2021年10月16日土曜日

FUZIX:z80packのカーネル初期化

 FUZIXカーネルの初期化の部分を見ていきます。

Kernel/platform-z80pack/fuzix.lnk に、カーネルがどのようなコードがリンクされてつくられるかが記述されています。

platform-z80pack/crt0.rel
platform-z80pack/commonmem.rel
platform-z80pack/z80pack.rel
platform-z80pack/main.rel
 :
 :
syscall_level2.rel
syscall_net.rel
select.rel
platform-z80pack/net_native.relか

カーネルの先頭はcrt0.rel で、対応するソースコードはcrt0.sです。中身を見ると、割り込みを禁止して、スタックポインタを設定しています。次にコールされているinit_earlyはz80pack,sにあり、メモリバンクのサイズとバンク数を設定します。

init:
        di
        ld sp, #kstack_top

        ; Configure memory map
        call init_early

次は共有メモリーの初期化です。"s_", "l_"で始まるシンボルは、アセンプラが.area で定義したセクションに対し作った開始アドレスとサイズを示すシンボルです。_COMMONMENセクションは、fuzix.lnk で開始アドレスが0xf400と定義されています。_DATAセクションはリロケートされるセクションなので、その時々で場所とサイズが変化します。最初のブロック転送で、_DATAセクションを_COMMONMEMセクションにコピーし、2番めのブロック転送で_COMMONMENセクションに続く領域に_DSICARDセクションをコピー。3番目のブロックコピーでは_DATAセクションを0クリアしています。

	; move the common memory where it belongs    
	ld hl, #s__DATA
	ld de, #s__COMMONMEM
	ld bc, #l__COMMONMEM
	ldir
	; and the discard
	ld de, #s__DISCARD
	ld bc, #l__DISCARD
	ldir
	; then zero the data area
	ld hl, #s__DATA
	ld de, #s__DATA + 1
	ld bc, #l__DATA - 1
	ld (hl), #0
	ldir

続いてz80pack.sにあるinit_hardwareをコールしています。この中では、RAMとカーネルサイズの設定、タイマーを100Hzに設定、割り込みベクターの設定を行います。そしてこれらの初期化を終えたあと、FUZIXのメインに飛びます。

        ; Hardware setup
        call init_hardware

        ; Call the C main routine
        call _fuzix_main

カーネルロードから初期化しカーネルに実行を移すところまで見てみましたが、意外とあさりした印象を受けます。ここまでなら、なんとなくZ280MBに移植でるような気がします。

2021年10月9日土曜日

FUZIX:z80packのメモリマップ

 z80pack では、64kバイト以上のメモリが扱えるよう、バンク切り替えができるようになっています。バンクは0x0000からはじまり、256バイト単位でサイズを変更できます。バンクを切り替えると、外された他のバンクはCPUからはアクセスできなくなってしまいます。バンクより高位のメモリ空間は共通で、バンクを切り替えてもCPUからは常にアクセスできます。

MMUを制御するI/Oポートと機能は次のようになっています。

ポート 機能
20 バンク数設定
21 バンク番号設定
22 バンクサイズ設定 (256バイト単位)
23 共通領域ライトプロテクト

FUZIXではREADMEによると、カーネルをバンク0に置き、プロセスを1から7までに置くようになっています。Z80の64kバイトのメモリ空間の内、0x0000から0xefffまでの60kバイトがバンク切り替え領域です。0xf000から0xffffまでは共通領域で、カーネルがアプリケーションを管理するためのデータ構造や、バンク間のデータをコピーするためのコードとバッファなどがあります。


Z280MBにFUZIXを移植するには、z80packのメモリレイアウトは都合が良さそうです。Z280のMMUのページサイズは4kバイトなので、0x0000-0xefffの領域を異なる物理アドレスにマップすることで、バンク切り替えと同じ動作にできます。

2021年10月5日火曜日

FUZIX:z80packのブートディスク

z80packのブートディスクを見ていきます。

ブートディスクは、CP/Mでは標準の 8インチ IBM3740フォーマットです。

セクタサイズ 128
セクタ数/トラック 26
トラック数 77

ディスクの先頭から58トラックにはファイルシステムを置くことができますが、Makefileのdiskimageで作られるイメージでは空でファイルシステムは作られません。第1セクタは特別で、ブートコード bootblock.bin が書き込まれます。59トラック目から最後のトラックまでは、FUZIXのカーネル  fuzix.binが書き込まれています。READMEには、カーネルはディスクの60トラック目から書かれていることになっているのですが、bootblock.sを読んだ限りでは、59トラック目からが正しいようです。


PCがリセットされると、BIOSがディスクからブートコードをメモリの0x0000番地に読み込み実します。ブートコードは、128バイトに収まるように作ってあるので、大して複雑なことはできません。bootcode.sを読んでみると、59トラック目から順番にディスクアクセスし、0x0088番地からメモリに書き込んでいくだけのコードです。最後に0x0088にジャンプしてカーネルを実行を移します。



2021年9月30日木曜日

FUZIXをビルドしてみる

 Z280MBにFUZIXを移植する試みの第一歩です。

FUZIXの情報を求めてネットをさまよってたどり着いたのが、Oh!石さんの FUZIXをビルドしてみよう です。最近のバージョン 0.4pre1 のビルドに成功されていて参考になります。

FUZIXにはターゲットとしてZ280もあるのですが、まだ動作していないようなので、まずはz80packでFUZIXを動かし、その構造や動作を確認したいと思います。

FUZIXの実行環境構築

Ubuntu 20.04.3と WSLで確認しています。

SDCCのインストール

バージョンは4.1.0で、インストールはOh!石さんの記事に従って行っています。

z80packのインストール

バージョンは1.37です。こちらは、make installの前に、ホームディレクトリにbin/を作っておきます。make後はメッセージに従い $HOME/binをPATHに加えます。こうしないと、z80packの実行時にエラーが出ます。いちいちexportするのは面倒なので、.bashrcにでも書き加えておきます。
$ tar xvzf z80pack-1.37.tgz
$ cd z80pack-1.37/cpmsim/srcsim
$ make 
$ cd ../srctools
$ make
$ mkdir ~/bin
$ make install
$ export PATH=$PATH:$HOME/bin
cpmsim/cpm2で、CP/M 2.2 が起動するか確認しておきます。 Ctrl+\ で終了します。

FUZIXのビルド

GitHubからソースをクローンします。最新のコミットではkernelのコンパイルで失敗します。コンパイルが確認できているハッシュは、3d26de6eb800af0b1a5672b53ccbc0da6c1a3d1bです。
$ git clone https://github.com/EtchedPixels/FUZIX.git
$ cd FUZIX
$ git checkout 3d26de6e
Makefileを修正します。56行目あたりにビルドターゲットの指定があるので、z80packを指定します。90行目あたりのapps, kernel, diskimageターゲットから依存ターゲットのltoolsを削除します。
TARGET=z80pack
	...

apps:
	+(cd Applications: ...

kernel:
	mkdir -p Images ...
    
diskimage:
	mkdir -p Images ...

ユーティリティとクロス開発環境をコンパイルします。make install した後、/opt/fcc/binをPATHに加えておきます。

$ make stand
$ cd Library
$ make
$ sudo make USERCPU=z80 install
$ export PATH=$PATH:/opt/fcc/bin
クロス開発環境用のライブラリをコンパイルします。
$ cd libs
$ make -f Makefile.z80 USERCPU=z80
$ sudo make -f Makefile.z80 USERCPU=z80 install
FUZIXアプリケーションをコンパイルします。fcc(SDCC)でのコンパイルはかなり時間がかかるので、テレビでも見ながら気長に待ちます。
$ cd ../../
$ make apps
カーネルをコンパイルし、ルートファイルシステムとブートディスクのイメージを作成します。
$ make kernel
$ make diskimage

FUZIXの起動

ディスクイメージは、FUZIX/Images/z80pack/に作られています。これらをz80packにコピーしエミュレータを起動します。

$ cp FUZIX/Images/z80pack/boot.dsk z80pack-1.37/cpmsim/disks/drivea.dsk
$ cp FUZIX/Images/z80pack/hd_fuzix.dsk z80pack-1.37/cpmsim/disks/drivei.dsk
$ cd z80pack-1.37/cpmsim/
$ ./cpmsim

bootdev: には 0 を入力し、rootでログインすれば、プロンプトが出ます。

終了する場合はshutdownコマンドを実行後、Ctrl-\ を入力します。

 

 

2021年9月26日日曜日

Z280MB 考え直して高速化

 前回、Z280MBのこれ以上の高速化はやめておくと心に決めていたのですが、なにか釈然としないのと、ASCIIARTの実行速度を収集?しているはせりんさんからのリクエストもあり、外部クロックの12MHz化を試してみることにしました。

難しいというか面倒なのは、外部クロックを変更できるのが、リセット時にハードウェア的にのみできるということです。実際には、

  • /RESETの立ち上がりエッジで、/WAITをLowにしておく
  • AD0-AD7に初期化データを乗せておく
  • 2クロックサイクル以上、/WAITと初期化データを保持
最初はCPLDにまだ余裕があるので、/WAITをLowに保持するロジックを組み込もうと考えていたのですが、よく考えたら/RESETから適当にCRディレイ回路で/WAITを作れば良いと思いつきました。

問題は、2クロックサイクルが何のクロックサイクルかだったのですが、結局CLKピンからの出力2クロックサイクルのようです。データシートからは、外部入力クロックのXTALIのように読み取れるのですが、これに合わせると初期化できませんでした。長さは検証していないのですが、2クロックサイクル以上ならどうでも良いようです。

リセット回路にCRディレイ回路を付け足したのと、写真の赤線で囲んだところに、AD0-AD7に初期化データが乗せられるようにDIPスイッチとバッファが付け足してあります。

実行結果は、外部クロック6MHzから30秒ほど縮めて、1分33秒まで高速化できました。まあこれなら納得できます。



2021年9月5日日曜日

Z280MB ASCIIART(マンデルブロ集合)を実行してみて思うこと

 Z280MBにCP/Mを移植できたので、この界隈で試す人の多いASCIIARTを試してみました。


実行環境は、内部クロック12MHz / 外部クロック6MHz / MBASIC rev.5.21です。

結果は、キャッシュONで2分38秒、キャッシュOFFで5分11秒でした。結果をTwitterにあげたところ、Electrelicさんからリフレッシュを止めるともうちょっと速くなるとアドバイスをもらい試したところ、2分8秒まで改善しました。Z280MBはDRAMを使っていないので、リフレッシュは不要なのですが、こんなにリフレッシュサイクルが負荷になるとは思ってもいませんでした。

参考にさせてもらったElectrelicさんの記事はこちらです。Z280固有の初期化(その1)

結果は、はせりんさん 番外編:ASCIIART(マンデルブロ集合)ベンチマーク に掲載されたのですが、他のZ80系CPUに比べてお世辞にも速いとは言えません。同じクロックだと、確実に高速版Z80やHD64180に負けるでしょうし、キャッシュOFFの結果は悲惨です。

これ以上の高速化は、外部バスクロックの12MHz化とバーストモードを使うことが必要ですが、ハードウェアの改造や新規設計が必要になるのでやめておきます。

Z280には、ユーザ/システムの分離とか仮想メモリが可能なMMUとかI/D分離とか、他にも面白い機能があるので、浪漫あふれた古の石ということで良いのではないでしょうか。

CP/Mの次はFUZIXを移植してみたいと思っています。

Z280MB CP/Mを移植

ここしばらく、Z280MB に CP/M を移植していました。移植したバージョンは 2.2 です。EDでコードを書きASMでアセンブルできることを確認しています。

CP/M-8000 の移植は経験済みだったので、大して難しくないのかなと思っていたのですが、ディスクアクセス周りで苦戦して結構時間がかかってしまいました。かなり悩んだすえ、結局使っていたコンパクトフラッシュカードの問題だったようなのですが、おかげで、8-bit から16-bit PIOモードにコードを書き換えたりできたので良しとします。ディスクアクセスのブロッキング・デブロッキングは思いっきり手抜きです。気が向いたら書き換えることにします。

CP/M-8000と違って、CCPがコマンドで上書きされたり、メモリーの配置が全然違ったりで最初とまどったのですが、ネット上に情報が豊富にあり助けられました。今回の移植作業で、参考にしたサイトを上げておきます。

pineconeの電子工作 

 BIOSの作成過程が楽しく詳しく語られています。非常に参考になりました。

nekoJavaさんのCP/Mコーナー

 CP/M-8000のときも参考にさせてもらいました。CP/Mど素人の私にはありがたいサイトです。

Grant's homebuilt electronics

 コンパクトフラッシュをつなぐのに参考にさせてもらっています。

移植の成果は、Github にあげておきました。CP/Mのライセンスの関係でBIOSのソースコードのみを上げることにしました。BIOSをアセンブルし、できたバイナリをCPM.SYSと結合するMakefileとディスクイメージを作るシェルスクリプトを入れておきました。

まあ、試す人はいないと思いますが。