El KIM Uno: un emulador de kit de desenvolupament de microprocessador de 5 €: 13 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

El KIM Uno és un kit de desenvolupament portàtil, definit per programari, per a microprocessadors (retro). Però permeteu-me introduir-ne la idea tornant enrere en el temps:

A finals del 2018 em va venir al cap que volia construir un petit kit de desenvolupament de microprocessador portàtil, igual que el famós KIM-1 de MOS Technology, Inc. i dissenyat per Chuck Peddle que també va participar en la creació de la CPU 6502.

Però la construcció d'un kit de desenvolupament "sense os" amb components lògics discrets no era una opció, ja que necessitava una gran font d'alimentació (ja que aquells dispositius antics tendeixen a tenir una corrent seriosa) i el desenvolupament seria molt intens. I ho vull ara!

Per tant, vaig dissenyar el KIM Uno com un dispositiu portàtil que s’adapta en una sola mà i que funciona amb dues bateries CR2032. Utilitza el microcontrolador ATMega328p ("Arduino") que funciona a 8 MHz per emular (o simular) la CPU desitjada. Aquesta arquitectura també garanteix que les CPU emulades siguin intercanviables per qualsevol cosa que s’adapti a la memòria flash del microcontrolador. Per tant, és un dispositiu polivalent.

Per casualitat, més tard vaig veure una xerrada molt bona, anomenada The Ultimate Apollo Guidance Computer Talk (34C3), a YouTube on es mencionen "One Instruction Set Computers" o OISC. No en sabia, i el vaig trobar com el candidat perfecte per implementar-lo.

El KIM Uno emula una CPU amb només una instrucció: subleq: restar i derivar si és menor o igual a zero.

Si seguiu amb mi aquest Instructable, podeu crear el vostre propi KIM Uno en un tres i no res. I la millor part, a més de que podeu modificar-la al vostre gust, és que només costa 4, 75 € de fabricació (a finals de 2018).

Un suggeriment: hi ha un dipòsit Git que conté tots els fitxers proporcionats pels diferents passos d’aquest instructable. En cas que vulgueu modificar alguns recursos i compartir-los amb nosaltres, podeu fer un PR. Però també hi podeu baixar tots els fitxers alhora. Simplement a https://github.com/maxstrauch/kim-uno. Gràcies!

Hi ha un altre projecte força interessant, anomenat el mateix (KIM Uno), que fa una rèplica real del 6502 KIM Uno. Consulteu-ho aquí. El creador fins i tot ven el kit. Per tant, si us interessa 6502 i us agrada aquest projecte, hauríeu de fer-hi una ullada.

Pas 1: Proveir el PCB

Com podeu veure, vaig aprofitar l’oportunitat per dissenyar un PCB i deixar-lo fabricar professionalment. Atès que fabricar-lo externament i enviar-lo a vostè trigarà molt de temps (depenent d’on estigueu al món;-)), ordenar-lo és el primer pas. A continuació, podem continuar amb la resta de passos mentre es fabriquen i s’envien els PCB.

Vaig demanar els meus PCB a la Xina a PCBWay per només 5 dòlars. No tinc cap avantatge per presentar PCBWay com el meu fabricant de PCB, és que va funcionar bé per a mi i també podria funcionar bé per a vosaltres. Però podeu demanar-los a qualsevol altre lloc com JLCPCB, OSH Park o qualsevol empresa local de PCB.

Però si esteu disposats a demanar-los a PCBWay, podeu descarregar el fitxer ZIP adjunt "kim-uno-rev1_2018-12-12_gerbers.zip" i penjar-lo directament a PCBWay sense cap canvi. Aquest és el fitxer original que he utilitzat per demanar els PCB que podeu veure a les imatges.

Si els feu una comanda a un altre fabricant, potser haureu de tornar a exportar-los de les fonts originals de KiCad, perquè els he generat amb les especificacions de PCBWay que podeu trobar aquí. Per a les fonts originals de KiCad, descarregueu "kim-uno-kicad-sources.zip" i extraieu-lo.

Però hi ha fins i tot una segona manera: si no voleu demanar el PCB, podeu crear la vostra pròpia versió amb perfboard o fins i tot amb un tauler de suport.

De totes maneres: atès que els PCB estan en marxa, ens podem centrar en les altres parts. Vine, segueix-me.

Pas 2: Proveu els components

Ara cal obtenir els components. Per a això, trobareu una imatge general de tots els components i quantitats que necessiteu, adjunta a aquest pas, així com una llista de materials (llista de materials).

El BOM conté enllaços a eBay. Tot i que aquestes ofertes es podrien tancar quan llegiu això, podeu utilitzar-la com a punt de partida. Els components usats són bastant estàndard.

A continuació us explicaré tots els components necessaris:

• Resistències de 7 x 1 kΩ per a les pantalles de set segments. Podeu reduir el valor (per exemple, a 470 Ω) per fer-los brillar més, però reduïu-lo no massa, en cas contrari, els LED moriran o la bateria s’esgotarà molt ràpidament. Vaig trobar que aquest valor funciona per a mi
• 1x 10 kΩ com a resistència pull-up per a la línia RESET del microcontrolador
• Condensador 1x 100nF per suavitzar els pics de tensió (cosa que no hauria de passar ja que estem utilitzant piles, és cert, però per a una bona mesura …)
• 1x ATMega328P al paquet DIP-28 (normalment anomenat ATMega328P-PU)
• 1x el PCB principal: vegeu el pas anterior; ja sigui ordenat o construït per vosaltres mateixos
• 2x suports de bateria CR2032
• 1 commutador SPDT (monopolar, doble llançament) que bàsicament té tres contactes i en tots els seus dos estats (activat o apagat) connecta dos contactes
• 20x botons tàctils per al teclat. Per utilitzar la part posterior del PCB he utilitzat botons polsadors tàctils SMD (els estàndard de 6x6x6 mm): són bastant fàcils de soldar, com veureu
• OPCIONAL: capçalera 1x 1x6 pin per connectar el programador, però és opcional, com veureu més endavant
• 1x pantalla de 7 segments amb 4 dígits i 1x pantalla de 7 segments amb 2 dígits: la placa només prendrà elements de 0,36 polzades (9, 14 mm) amb cablejat d'ànode comú. Tots dos requisits són importants per aconseguir una unitat de treball. Però també són molt habituals aquest tipus de pantalla de set segments

Adjunt a aquest pas podeu trobar el fitxer "component-datasheets.zip" que conté informació més precisa sobre dimensions i tipus dels components utilitzats. Però la majoria dels components són molt estàndard i es poden obtenir fàcilment per pocs diners.

Ara cal esperar a tenir tots els components a punt per continuar soldant. Durant aquest temps, ja podeu saltar al final i llegir una mica sobre l’ús del KIM Uno si voleu.

Pas 3: Visió general de l'eina de soldadura

Per soldar i construir el KIM Uno necessiteu les eines que mostren les imatges:

• Tallador de cables (per tallar l'extrem dels cables dels components)
• Alicates planes
• Parell de pinces
• (decent) Soldadura que no és massa gruixuda: faig servir soldadura de 0,56 mm
• Un soldador: no necessiteu un soldador de gamma alta (perquè aquí tampoc no fem ciències dels coets): faig servir l’Ersa FineTip 260 des de fa molt de temps i és realment bo
• Un bolígraf de flux: afegir flux als components i coixinets fa que sigui molt més fàcil soldar-los, ja que la soldadura "flueix" per si mateixa al lloc correcte *
• Opcionalment: una esponja (de llana metàl·lica) per al soldador

Per programar posteriorment el KIM Uno, també necessitareu:

• un ordinador amb la cadena d’eines AVR-GCC i avrdude per carregar el firmware
• un ISP (programador), com podeu veure a la imatge, estic fent servir el meu Arduino Uno com a ISP amb un esbós especial, de manera que no cal comprar cap maquinari elegant

* calen algunes guies per part dels humans;-)

Estàs preparat? En el següent pas començarem a muntar el KIM Uno.

Pas 4: Soldadura núm. 1: addició de resistències i condensadors

Sempre heu de treballar des dels components més petits (en termes d’alçada dels components), fins als components més alts. Per tant, comencem afegint les resistències i doblegant-nos sobre les potes de la part posterior perquè les resistències siguin fàcils de soldar i es mantinguin al seu lloc. Després talleu els cables llargs.

A més, no es mostra a les imatges, afegiu el condensador petit de 100 nF de la mateixa manera.

Un consell: guardeu aquestes potes de filferro en un contenidor petit, de vegades són útils.

Pas 5: soldadura núm. 2: muntatge del teclat

El següent pas és soldar els 20 interruptors tàctils SMD. Com que aquest treball és una mica complicat, ho fem ara, quan el PCB queda pla al banc de treball.

Treballarem de dalt a baix (o d’esquerra a dreta si el PCB està orientat tal com es mostra a les fotos) i començarem per la primera fila: trieu un dels quatre coixinets per a cada commutador i mullar-lo amb el bolígraf.

A continuació, utilitzeu unes pinces per agafar un interruptor i col·loqueu-lo amb cura sobre els quatre coixinets. A continuació, soldeu només la pota de l’interruptor que hi ha al coixinet que heu triat i preparat amb flux. Per a això, heu de "agafar" una mica de soldadura amb la planxa abans de començar. Mitjançant aquest mètode, completeu tota la fila d’interruptors i soldeu només una cama.

La imatge amb les fletxes mostra un augment de com es va fer la soldadura exactament.

Després d'haver soldat tota la fila (només un passador), podeu fer petits ajustos escalfant el passador i tornant a col·locar l'interruptor. Assegureu-vos que els commutadors estiguin alineats el millor possible.

Si esteu satisfet amb l’alineació, podeu mullar tots els altres passadors amb el bolígraf i després soldar-los tocant-lo amb el soldador i afegir una mica de soldadura tocant-lo també. Veureu que la soldadura es xucla directament al coixinet.

Després de soldar una fila més o menys, notareu que us agafa i no és tan dur, sinó repetitiu. Tan sols feu la resta i acabareu amb un teclat acabat en poc temps.

Pas 6: Soldadura núm. 3: la pantalla, el commutador i la capçalera del pin de set segments

Ara podeu afegir l'interruptor i la capçalera del pin (opcional) mantenint-lo amb el dit i soldant un pin per subjectar-lo al PCB, de manera que pugueu soldar els altres pins i, finalment, retocar el pin de subjecció inicial.

Tingueu cura que no us cremeu amb el soldador en calent. Si no esteu còmode amb això, podeu utilitzar una mica de cinta (per exemple, cinta de pintor) per subjectar el component. D’aquesta manera teniu les mans lliures per moure’s.

Les pantalles de set segments es solden de la mateixa manera (vegeu la imatge): la col·loqueu, la subjecteu amb la mà o la cinta i soldeu dos passadors oposats per mantenir-la al seu lloc mentre pugueu soldar els altres passadors.

Però aneu amb compte i col·loqueu la pantalla de set segments en la direcció correcta (amb els punts decimals orientats al teclat). Si no, teniu problemes …

Pas 7: Soldar # 4: Soldar el microcontrolador

Ara que teniu molta pràctica, podeu continuar endavant i posar el microcontrolador amb la osca de la part superior (o el primer passador) cap al commutador. Mitjançant unes alicates planes podeu doblegar amb cura les potes del microcontrolador de manera que coincideixin amb els forats del PCB.

Com que està ajustat, necessiteu una força controlada per posar el microcontrolador. L'avantatge és que no caigui. Això vol dir que podeu prendre el vostre temps i soldar-lo per darrere.

Pas 8: soldadura núm. 5: afegiu els suports de la bateria (pas final)

Finalment, cal afegir els suports de la bateria a la part posterior. Per a això, simplement utilitzeu el bolígraf de flux i mullar els quatre coixinets i obtenir una mica de soldadura a la planxa. Alineeu el suport de la bateria amb cura als dos coixinets. Als dos extrems dels contactes hi hauria d’haver la mateixa quantitat de coixinet de PCB visible. Toqueu el coixinet del PCB i la pota del suport de la bateria amb la planxa. La soldadura fluirà per sota del coixinet i sobre ell i el fixarà al seu lloc tal com es mostra a la imatge. Si teniu problemes amb això, podeu afegir més flux amb la ploma.

Pas 9: intermitir l'emulador

A l'arxiu zip adjunt "kim-uno-firmware.zip" podeu trobar el codi font de l'emulador juntament amb un "main.hex" ja compilat que podeu penjar directament al microcontrolador.

Abans d’utilitzar-lo realment, heu d’establir els bits de fusible del microcontrolador, de manera que utilitzi el rellotge intern de 8 MHz sense dividir-lo per la meitat. Podeu fer la feina amb l'ordre següent:

avrdude -c stk500v1 -b 9600 -v -v -P /dev/cu.usbmodem1421 -p m328p -U lfuse: w: 0xe2: m -U hfuse: w: 0xd9: m -U efuse: w: 0xff: m

Si no coneixeu avrdude: és un programa per penjar programes a un microcontrolador. Podeu obtenir més informació aquí. Bàsicament, l’instal·leu i ja estarà llest per utilitzar-lo. Per a la vostra configuració, potser haureu de canviar l'argument de "-P" a un altre port sèrie. Comproveu a l’ordinador quin port sèrie s’utilitza (per exemple, dins de l’IDE Arduino).

Després d'això, podeu fer passar el firmware al microcontrolador amb aquesta ordre:

avrdude -c stk500v1 -b 9600 -v -v -P /dev/cu.usbmodem1421 -p m328p -U flash: w: main.hex

De nou: el mateix s'aplica a "-P" que l'anterior.

Com que no tinc un ISP "professional" (In-System Programmer), sempre faig servir el meu Arduino UNO (veure imatge) i l'esbós que he adjuntat ("arduino-isp.ino", de Randall Bohn). Sé que hi ha una versió més recent, però amb aquesta versió no he tingut cap problema durant els darrers cinc anys, així que la conservo. Simplement funciona. Mitjançant el comentari a la capçalera de l’esbós obtindreu el pinout a l’Arduino UNO i mitjançant l’esquema del KIM Uno (vegeu el document adjunt) podeu obtenir el pinout de la capçalera ISP 1x6 al KIM Uno. El pin quadrat, proper a la pantalla de set segments, és el pin 1 (GND). Els pins següents són (en l'ordre correcte): RESET, MOSI, MISO, SCK, VCC. Podeu connectar VCC a 3V3 o a 5V.

Si no heu afegit la capçalera de pin 1x6, podeu utilitzar cables de taulers de paret i posar-los als forats de connexió i inclinar-los amb el dit, tal com es mostra a la imatge. Això fa que hi hagi prou contacte per parpellejar el firmware i configurar els fusibles. Però si us agrada una configuració més permanent, heu d’afegir definitivament les capçaleres de pin 1x6.

Tinc dos dispositius: una versió de producció sense capçaleres de pin i una versió de desenvolupament amb capçaleres de pin que deixo connectades i les faig servir una i altra vegada durant el desenvolupament. Això és molt més còmode.

Pas 10: finalitzat

Ara heu acabat i podeu començar a escriure els vostres propis programes de subleq en paper, muntar-los i introduir-los a la memòria.

El KIM Uno ve amb un càlcul de Fibonacci preprogramat que comença a la ubicació de memòria 0x0a. Per defecte, es defineix com a n = 6, de manera que hauria de tenir un valor de 8. Premeu "Vés" per iniciar el càlcul.

Pas 11: Anàlisi del disseny de PCB

Després de completar aquest projecte, vaig trobar un parell de punts que cal destacar i que haurien de tractar-se en una nova revisió del tauler:

• la pantalla de seda de l'ATMega328p no té la ranura habitual on es troba el primer passador. La petjada DIP-28 ni tan sols té un coixinet quadrat on es troba el primer passador. Definitivament, s’hauria de millorar amb una serigrafia més detallada per evitar confusions
• la capçalera de l'ISP no té etiquetes de connexió a la pantalla de seda. Això fa que sigui difícil reconèixer com connectar-lo a l’ISP
• la capçalera de l'ISP es podria canviar per una capçalera de pin de 2x6 amb un disseny de pin estàndard per evitar confusions

A part d’aquests punts, estic molt content de com va resultar i va funcionar al primer intent.

Pas 12: Com programar SUBLEQ?

Com es va esmentar al principi, el firmware actual del KIM Uno emula un ordinador de conjunt d’instruccions (OISC) i proporciona la instrucció de subleq per realitzar càlculs.

La instrucció subleq significa restar i ramificar si és menor o igual a zero. En pseudocodi té el següent aspecte:

subleq A B C mem [B] = mem [B] - mem [A]; if (mem [B] <= 0) passa a C;

Com que el KIM Uno emula una màquina de 8 bits, tots els arguments A, B i C són valors de 8 bits i, per tant, pot dirigir una memòria principal total de 256 bytes. Viouslybviament, això es pot ampliar fent valors de múltiples bytes A, B i C. Però, per ara, siguem senzills.

El KIM Uno també té "perifèrics": la pantalla i el teclat. Utilitza una arquitectura assignada a la memòria per connectar aquests perifèrics, tot i que el mapa de memòria és molt senzill:

• 0x00 = el registre Z (zero) i s'ha de mantenir zero.
• 0x01 - 0x06 = sis bytes que representen el valor de cadascun dels segments de visualització (de dreta a esquerra). Un valor 0xf: consulteu el codi font (main.c) per obtenir més informació.
• 0x07, 0x08, 0x09 = tres bytes on cada byte representa dues pantalles de set segments (de dreta a esquerra). Aquestes ubicacions de memòria permeten visualitzar simplement un resultat sense dividir el resultat en dos pinyols per situar-lo a les ubicacions de memòria de sol dígit 0x01 - 0x06.
• 0x0a + = Un programa comença a 0x0a. Actualment la clau "Go" s'executa a partir de 0x0a fix.

Amb aquesta informació, ara es pot escriure un programa al muntador i introduir les instruccions a la memòria i després executar-lo. Com que només hi ha una instrucció, només s’introdueixen els arguments (A, B i C). Així, després de tres ubicacions de memòria, comencen els següents arguments d’instruccions, etc.

Adjunt a aquest pas podeu trobar el fitxer "fibonacci.s" i també una imatge del programa escrit a mà que és un exemple d'implementació de Fibonacci. Però espereu: hi ha tres instruccions utilitzades, concretament ADD, MOV i HLT, que no són subleq. "Què és el tracte? No heu dit que només hi ha una instrucció, subleq?" ho estàs preguntant? És molt fàcil: amb subleq es poden imitar aquestes instruccions molt fàcilment:

MOV a, b: les còpies de dades a la ubicació a a b poden estar compostes per:

1. subleq b, b, 2 (instrucció següent)
2. subleq a, Z, 3 (instrucció següent)
3. subleq Z, b, 4 (instrucció següent)
4. subleq Z, Z, per exemple 5 (següent instrucció)

Utilitzant la funció de resta de subleq, que fa mem - mem [a] i sobreescriu mem amb el resultat, el valor es copia mitjançant el registre zero. I "subleq Z, Z, …" simplement restableix el registre zero a 0, independentment del valor de Z.

AFEGEIX a, b - afegeix els valors a + b i emmagatzema que la suma en b pot estar composta de:

1. subleq a, Z, 2 (instrucció següent)
2. subleq Z, b, 3 (instrucció següent)
3. subleq Z, Z, per exemple 4 (següent instrucció)

Aquesta instrucció simplement calcula mem - (- mem [a]) que és mem + mem [a] utilitzant també la funció de resta.

HLT: atura la CPU i finalitza l'execució:

Per definició, l'emulador sap que la CPU vol acabar si salta a 0xff (o -1 si es canta). Així que un simple

subleq Z, Z, -1

fa la feina i indica a l'emulador que hauria de finalitzar l'emulació.

Mitjançant aquestes tres senzilles instruccions, es pot implementar l'algorisme de Fibonacci i funciona bé. Això és degut a que l'OISC pot calcular tot el que pot computar un equip "real" només amb la subleq d'instruccions. Però, per descomptat, hi ha moltes compensacions a fer, com ara la longitud i la velocitat del codi. Però, tanmateix, és una bona manera d'aprendre i experimentar amb programes de baix nivell i ordinadors.

Adjunt a aquest pas també podeu trobar l'arxiu zip "kim_uno_tools.zip". Conté un muntador i simulador bàsic per al KIM Uno. Estan escrits a NodeJS; assegureu-vos que l’heu instal·lat.

Muntatge de programes

Si mireu "Fibonacci / Fibonacci.s", trobareu que és el codi font per a la implementació de Fibonacci comentada. Per muntar-lo i fer-ne un programa que KIM Uno pugui executar, introduïu l'ordre següent (a l'arrel de l'arxiu "kim_uno_tools.zip" extret):

node assemble.js Fibonacci / Fibonacci.s

i imprimirà un error si vau cometre un error o vessareu el programa resultant. Per desar-lo, podeu copiar la sortida i desar-la en un fitxer o simplement executar aquesta ordre:

node assemble.js fibonacci / fibonacci.s> yourfile.h

La sortida està formatada de manera que es pot incloure directament al firmware de KIM Uno com a fitxer de capçalera C, però el simulador també la pot utilitzar per simular. Simplement introduïu:

node sim.js yourfile.h

I se us presentarà el resultat de la simulació i la sortida esperada del KIM Uno a la pantalla.

Aquesta va ser una breu introducció a aquestes eines; Et recomano jugar amb ells i veure com funcionen. D'aquesta manera, obtindreu un coneixement profund i coneixereu els principis de funcionament de les CPU, instruccions, ensambladors i emuladors;-)

Pas 13: Outlook

Enhorabona

Si llegiu això, probablement hàgiu passat tot aquest instructiu i heu creat el vostre propi KIM Uno. Això és realment agradable.

Però el viatge no s’acaba aquí: hi ha una infinitat d’opcions per modificar el KIM Uno i personalitzar-lo segons les vostres necessitats i gustos.

Per exemple, el KIM Uno podria equipar-se amb un emulador de CPU retro "real" que podria emular el famós MOS 6502 o Intel 8085, 8086 o 8088. Llavors aniria fins a la meva visió inicial, abans de conèixer els OISC.

Però hi ha altres possibles usos, ja que el disseny del maquinari és bastant genèric. El KIM Uno es podria utilitzar com a …

• … un comandament a distància, p. Ex. per a CNC o altres dispositius. Potser per cable o equipat amb un díode IR o qualsevol altre remitent sense fils
• … una calculadora de butxaca (hexadecimal). El firmware es pot adaptar molt fàcilment i no cal canviar molt el disseny de la placa. Potser la serigrafia es pot adaptar amb operacions matemàtiques i es pot eliminar el buit entre els segments. A part d'això, ja està preparat per a aquesta transformació

Espero que us hagueu divertit tant seguint i tant de bo construint el KIM Uno com jo el vaig dissenyar i planificar. I si l’amplieu o el modifiqueu, feu-m’ho saber. Ànims!

Accèssit al concurs de PCB