Z8K CP/Mボード その２

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。

Z8K CP/Mボード

 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。

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。

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。

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。

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。

 

 

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。