Z8000にPortable C Compilerを

かなりブログの投稿をさぼっていたのですが、PCCをZ8000に移植（対応？）させようと格闘しています。 現在挑んでいるのは、最新のPCC1.1.0ではなく、70年代のV7 UNIXに含まれていたANSI C 以前のPCCです。 

作業を単純化するため、ノンセグメントモードだけに対応しているので、実質Z8002用です。 過去には、i8086, MC68000 と共にZ8000版も有ったようなのですが、ネット上を探し回りましたが見つからず、現在では失われてしまっているようです。 まあ、40年もまえのことなので仕方がないですね。  

現在は、アーキテクチャの似ているPDP-11版をベースに、Z8000のコードを吐けるよう段階的に書き換えていっています。  

下は引数を2つ取って足し算をして返すだけの関数をコンパイルした例です。 

 C言語

add(a, b) int a, b;
{
        a += b;
        return a;
}

Z8000アセンブリ

	.data
	.text
	.globl	_add
_add:
	call	csv
	sub	r15,#F1
	ld	r2,4(r14)
	add	r2,6(r14)
	ld	4(r14),r2
	ld	r2,4(r14)
	jp	cret
	jp	cret
	.F1 = 0.
	.data

最適化は全くされていないので無駄が多いコードですが、正しくアセンブリを出力できるようになってきています。

コンパイラの作業が終わっても、次はアセンブラとリンカが必要なので、まだまだ時間が掛かりそうで気が遠くなります。いつか公開できる日が来ることを祈りつつ。

Z8530 SCC

 Z8530 SCCを制御するコードも上げておきます。

先ずは初期化のコードです。送受信の割り込みが処理できるように初期化しています。この石もかなり曲者で初期化手順を間違うとうまく動きません。

発生させる割り込み込みベクタは0x10からで、チャンネルAの送信が0x18で、受信が0x1cになります。

	.equ	SCCAC, 0x0009
	.equ	SCCAD, 0x000D

init_scc:
	ld	r2, #(scccmde - scccmds)	! initialize Z8530
	ld	r3, #SCCAC
	ld	r4, #scccmds
	otirb	@r3, @r4, r2
	ret

scccmds:
	.byte	9, 0xc0		! Reset
	.byte	4, 0x44		! x16, 1stop-bit, non-parity
	.byte	3, 0xe0		! Receive  8bit/char, rts auto         
	.byte	5, 0xe2		! Send 8bit/char, dtr rts

	.byte	2, 0x10		! Interrupt vector
	.byte	1, 0x12		! Interruprt on Rx All character and Tx Int
	.byte	9, 0x09		! MIE, VIS, Status=Low 

	.byte	11, 0x50	! BG use for receiver and transmiter
	.byte	12, 30		! 4800bps at 5MHz clock
	.byte	13, 00
	.byte	14, 0x02	! PCLK for BG
	.byte	14, 0x03	! BG enable

	.byte	3, 0xe1		! Receiver enable
	.byte	5, 0xea		! Transmiter enable

scccmde:

割り込みハンドラーは、次のようなコードです。リングバッファ処理部分は端折ってあります。Z8536と同じで割り込み処理の終了処理を正しく行わないと、優先順位の低い割り込みがかからなくなったりします。

scc_rxint:				! Rx InterruptHandler
	push	@r15, r0
	push	@r15, r1
1:	
	inb	rl0, #SCCAC
	andb	rl0, #0x01
	jr	z, 1b 
	inb	rh0, #SCCAD		! Read a data from Rx buffer
	
    !
	!
    
	ldb	rl0, #0x38		! Enable IUS
	outb	#SCCAC, rl0
	pop	r1, @r15
	pop	r0, @r15
	iret

scc_txint:				! Tx Interrupt Handler
	push	@r15, r0
	push	@r15, r1

	!
    !
    
	outb	#SCCAD, rl0 ! Write a data to Tx buffer
	
	ldb	rl0, #0x28		! Clear Tx interrupt pendinng 
	outb	#SCCAC, rl0
	ldb	rl0, #0x38		! Enable IUS
	outb	#SCCAC, rl0
	
    pop	r1, @r15
	pop	r0, @r15
	iret

Z8536 CIO

 Z8536の初期化手順と割込み処理のメモです。カウンタタイマ３で10mS周期の割り込みをかけます。

Z8536にはRESETピンがなく、ハードウェアリセットはRDピンとWRピンを同時にLにすることで行います。今回はハードウェアを手抜きしているので、ソフトウェアでリセットしています。A0, A1ピンをHにしてリードし、つづいて、レジスタ０に１を書き込んだのちレジスタ０に０を書き込みます。これで初期化されます。

レジスタのアクセスは、A0, A1ピンをHにしアクセスするレジスタ番号を書き込み、つづいて目的のレジスタに書き込みか読み込みをします。Z8536を初期化するのにレジスタ設定の順番を変えたりすると、なぜか動かなくなったりします。正しい手順はよく理解できていないのですが、手探りで見つけた手順が下のコードです。

	.equ	CIOPRTC, 0x0011
	.equ	CIOPRTB, 0x0015
	.equ	CIOPRTA, 0x0019
	.equ	CIOCTRL, 0x001d


init_cio:
	ld	r1, #CIOCTRL
	inb	rl0, #CIOCTRL
	lda	r2, ciocmds
	ld	r3, #(ciocmde - ciocmds)
	otirb	@r1, @r2, r3
	ret

ciointr:
	push	@r15, r0	! レジスタ保存
	push	@r15, r1

	! 割り込み処理
	!
	!
	
	ldb	rl0, #0x0c
	outb	#CIOCTRL, rl0
	ldb	rl0, #0x24
	outb	#CIOCTRL, rl0	! Clear IP and IUS
	
	pop	r1, @r15	! レジスタ復帰
	pop	r0, @r15
	iret

!------------------------------------------------------------------------------

ciocmds:
	.byte	0x00, 0x01		! Reset
	.byte	0x00, 0x00		! Clear reset
	.byte	0x01, 0x00		! Reset PortC and C/T3
	.byte	0x01, 0x10		! Enable PortC and C/T3
	.byte	0x1e, 0xc2		! Continuous, Ext Output, Square wave
	.byte	0x1a, 0x30		! Set timer constant
	.byte	0x1b, 0xd4		! Set timer constant
	.byte	0x00, 0x84		! MIE and VIS
	.byte	0x04, 0x00		! Set Interupt vector
	.byte	0x0c, 0xc0		! Set Interupt Enable bit
	.byte	0x0c, 0x06		! Gate and Triger
ciocmde:

割り込み処理は、最後にレジスタ12のIPとIUSをクリアして戻れば、続けて割り込みが発生します。これを忘れると、割り込みが単発になったり、他のチップからの割り込みが発生しなくなります。

Z8530もそうでしたが、Zilogの周辺チップはプログラムが難しい印象です。さらにデータシートが不親切で、読んだだけでは理解できないことが多々あります。ネット上にもあまり情報がないので、手探りがで動かすことになるのですが、動いた時の高揚感は格別です。

Z8002にMMUを その３

今回作成したMMUの回路図が下です。

MMU回路図

高速SRAM, マルチプレクサ、双方向バッファ、CPLDからなっており、CPLDが各ICの制御信号を作っています。TTL-ICを組み合わせて制御信号を作るのは面倒なのと、うまく動かなかったときに、CPLDだと回路の変更をせずにロジックを書き換えるだけで対処できます。

CPLDの定義ファイルのMMUに関連する部分の抜粋です。

IOREQ = ST0 # !ST1 # ST2 # ST3;

DI = !ST3;
MMUSEL = !A15 # !A14 # IOREQ;
MAPSEL = MMUENA & MMUSEL;
MMUBUFE = MMUSEL # DS;
MAPRD = (MMUSEL # !RW # DS) & !IOREQ;
MAPWR = MMUSEL # RW # DS;

1個のCPLDでメモリアクセス用の信号も作ったりしているので、I/Oをほぼ使い切ってしまっています。

アドレスマップの高速SRAMは、I/O空間でアクセスでき読み書きができます。アドレスは次のようになっています。

I/O Addr	N/S	D/I	Page No.
C001	S	I	0
:	:	:	:
C01F	S	I	F
C021	N	I	0
:	:	:	:
C03F	N	I	F
C041	S	D	0
:	:	:	:
C05F	S	D	F
C061	N	D	0
:	:	:	:
C07F	N	D	F

S --- System, N --- Normal (User), D --- Data, I --- Instruction

システムがリセットした時には、アドレスマップを初期化したのちMO端子をアクティブにすることでMMUが機能します。それまでCPUは、RAMの先頭ページ（4kバイト）しかアクセスできません。

Z8002にMMUを その２

今回作るMMUは、高速SRAMをマッピングテーブに使った回路になり、下の図のような構成になります。

Z8002のアドレス下位12ビットは、そのまま物理アドレスの下位12bitとしてメモリに渡します。Z8002のアドレス上位4bitは高速SRAMのアドレスに入れ、読み出されるデータ8bitを物理アドレスの上位8bitとします。これで合計20bit（ 1Mバイト分）のアドレスに変換します。

アドレス変換を行うには、高速SRAMにマッピングデータを書き込む必要があるので、マルチプレクサとバッファをつけます。高速SRAMは0xC000からのI/O空間に置きアクセスします。マルチプレクサは、変換する仮想アドレスの上位4ビットとI/Oアクセスするアドレスを切り替えるために使います。バッファは、高速SRAMをデータバスに接続するために必要です。

本当は、アドレスの上位4ビットをバイパスするために、高速SRAMとメモリの間にさらにマルチプレクサを追加したいのですが、部品と配線量が増えるので見送ります。これはCPUリセット後に高速SRAMを初期化するまでの間、MMUを無効にしておくために必要なのですが、単純に高速SRAMを非アクティブにしおいて データバスをプルダウンすることにします。このため上位8ビットが0に固定され、MMUが初期化されるまでの間はメモリの先頭の4kバイトしかアクセスできなくなってしまいます。

いま気づいている点は、

• ページがマップされていない状態を設定できない
• ページごとに書き込み禁止を設定できない
• ページに書き込みがあったか記録できない

などですが、実現するには高速SRAMを追加する必要があります。これらの機能がどれくらい必要なのか判断がつかないので、MMUは最小限の構成にしておいて、とりあえず動かすことを優先します。

Z8002にMMUを その１

MMUについて考えていきます。

Z8001にはZ8010というMMUが準備されていますが、Z8002にはつなげられないため、必然的に自作することになります。今回はUNIX V6を動かそうとしているので、DECのPDP-11のメモリ管理機構を参考にします。ネットの情報と「はじめてのOSコードリーディング」を読んだところでは、ざっと下のような感じです。

• 64kバイトの物理アドレスは、8つのセグメントに分割されている
• セグメントの最大サイズは8kバイト
• 各セグメントは、64バイト単位でサイズが可変できる
• 各セグメントは、物理アドレスの64バイト境界にマップできる
• カーネルとユーザで空間を分離できる
• 命令とデータの空間が分離できる
• セグメント毎に読み込み専用に指定できる

完全に同じものを作るのは難しそうなので、次のように単純化します。

• セグメントサイズは固定
• セグメントの物理アドレスへのマッピングはセグメントサイズ境界に揃える
• 読み込み専用指定は実装しない
• カーネルとユーザで空間は分離する
• 命令とデータで空間は分離する

セグメントのサイズは、4kバイト固定にします。マッピングテーブルに高速SRAMを使ったアドレス変換回路を組むのですが、高速SRAMのデータバスは8ビットなので、セグメントサイズを4kバイトにすると、上位8ビット + 下位12ビットでちょうど１Mバイトのメモリを扱うことができます。

セグメントのマッピング位置をセグメントサイズ境界に揃えると、メモリの使用に無駄が多くなりそうですが、PDP-11のように細かくしようとするとセグメント情報を記録するマップが大きくなってしまいます。また、加算回路が必要になるためアドレスが確定するまでの遅延が大きくなり配線量も増えるので諦めます。その分、セグメントサイズを4kバイトに小さくすることにします。

読み込み専用指定は、テキストセグメントへの書き込み禁止などの保護のために使うのでしょうか。今回は設定できなくても特に問題はないと思うので省略します。

カーネルとユーザ空間の分離は、Z8000がシステムとノーマルモードを持っており、どちらで動作しているか信号を出しているので実装できそうです。

命令とデータの空間分離は、Z8000では64kバイトしかアドレス空間がないので、プロセスが使えるメモリを増やすために有用です。これも信号が出ているので実装してみます。

Zilog Z8002でUNIX

CP/M-8000の移植が終わってから何もやってなかったのですが、注文していたZ8002が届いたので再始動します。

このZ8002でUNIX V6を動かすのが次の目標です。

ZilogのZEUSとかOnyx SystemsのC8002とか、Z8000でUNIXを動かしている製品があったので、不可能ではないのは確かです。ネット検索してみましたが、趣味でZ8000でUNIXを動かした人はいないようなので、挑みがいもあります。CP/M-8000よりかなりハードルが高いのは確かですが、また1年か2年越しで達成したいと思います。なんせ趣味なので気長にゆっくり楽しめれば、それでOKです。
ちなみに、私は、Linuxは使いますがUNIXの経験は全くありません。OSの中身を勉強するにも良い機会になると期待しています。

CPUをZ8001からZ8002に切り替えた理由ですが、Z8001のセグメントモードはいろいろと効率が悪いと感じたからです。Z8000のアドレス空間は基本64kバイトです。Z8001ではセグメントを導入し、128セグメント×64kバイトで８Mバイトまで拡張しています。
Z8001では、1セグメントは64kバイトしかないのにアドレスを表すには4バイト必要だったり、即値アドレスを読み込むのに1サイクル余分に必要になったりと無駄が多い気がしてなりません。Z8000のアーキテクチャだと、これらの無駄がないノンセグメントなZ8002の方が素直で扱いやすい気がします。

UNIX V6を動かすに必要なメモリ容量ははっきりわからないのですが、V6が開発されていたPDP-11では256kバイトか４Mバイト扱えたそうなので、最低256kバイトのメモリは必要になりそうです。
64kバイト以上のメモリをZ8002で扱うには、アドレス空間を拡張するMMUを外付けする必要が出てくるので、まずはこの辺りから始めます。

CP/M-8000公開

Z8001ボードにインストラクションとデータのメモリ空間を分離する機能の追加と、CP/M-8000のBIOSの対応を行いました。これで、アセンブラやCコンパイラなど、すべてのコマンドが使えるようになっています。

回路図とBIOSのコードをGitHUbに上げました。

https://github.com/4sun5bu/Z8001MB

今後、CP/M-8000を移植したい人が現れるかはわかりませんが、役に立つと思います。

CP/M-8000の移植とその先へ

暫くCP/M-8000のBIOSを書いていたのですが、ほぼ終わりました。
現在、CFに書き込んだCP/Mのディスクイメージから起動できるようになっています。コマンドも実行可能で、下はSTATを実行した例です。

CP/Mのことをほとんど知らないのに移植に挑んだのが原因ですが、Disk I/Oの部分を書くのにかなり手間取りました。いかに役に立ったサイトのリンクを載せておきます。

• John Elliott氏のCP/M Main Page : CP/M全般の情報が集められています。ファイルシステムの構造やBIOSの情報が役に立ちました。
• Grant Searle氏のGrant's homebuilt electronics : CP/MのドライブをCFに対応させるアイデアや、ディスクフォーマットの決め方を参考にさせてもらいました。その他の情報も盛りだくさんです。
• neko Javaさん？のCP/Mコーナー : CP/Mのディスクイメージの作成方法の情報があります。

ここまでで「CP/M-8000の移植はできた」と言っていいとは思うのですが、実は問題があります。トランジェントコマンドの多くが、インストラクションとデータのメモリ空間が分けられるハードウェアを要求することです。

Z8001は8MBのアドレス空間を持ってはいますが、64kBのセグメントに分割されています。コマンドはノンセグメンテッドのコードで書かれているため、利用できるメモリー空間が64kBに制限されてしまいます。それを補うためインストラクションとデータとを別々の空間に置き、128kBまで扱えるようにしているのです。

今回作ったCPUボードでは空間の分離には対応していないので、殆どのコマンドが実行できません。EDやASすら実行できなので、テキストを入力してアセンブルすることすらできず正直何もできません。

動かないコマンドがあることは、移植を開始した早い段階で気づいていましたが、「移植できるのか」という技術的なことにしか興味がなかったので目をつむっていました。せっかくここまで来たので、ハードウェアを改造してインストラクションとデータ空間を分けられるようにしていきます。

CP/M-8000 目覚める

ここ暫くCP/M-8000のBIOSの実装を続けてきたのですが、やっとプロンプトが表示されるところまで来ました。まだプロンプトの表示が変で、謎の"1#"が表示されてはいますが、ビルトインコマンドをタイプすると実行できることを確認できました。
完全にBIOSが実装できておらず、特にディスクI/Oがまだ未実装なので何もできませんが、ゴールデンウィークを中に実装を進めるつもりです。

The Unofficial CP/M Web site には、「CP/M-8000を移植するには、CP/Mが動作するOlibetti-M20上でビルドすることを検討しろ」と書かれていたのですが、オブジェクトファイルをCOFFに変換するツールができたことで、LinuxやWindows上でクロス開発できるようになりました。LinuxやWindows上では高機能な開発環境が使えるので、作業がかなり楽になります。
このあと、私以外にCP/M-8000を移植しようとする人が現れるのかはわかりませんが、ものずきな人のために情報をまとめて公開していくつもりです。

XOUT to COFF 変換

ここ暫く作業を続けていた、CP/M-8000のXOUTファイルをCOFFに変換するツールができたので、まとめてGitHubで公開することにします。

xoutulis (GitHub)

当初、いつものようにCで書いていたのですが途中で行き詰ってしまい、気分転換と自分の勉強を兼ねてGoで書き直しました。Goでかいた最初のアプリになるので、かなり変なことをしているかもしれませんが、とりあえず動きます。

公開するツールは、XOUTからCOFFに変換する xout2coff と、ライブラリファイルをXOUTファイルに分割する xarch です。

使い方は単純で、GOPATHをxoututils/ に通して、そのディレクトリで、

$ go build xout2coff
$ go build xarch

とコマンドを打つと、それぞれビルドされて xoututils/ にコマンドができます。

$ xarch libXXX.a

で、ライブラリの展開。

$ xout2coff XXX.rel

で、COFFへのファイル変換ができます。

これで、CP/M-8000をLinuxやWindows上でクロス開発できるようになりました。今はOlivetti M20用のBIOSを読んで、自作Z8001ボード用に書き直す作業に入っています。