juste un bouton, modestement situé au-dessus de la touche Entrée.

Le schéma complet, les fichiers PCB pour la carte de circuit imprimé et le code source sont disponibles dans mon référentiel GitHub . Vous pouvez donc créer votre propre Améthyste ou même améliorer mon projet. Et si vous pouviez trouver comment économiser quelques jetons supplémentaires?