ATX-80 je mikropočítač odvozený od počítače ZX-80, s procesorem ATmega8. Neprovádí emulaci kódu, ale nahrazuje původní počítač vlastním kódem s podobnou funkčností v AVR assembleru. Umožňuje výstup obrazu na VGA monitor nebo na PAL/NTSC televizor. BASIC programy lze uchovávat v interní EEPROM, interní Flash nebo externí EEPROM paměti (32 paměťových slotů) a také přenášet mezi PC a pamětí. Předností je snadná konstrukce a malé rozměry. Může sloužit jako malý levný počítač pro výuku základů programování v jazyku BASIC. Součástí 32 ukázkových programů.

Popis

Původním záměrem projektu bylo vytvořit počítač podobných vlastností a s podobným technickým omezením, jaké měl původní ZX-80. Tedy plně funkční interpreter jazyku BASIC jen s 1 KB paměti RAM a co nejblíže 4 KB paměti ROM. Projekt byl pojat i jako studium původního ROM BIOSu ZX-80. Nutno uznat, že původní BIOS ZX-80 byl obdivuhodným výtvorem. Kromě toho, že byl velmi inovátorský, byl vytvořen s vysokou optimalizací velikosti kódu a přestože to vyžadovalo značné znepřehlednění toku dat mezi funkcemi, autor si udržel přehled nad kódem s minimální chybovostí. Snažil jsem se zachovat co nejpřesnější funkčnost původního kódu a svůj kód podrobně komentovat, což může být užitečným doplňkem k objasnění funkce BIOSu. BIOS ZX-80 je velmi přínosným a poučným studijním materiálem a i přes svou letitost si zaslouží více pozornosti jako obdivuhodné dílo.

K přepisu kódu byl zvolen procesor ATmega8, který má 1 KB RAM (tedy stejné omezení jako ZX-80) a 8 KB Flash paměti. Paměti Flash je sice více oproti původním 4 KB, ale kód byl po přepisu o asi 40% delší (instrukce AVR jsou 16-bitové) a byly doplněné další funkce, jako složitější generátor obrazu, obsluha pamětí, 1 KB z interní Flash byl využit jako pamětový slot k ukládání programů, takže těch 8 KB paměti bylo účelně využito.

ATX-80 obsahuje klávesnici ze 40 mikrospínačů. Může generuje obraz pro VGA monitor a také obraz v PAL a NTSC televizní normě přes Cinch konektor. Napájí se externím +5V zdrojem přes USB konektor (USB nabíječka nebo konektor počítače). K ukládání uživatelských BASIC programů slouží externí paměť EEPROM 32 KB, která umožňuje uložení 32 programů do 32 paměťových slotů. Kromě externí EEPROM paměti lze využít i jeden interní paměťový slot v paměti Flash procesoru a tak lze např. kopírovat programy mezi různými externími EEPROM pamětmi. Editovaný program je současně automaticky zrcadlově ukládán i do interní EEPROM paměti. Ta má sice velikost jen 512 bajtů, některé programy se do ní tedy nevejdou celé, ale jednak většina programů nebývá větší než 512 bajtů (paměť RAM musí být sdílena s proměnnými a s videopamětí) a jednak u delších programů je zálohována alespoň jejich větší část.

Přednosti ATX-80 oproti původnímu ZX-80:

• Výstup obrazu na VGA
• Obraz se generuje i za běhu programu (lze použít režimy FAST a SLOW)
• Uchování editovaného programu i po vypnutí
• Zápis programů do externí EEPROM
• Autorepeat kláves
• Funkce informací o paměti
• Vyšší rychlost běhu programu
• Malé rozměry

Omezení ATX-80 oproti původnímu ZX-80:

• Nelze spouštět programy ve strojovém kódu (funkce USR je nefunkční)
• Paměť nelze navýšit externí pamětí
• Nelze připojit další zařízení přes externí sběrnici
• K ukládání programů nelze použít magnetofon, lze využít jen vlastní EEPROM paměť
• Generované znaky obrazu obsahují navíc 9. bílý sloupeček (důsledek generování obrazu SPI portem)

Chyby ZX-80 BIOS

Při studiu ZX-80 BIOSu jsem narazil na pár menších chyb.

1) Chyba s REM příkazem. Adresa REM rutiny má být L0849 namísto L084A. Chyba způsobí, že uvedením příkazu REM bez parametrů (bez textu) se neprovede následující řádek.

2) Chyba v rutině ED-EDIT - následující instrukce mají být v opačném pořadí. Chyba může způsobit zhroucení počítače při zápisu příkazu ve chvíli plně obsazené paměti.

3) Následující chyba se sice neprojeví, ale je potenciálním rizikem při změně překladu. Na začátku rutiny L03CB ED-EDIT chybí inicializace registru B na hodnotu, představující počet řádků k tisku (je potřeba číslo 2 nebo vyšší). V tomto místě obsahuje registr B hodnotu 3 (vzniklou z adresy L03CB), což vyhovuje, ale překladem od jiné adresy by se mohla přestat tisknout spodní obrazovka. Je ovšem možné, že tam tuto instrukci autor vypustil vědomě, v rámci optimalizace.

Schéma zapojení

Hlavním procesorem je ATmega8. V případě potřeby může být nahrazen procesory ATmega88, ATmega168 nebo ATmega328, které jsou pinově kompatibilní. Je však nutno použít jiný kód firmware, který je také připraven v balíku ke stažení. Větší paměť u vyšších typů procesorů není ovšem využita.

Procesor je poháněn krystalem 24 MHz. Tato frekvence je nutná k zobrazení potřebného rozlišení na VGA monitoru. Přestože frekvence použitého krystal leží nad mezemi deklarovanými výrobcem, v praxi bylo zjišťeno, že prakticky všechny procesory takové přetaktování zvládají v pořádku. Přesto je vhodné pro procesor použít objímku a v případě obtíží vyzkoušet jiný kus procesoru. Příčinou chybné funkce může být i nedostatečné napájecí napětí. Mezní kmitočet procesoru je závislý na napájení, nízké napájecí napětí může být důvodem že procesor nebude správně pracovat s použitým krystalem.

Klávesnice je zapojena do matice 5x8 kláves, s podobným zapojením jako původní ZX-80, jen s opačným tokem proudu. Při skenování klávesnice jsou signály COL1 až COL5 zapojeny jako vstup (tedy stav s vysokou impedanci) a pouze jeden ze signálů COL je nastaven jako výstup s úrovní LOW. Signály ROW1 až ROW8 jsou zapojeny jako vstup s interním pull-up rezistorem. Při skenování klávesnice se aktivuje jeden z COL signálů do LOW úrovně a čtením ROW signálů se zjistí stisknuté tlačítko.

Výstup MOSI z SPI generátoru je veden jako obrazový signál jednak na VGA konektor a jednak na CINCH pro výstup na televizor. Na výstupu se předpokládá zatížení vstupním odporem 75 ohmů, což zajistí potřebnou napěťovou úroveň 0,7V. Signál SYNC je výstup z časovače Timer1, který zajišťuje horizontální synchronizaci. Časovač Timer1 současně vyvolává přerušení generátoru obrazu, který vysílá obrazová data přes SPI řadič.

Signál VSYNC je využíván pouze v módu "starý VGA displej". Jinak je běžně generována synchronizační směs CSYNC na výstupu SYNC. Vertikální signál je v synchronizační směsi vytvořen negací horizontálního synchronizačního signálu. Většina současných VGA monitorů podporuje synchronizační směs a pracuje v tomto módu dobře. Pouze starší VGA monitory vyžadují použití i signálu VSYNC. U většiny monitorů by zpravidla neměl být pozorován rozdíl mezi módy starý/nový VGA monitor.

Externí EEPROM paměť je připojena přes TWI/I2C signály (SDA a SCL). Jako nejvhodnější typ je doporučena 32 KB paměť 24LC256P, která pojme 32 uživatelských programů (32 slotů, kde každý slot má velikost 1 KB). Kromě ní je možné použít i paměti 24LC32 (4KB, tj. 4 sloty), 24LC64 (8 KB, tj. 8 slotů), 24LC128 (16 KB, tj. 16 slotů) a 24LC512 (64 KB, tj. 64 slotů). Paměti se liší jen počtem dostupných paměťových slotů.

Pro paměť EEPROM je vhodné použít objímku, aby ji bylo možné v případě potřeby vyměnit za jinou, s jinými uloženými programy. Programy lze mezi pamětmi kopírovat jednak s využitím slotu v interní Flash paměti, a jednak lze využít přiložené kopírovací utility.

Použité EEPROM paměti obsahují vstupní pin pro ochranu proti zápisu. ATX-80 s tím sice nepočítá, ale bylo by možné na desku doplnit ještě konfigurační propojku, kterou je možné povolit nebo zakázat zápis do EEPROM paměti a chránit tak její obsah proti nechtěnému přepsání.

Konstrukce

ATX-80 je navržen pro jednostranný plošný spoj o rozměru 100x75 mm - jednak z důvodu omezení freeware verze Eagle editoru, a jednak protože to je jeden z rozměrů běžně prodávaných plošných spojů pro fotocestu. Plošné spoje vyrábím vytištěním předlohy v inkoustové tiskárně na průhlednou folii (slepení 2 vytištěných předloh izolepou, kvůli lepšímu krytí), osvícení pomocí pole UV-LED (10 minut ze vzdálenosti 30 cm), vyvolání v hydroxidu draselném a vyleptání v chloridu železitém.

Dolní strana plošného spoje

Horní strana plošného spoje, lze nahradit drátovými propojkami

Potisk

Montáž součástek. Pro procesor i EEPROM použijte objímku.

Přes tlačítka je přeložen štítek s popiskami tlačítek. Vytiskl jsem ho na běžný papír na inkoustové tiskárně, z obou stran přelepil izolepou a poté vysekal díry pro tlačítka výsečníkem 4 mm.

Naprogramování a oživení

Pojistky nastavte následujícím způsobem:

ATmega8: low 0xEF (default 0xE1), high 0xC7 (default 0xD9)

ATmega88: low 0xF7 (default 0x62), high 0xD7 (default 0xDF), ext 0xFF (default 0xF9)

ATmega168: low 0xF7 (default 0x62), high 0xD7 (default 0xDF), ext 0xFF (default 0xF9)

ATmega328: low 0xF7 (default 0x62), high 0xD7 (default 0xD9), ext 0xFF (default 0xFF)

V pojistkách je nastaveno mapování boot loaderu paměti s nejmenší velikostí (je potřebné kvůli zápisu do interní flash paměti), ochrana interní EEPROM při programování a rychlý externí krystal.

Připojíte-li po naprogramování procesoru VGA monitor, měla by být vidět základní bílá plocha s kurzozem "K" v levém dolním rohu. Nestane-li se tak, může být zvolen jiný videomód než implicitní VGA. Přepnutí videomódu provedete tak, že podržíte na klávesnici některé z tlačítek 1 až 4 a současně zapnete napájení:

• 1 + napájení: starý VGA monitor (používá VSYNC signál)
• 2 + napájení: nový VGA monitor (používá synchronizační směs CSYNC)
• 3 + napájení: NTSC televizní videomód (výstup přes CINCH konektor)
• 4 + napájení: PAL televizní videomód (výstup přes CINCH konektor)

Zvolená konfigurace se uchová v posledním bajtu EEPROM paměti pro příště. Nejde-li videomód přepnout, můžete mít zkrat na některém z tlačítek.

Zda procesor pracuje, můžete zkontrolovat i bez připojení displeje. Zasuňte LED do VGA konektoru mezi piny 14 (anoda, dlouhý plus vývod) a 10 (katoda, kratší minus vývod). Zapnete-li videomód 1 (starý VGA monitor), LED se rozsvítí (VSYNC signál je aktivní), při ostatních videomódech svítit nebude. Nebo můžete LED zasunout do CINCH konektoru (anoda do dutinky, katoda na kostru) - generuje-li se obraz, LEDka bude svítit.

Programování EEPROM s ukázkovými programy

Upload programů do EEPROM

Po vyzkoušení základní funkce ATX-80 doporučuji naprogramovat připojenou externí EEPROM paměť. V příloze naleznete sadu utilit, s jejichž pomocí nahrajete do EEPROM sadu 32 ukázkových programů. Je k tomu nutné buď přeprogramovat hlavní procesor, nebo použít jiný procesor, sloužící jako "kopírka".

V balíku utilit je složka ATX80_Import, kde naleznete firmware (soubory BIN) pro kopírovací procesor, připravený pro procesory ATmega8/88/168/328 (první číslo ve jménu souboru BIN označuje procesor). Pro každý typ procesoru jsou připraveny 3 sady programů: slot 1 až 12, slot 13 až 24 a slot 25 až 32. Obsahy programů naleznete v balíku utilit v souborech Programs_1.txt, Programs_2.txt a Programs_3.txt. Případně i s popiskami programů v souboru Programs.txt v balíku zdrojových kódu ATX-80.

Kopírovací program kvůli úspoře paměti nepoužívá displej, ale jen indikační LED diodu. Zasuňte ji do VGA konektoru na VSYNC signál, mezi piny 14 (anoda, dlouhý plus vývod) a 10 (katoda, kratší minus vývod).

Nahrajte do procesoru program *_1.bin s první sadou ukázkových programů. LED dioda začne rychle blikat jako indikace, že je procesor v pohotovostním stavu. Stisknete-li nyní na klávesnici tlačítko 4, dioda se na několik sekund rozsvítí trvalým svitem indikujícím, že probíhá programování paměti EEPROM. Poté se opět rychle rozbliká k indikaci, že operace byla dokončena. Postupně takto nahrajte i další 2 sady ukázkových programů. Tlačítko je potřeba stisknout alespoň na půl sekundy aby došlo k jeho registraci - LED dioda se musí rozsvítit na minimálně 1 sekundu.

Kopírování programů mezi EEPROM

Soubor programů v balíku utilit slouží též ke stažení nebo kopírování programů z externí EEPROM paměti. Ke zkopírování obsahu EEPROM do jiné paměti použijte následující postup.

Do procesoru nahrajte program ze složky ATX80_Copy pro příslušný procesor. LED dioda se rozbliká pro indikaci připravenosti. Stiskněte některé z tlačítek 1 až 3. LED se na chvíli rozsvítí jako indikace probíhající operace a programy z EEPROM se stáhnou do interní Flash paměti procesoru. Tlačítko určuje, které sloty se stáhnou. Tlačítkem 1 se stáhnou sloty 1 až 11, tlačítkem 2 sloty 12 až 22 a tlačítkem 3 sloty 23 až 32. Teoreticky se do paměti ATmega8 nemusí vlézt 11 slotů - znamenaly by 11 KB paměti, ale ATmega8 má jen 8 KB. V praxi je většina programů menších a tak se vejdou i do 8 KB. Kdyby někdy ne, bylo by nutné použít procesor s větší pamětí nebo upravit počty slotů ve zdrojových kódech kopírovacího programu.

Po stažení programů do procesoru vypněte napájení, vyměňte EEPROM paměť a zapněte napájení. Tlačítkem 4 uložíte nahrané programy z Flash paměti do nové externí EEPROM paměti. Ukládají se všechny programy které jsou v paměti a ukládají se do stejných slotů, ze kterých byly stažené.

Download programů z EEPROM

Pomocí utilit můžete programy stáhnout i do PC. Nejdříve jako v předešlém případě stáhněte příslušnou sadu programů do Flash paměti procesoru (tlačítkem 1 až 3). Připojte programátor procesoru a stáhněte Flash paměť procesoru do složky ATX80_Copy, do souborů se jménem 1.bin až 3.bin. Ve složce ATX80_Export spusťte povelový soubor !.bat. To zajistí vyexportování programů ze stažených obrazů Flash pamětí do textových souborů Programs_1.txt až Programs_3.txt v základní složce utilit. V souborech můžete upravovat stažené soubory v textovém tvaru. Před kódem každého programu je návěští "SLOT x" které označuje, do kterého slotu program patří. Návěští označuje začátek programu pro další zpracování. Všechny následující řádky začínající číslem jsou zpracovány jako programové řádky. Za programovými řádky mohou následovat příkazy LET nebo DIM, obsahující naplnění číselných nebo textových proměnných.

Budete-li chtít programy v textovém tvaru nahrát zpět do EEPROM, spusťe ve složce ATX80_Import povelový soubor !.bat. Ten zajistí naimportování programů z textového tvaru zpět do obrazů kopírovacích programů. Poté už jen stačí nahrát programy do procesoru a stiskem tlačítka 4 je uložit do externí EEPROM, stejně jak bylo popsáno na začátku této kapitoly.

Popis jazyku ATX-80 BASIC

ATX-80 BASIC je téměř plně shodný s jazykem ZX-80 BASIC, až na pár malých odchylek.

Číslo programového řádku může být v rozsahu 1 až 9999. Po každé změně v řádcích programu se automaticky provede zálohování programu do interní paměti EEPROM. Interní paměť EEPROM má kapacitu pouze 510 bajtů a nemusí se proto do ní vejít celý program. Po zapnutí ATX-80 se zpět obnoví program uchovaný v interní EEPROM.

BASIC ATX-80 pracuje s celými čísly v rozsahu -32768 až +32767. Proměnné mohou být typu:

• celočíselná proměnna s libovolně dlouhým jménem (začíná písmenem, mohou následovat písmena nebo číslice)
• jako parametr smyčky FOR lze použít celočíselnou proměnnou jen s 1 písmenem
• textová proměnná je 1 písmeno následované znakem $, text může mít libovolnou délku
• pole je 1 písmeno, index pole může být max. 255

Operace:

• + - ... součet a rozdíl
• * / ... násobení a dělení (pouze celočíselné)
• AND ... bitový a logický součin
• OR ... bitový a logický součet
• NOT ... bitová a logická inverze
• ** ... mocnina
• = ... porovnání čísel a textů na shodu
• < ... porovnání čísel a textů na menší
• > ... porovnání čísel a textů na větší

Příkazy, mohou být jen na počátku řádku nebo za příkazem THEN, vyvolají se stiskem písmene:

• LIST ... (A) výpis programu od zadaného řádku, bez zadání čísla řádku výpis od počátku
• RETURN ... (B) návrat z procedury
• CLS ... (C) vymazání obrazovky
• DIM ... (D) deklarace pole. Pole může začínat indexem 0. Max. rozměr pole je 255 (např. DIM A(255), indexy mohou být 0 až 255.
• SAVE ... (E) uložení programu a proměnných do slotu. Následuje číslo slotu 1 až 32 pro externí EEPROM. Bez zadání čísla nebo zadáním čísla 0 se program s proměnnými uloží do interní Flash paměti procesoru.
• FOR ... (F) cyklus, následuje 1-písmenná proměnná s počáteční hodnotou, za TO následuje koncová hodnota.
• GO TO ... (G) skok na zadané číslo řádku
• POKE ... (H) uložení bajtu do RAM, následuje adresa a obsah bajtu. ATX-80 simuluje ukládání do RAM adres shodných se ZX-80.
• INPUT ... (I) uživatelský vstup, následuje cílová číselná nebo textová proměnná
• RANDOMISE ... (J) inicializace generátoru náhody zadaným číslem, zadáním 0 nebo vynecháním parametru se inicializuje podle čítače snímků
• LET ... (K) nastavení obsahu proměnné
• FAST ... (L) nastavení rychlého módu, zobrazí se pouze 1 horní řádek a procesor se 4x zrychlí. Lze použít jen za běhu programu.
• SLOW ... (M) nastavení rychlého módu, zobrazí se celá obrazovka. Nastaveno automaticky při ukončení programu.
• NEXT ... (N) pokračování cyklu pro zadanou proměnnou
• PRINT ... (O) výpis proměnných nebo textu. Znak ';' zajistí pokračování bez mezery, znak ',' je odsazení po 8-znakových tabulačních pozicích.
• MEMORY ... (P) vypíše informace o paměti v bajtech: velikost programu, velikost proměnných a volné místo v RAM.
• NEW ... (Q) vymaže program a proměnné
• RUN ... (R) spustí program od zadaného řádku, bez zadání čísla řádku od začátku. Současně vymaže proměnné.
• STOP ... (S) zastaví program. Lze pokračovat příkazem CONTINUE.
• CONTINUE ... (T) pokračování programu od přerušení příkazem STOP.
• IF ... (U) podmínka. Za THEN následuje příkaz provedený v případě platnosti podmínky nebo výrazu (výraz je platný je-li nenulový).
• GO SUB .. (V) skok do procedury. Z procedury se navrací příkazem RETURN na řádek následující za GO SUB.
• LOAD ... (W) načtení programu a proměnných ze slotu. Následuje číslo slotu 1 až 32 pro externí EEPROM. Bez zadání čísla nebo zadáním čísla 0 se program s proměnnými načte z interní Flash paměti procesoru.
• CLEAR ... (X) vymazání proměnných
• REM ... (Y) komentář

Funkce a další povely (funkce je nutno napsat textově, nemají klávesovou zkratku):

• " ... (Shift+Y) označuje začátek a konec textu
• THEN ... (Shift+3) součást podmínky IF, označuje příkaz provedený při splnění podmínky
• TO ... (Shift+4) součást cyklu FOR, označuje koncovou hodnotu proměnné
• ; ... (Shift+Z) součást příkazu PRINT, pokračování tisku od poslední pozice
• , ... (Shift+.) součást příkazu PRINT, pokračování tisku od tabulační pozice
• ( ) ... (Shift+I, Shift+O) závorky
• PEEK ... Načtení obsahu paměti z adresy uvedené v závorce. ATX-80 simuluje RAM adresy shodné se ZX-80, včetně adresy fontu v ROM. Nejsou simulovány obsahy pointerů, ty je nutné přepočítávat.
• CHR$ ... konverze čísla znaku na textový znak
• CODE ... konverze textového znaku (první znak textu) na číselný kód
• RND ... generátor náhody, vygeneruje číslo 1 až zadané maximální číslo
• TL$ ... vrací text bez prvního znaku
• USR ... nepodporováno v ATX-80
• STR$ ... konverze čísla na text
• ABS ... absolutní hodnota čísla

Ukázkové programy

Ukázkové programy jsou uložené v externí EEPROM ve slotech 1 až 32. Obsah EEPROM lze kopírovat do jiné EEPROM, stáhnout do PC nebo nahrát z PC do EEPROM, jak bylo popsané v kapitole Programování EEPROM. Obsahy programů naleznete v souboru Programs.txt ve zdrojových kódech, spolu s jejich podrobnějšími popisy.

1. Výpis znakové sady.
2. Desetinné dělení s vysokou přesností
3. Výpočet odmocniny
4. Hod kostkou
5. Měření reakčního času
6. Histogram generátoru náhodných čísel
7. Skákajíci žáby
8. Šifrování zpráv
9. Koňské dostihy
10. Přístání na Měsíci (spouštějte pomocí GO TO 100)
11. Generátor bludiště
12. Tic Tac Toe
13. Dr. ATX80 - psychiatr (spouštějte pomocí GO TO 120)
14. Hra NIM (tahání zápalek)
15. Blackjack
16. Bubble sort (třídění)
17. Automatické přečíslování programu (spouštějte pomocí GO TO 9987)
18. Kreslení obrázku (obnovení uloženého obrázku s GO TO 200)
19. Výpočet dne v týdnu
20. Čínský zbytek (výpočet myšleného čísla)
21. Simple Simon - přepisování zapamatovaných písmen
22. Hangman - hádání písmen ve slovu
23. Výuka sčítání a odečítání
24. Výuka hlavních měst
25. Life - celulární automat
26. Generátor prvočísel
27. Řešení soustavy rovnic
28. Výpočet odmocniny na 3 místa
29. Pontoon (karty, ukázka řešení grafiky)
30. Chomp (hra - ohraničení plochy)
31. Mastermind (hra - hádání číslic)
32. Pinch (hra - obklíčení soupeře)

Více obrázků na stránkách projektu - klikni

Ke stažení

• Schéma v Eagle Free ATX80_diagram.zip
• Grafické podklady ATX80_png.zip
• Zdrojové kódy (překlad s WinAVR pro ATmega8, ATmega88, ATmega168 a ATmega328): ATX80_src.zip
• Utility pro upload a download ukázkových programů v EEPROM, překlad v MSVC 2005 ATX80_util.zip