ブートはどうにかなってきたので、そろそろカーネル本体に手を出していきたいのですが、どこから手を付けていいのか、正直途方に暮れています。
カーネルのコードは /usr/sys/ 以下にあり、/usr/sys/conf/ で make すれば、カーネルがビルドできるようです。その中の makefile を見る限るでは、l.s, mch.s, c.c あたりから見ていけば良さそうです。
暫くこの辺りのコードを眺めながら、突破口を探すことにします。
新しくZ8001CPUボードを作製しました。今までは、ラッピングワイヤを直接はんだ付けして配線していましたが、今回初めて、ユニバーサル基板にピンヘッダをたてワイヤラッピングで配線してみました。この方法は、ピンヘッダとICソケットとの間を配線するのが単調で根気がいります。とくにPLCCソケットは苦痛でした。ラッピングでの配線はやっていて楽しいのですが、間違いに気づいたときは修正が大変です。ほどきたい配線の上にすでに配線されていると、それもほどかないといけません。一度ほどくとワイヤが傷んでしまっているので、２回目巻きなおすと折れたりするので気を使います。年で眼も弱ってきているので、そろそろPCBが作れるようにならないとだめですね。
今回のボードは、MMUを搭載しCP/M-8000以外のOSも移植することを考えています。初代のボードでは、Z8010 MMUを使ってメモリー管理ができるように考えていたのですが、何故かうまく動作せず。結局、CPLDでセグメントアドレスを変換するロジックを組んで、CP/M-8000が動作するようにしました。しかし、この方法ではアドレス変換が固定で融通が利かず、CP/M-8000以外のOSを動かすのは難しくなります。
新しいボードでは、Z8010を使うことは諦めて、MMUを自前で組むことにしました。これに先立って、Z8002 CPUを使ったボードで、MMUを自作できそうか簡単な回路を組んで試してあったのですが、実際に作ってみると配線量の多さからかなり苦戦しました。MMU以外は、最初のボードとほぼ同じです。
自作MMUの仕様は下のようになっています。
YouTube に ZCCで "Hello, world" する動画を上げました。
"Hello, world" under CP/M-8000
ZCCを使ってみて気づいた注意点を上げておきます。なにせK&R時代の古いCコンパイラなので、今の感覚でコードを書くと、思わぬところでエラーの嵐に遭遇します。
・=- に注意
「x=-1」 は、「x = -1」ではなく「x -= 1」に解釈されます。コンパイル時にwarningがでますが、オブジェクトファイルが出力されリンクも正常にできるので注意が必要です。実行してみて意図した動作をしないことで気づきましたが、理由がわからずしばらく悩みました。 かなり古い（K&R以前？）の書き方のようです。
・関数のプロトタイプ宣言に引数の型を含めない & 戻り値がなくても int で宣言
これもかなりハマりました。次のように宣言します。
int foo(a, b);
foo(a, b) int a, b;
{
/* 戻り値なしの処理 */
}
・unsigned char が使えない？
unsigned int は使えるのですが、unsigned char はサポートしていないようです。
・関数名、ラベル名、変数名は8文字まで
Cコンパイラは名前の前に "_" をつけるので、実質使えるのは７文字です。それ以上の文字は無視されるので、気を付けないと違う名前を付けたのに同じと判別されてしまいます。アセンブラとリンカが８文字までしかとらない仕様なので、これは仕方ありません。
・コンパイラの -D オプションが働かない
これは、The Unofficial CP/M Web Siteに書かれていました。試したところ本当に働きません。ヘッダファイルに、#define で定義しておく必要があります。
・コンパイラのオプションがわからない
ZCCのドキュメントが失われているようで、コンパイラーに指定できるオプションがわかりません。今のところわかっているのは、上の働かない-Dぐらいです。CP/M-68KのCコンパイラにはドキュメントが残っているようなので、参考になるかもしれません。
・改行コードと終端コードに注意
改行コードがCR+LFで、テキストがEOFで終端されていないとエラーに悩まされます。これはZCCというよりCP/Mの仕様なのですが、意味のわからないエラーメッセージがでるので悩まされます。CP/M上でコードを編集する場合は大丈夫ですが、LinuxやWindows上で編集している場合に問題になります。改行コードは指定しておけば問題ないのですが、末尾にEOFをいれてくれるエディターはないようなので、意図的に入れる必要があります。VimだとCtrl+Zで入れられます。EOFのあとにテキストが入っていても無視されます。
癖がわかってくると、ZCCは結構使える気がします。アセンブリ言語で書くよりは格段に楽ですから、多少の制約は我慢できます。
CP/Mのライセンスに変化があったのと、夏休みに入って時間ができたこともあり、CP/M-8000に手を入れています。その一番目として、やり残していたFPUエミュレーションをCP/Mにリンクして使えるようにしました。
作業としては、fpe.o と fpedep.o をXOUTからCOFFに変換し、biostrap.sを書き換えるだけですんだので拍子抜けするほど簡単でした。fpe.oはZilogが出荷予定だった実数演算コプロセッサのZ8070をエミュレートするもので、Z8070の命令がくると例外処理で実数演算をソフトウェアで実行します。
これで、ZCC（ZilogのCコンパイラ）で、floatが扱えるようになりました。ためしに、レトロCPU界隈ではメジャーなマンデルブロ集合のASCIIARTをC言語に書き換えて実行してみました。コードは下のような感じです。
見慣れたアスキーアートが出ているので、問題なく動作しているようです。ただし実行時間は遅く、7分44秒とかなり期待はずれな結果です。結果はともかく、実数演算がC言語で使えるようになっただけで可能性は広がります。試せる人はかなり限られると思いますが、この成果はGitHubのリポジトリに反映しました。
今後は、開発環境を改善していく予定です。私にはCP/M標準のEDが全く馴染まないので、まずはエディタをどうにかしようと検討中です。
こんなものを試す人はかなりのハッカー基質の人だと思い、Githubの説明はあまり親切でないのと、英語があまりにひどいので、CP/M-8000を起動させるための補足をしておきます。
準備
作業はDebian系のディストリビューションで行うことを想定しています。ATMEGAのコードをビルドし書き込むために、gcc-avr, avr-libc, avrdude をインストールしておきます。Z8000のコードをアセンブルするために、GNUのサイトからbinutils をダウンロードして、 Z8001クロス開発環境 binutilsをビルドしてみるを参考にビルドしてください。私が確認しているは使っているのは、binutils-2.34 です。
ATMEGA164のヒューズビット設定
Z8001MBと同じくZ8K CP/Mでは、Z8001を起動するためにATMEGA164Pが使われていますが、JTAGの禁止と外部クロック入力にするためヒューズビットの書き換えが必要です。値は、LFUSE : 0xE0, HFUSE : 0xD9 です。ATmega164PのJTAGを禁止するを参照し、avrdudeを使って書き換えてください。
マシンモニタの書き込み
z8kboot ディレクトリでmakeを実行してください。z8kbooter.elf が作られます。 チップへの書き込みは、make write で実行できます。
CP/M-8000のビルド
COFFに変換済みのcpmsys.o と libcpm.a が入れてあるので、cpm8kディレクトリで、makeするだけです。cpm8k.bin が作られます。
CP/M-8000のディスクイメージの作成
cpmtoolsをインストールし、/etc/cpmtools/diskdefsにcpm8kディレクトリにあるdiskdefsを追加します。diska/b/c/d ディレクトリにディスクイメージに含めたいファイルを入れて、make dskimg を実行します。disk.img ができるので、dd でCFに書き込めばOKのはずです。ディスクイメージに入れるCP/M-8000のコマンド類は、 http://www.cpm.z80.de/download/cpm8k11.zip を解凍すると得られるDISKn.ZIPに含まれています。
こんな状況になると予想しておらず、慌てて書いたので間違っているかもしれません。
私がGithubにあげているZ8001MBの回路図をもとに、tomi9さんがCP/M-8000を動作させることができるPCBを作成され、一枚送ってくださいました。
PCBだけでなくCFのソケットとGALも同封されており、あとは手持ちの部品だけで行ける状態でした。tomi9さん、ありがとうございます。自分もいつかはPCBを作ってみたいとは思っているのですが、なかなか勇気が出ません。ラッピングワイヤーでの手配線だと、すぐに回路の修正がききますが、PCBだとそう簡単にはできません。
久しぶり（中学高の技術の授業以来？）のPCBでの組み立てで、ちょっと一投目は緊張しましたが、最難関のCFソケットのはんだ付けを済ませ、Z8536以外の部品を組みつけて、現在、動かせるところまで来ています。
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。
$ 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。
