Proč stavíme homebrew počítače a kouzlo Motoroly 68k

Návrat k hardwarovým kořenům (Bare metal)

Žijeme v éře bezprecedentní výpočetní abstrakce. Od hardwaru nás dnes dělí mikrokód, operační systém, virtuální stroje, kontejnery a vysokoúrovňové běhové prostředí. Ačkoliv je tento vrstvený přístup nezbytný pro moderní vývoj softwaru, zcela izoluje vývojáře od základních principů fungování počítače.

Stavba “homebrew” (po domácku vyráběných) počítačů je reakcí na tuto nepřehlednost. Jde o touhu porozumět počítači do posledního bitu, adresního pinu a hodinového taktu. Na vlastnoručně postaveném počítači víte přesně, co se děje, když se CPU resetuje, jak paměť odpovídá na požadavky a jak se přes I/O porty rozsvěcují LED diody. Je to absolutní kontrola, která spojuje svět elektroniky a nízkoúrovňového programování.

Proč právě Motorola 68000?

Zatímco 8bitovým homebrew počítačům kralují procesory Z80 a 6502, přechod do 16/32bitové éry má jediného nekorunovaného krále: procesor Motorola 68000 (zkráceně M68k nebo 68k). Tento čip formoval 80. a 90. léta, kdy poháněl legendární stroje jako Commodore Amiga, Atari ST, původní Apple Macintosh nebo konzoli Sega Mega Drive.

Mezi bastlíři a vývojáři je 68k oblíbený z několika klíčových důvodů:

• Elegance instrukční sady: Na rozdíl od archaické a segmentované architektury x86 (Intel 8086), Motorola 68000 nabídla nádherně ortogonální instrukční sadu, která je pro programátora v asembleru radostí.

• 32bitové srdce: Ačkoliv má původní 68000 16bitovou datovou a 24bitovou adresní sběrnici (fyzicky), uvnitř pracuje s 32bitovými daty a registry.

• Lineární adresní prostor: Adresování až 16 MB paměti probíhá zcela plynule, bez nutnosti používat segmenty a offsety.

• Osm datových a osm adresních registrů (D0-D7, A0-A7): Nabízejí obrovskou flexibilitu, která na svou dobu připomínala spíše sálové počítače.

Díky těmto vlastnostem představuje rodina 68k ideální mezistupeň pro ty, kterým už 8bitové procesory nestačí, ale nechtějí se pouštět do zbytečně komplikovaných moderních architektur.

Odlišné přístupy

68k-MBC a Rosco_m68k

Zatímco cíl je stejný (oživit Motorolu 68000 na stole), cesty, jak toho dosáhnout, se zásadně liší. Dva populární projekty dneška – 68k-MBC a Rosco_m68k – reprezentují dva zcela protichůdné inženýrské přístupy k homebrew komunitě.

68k-MBC: Moderní minimalismus a chytrá emulace

Projekt 68k-MBC (Multi Board Computer), za nímž stojí vývojář známý jako Just4Fun, představuje tzv. hybridní přístup. Cílem je minimalizovat počet součástek, zjednodušit návrh desky plošných spojů (PCB) a umožnit rychlé zprovoznění bez potřeby specializovaného vybavení (např. programátoru EPROM).

Klíčové vlastnosti:

• PIC jako mozek desky: Vedle samotného CPU M68008 (verze 68000 s 8bitovou vnější sběrnicí) a čipu SRAM se nachází moderní mikrokontrolér PIC.

• Zavádění místo ROM: Deska vůbec neobsahuje fyzický čip ROM. Po zapnutí mikrokontrolér PIC převezme kontrolu nad sběrnicí a “nasype” bootloader přímo do SRAM, ze které pak CPU startuje.

• Emulace periferií: PIC zároveň emuluje sériovou linku, I/O operace a diskové úložiště (SD kartu).

• Výhody: Extrémní jednoduchost stavby (jen 3 integrované obvody), nízká cena, okamžitá funkčnost z výroby (stačí nahrát firmware do PIC přes běžné USB rozhraní).

Rosco_m68k: Čistokrevné retro a hardwarová rozšiřitelnost

Na opačné straně spektra stojí projekt Rosco_m68k, jehož hlavním autorem je Ross Bamford. Tento projekt se drží klasických zásad návrhu počítačů z 80. let. Nespokojí se s tím, že CPU běží – chce, aby k němu byly připojeny autentické obvody té doby.

Klíčové vlastnosti:

• Diskrétní glue-logika a ROM: Počítač startuje kód z fyzických EPROM/EEPROM čipů a adresní dekódování obstarávají obvody rodiny 74LS (nebo programovatelná logika GAL/ATF).

• Opravdové periferie: Pro sériovou komunikaci (UART) se používají klasické čipy jako MC68681, případně modernější ale stále klasické UARTy.

• Rozšiřující sběrnice: Srdcem Rosco_m68k je masivní rozšiřitelnost. Obsahuje sloty, do kterých se dají zapojit grafické karty (často využívající čipy z MSX), zvukové karty (Yamaha YM2149) nebo řadiče IDE.

• Výhody: Nabízí plný zážitek z návrhu hardwaru. Vývojář si osahá dekódování adres, časování sběrnice a hardwarová přerušení bez jakýchkoliv “švindlů” pomocí mikrokontrolérů.

Který vybrat?

Výběr mezi 68k-MBC a Rosco_m68k se odvíjí od toho, jaký cíl při stavbě homebrew počítače sledujete.

Pokud vás láká samotný mikroprocesor Motorola 68000 z pohledu softwaru, chcete se naučit jeho krásný asembler, spouštět CP/M-68K, psát vlastní malý OS, ale nezajímá vás tolik pájení a složitosti adresního dekódování, pak je 68k-MBC jasnou volbou. Představuje nejrychlejší cestu, jak mít “bare metal” 68k na stole funkční během jednoho večera.

Je to hotové řešení, všechny dostupné programy jsou odladěné a použitelné. Tedy nejen pro bare-metal programování. BASIC, CP/M-68K, PASCAL, ASSEMBLER, C

Na druhou stranu, pokud je pro vás cesta samotným cílem a chcete pochopit, jak byly stavěny počítače v éře Amigy, pak neexistuje lepší volba než Rosco_m68k. Tento systém vás donutí pochopit, co to znamená “Bus Error”, jak se implementují hardwarová přerušení s čipem UART a poskytne vám modulární platformu, kterou můžete rozšiřovat po celé roky (například o vlastní videokartu).

Většina hardwarových rozšíření nebo portů operačních systémů je pouze v režimu testování. Dokonale odladěný je snad jen toolchain pro bare-metal programování.

Detailní zaměření: 68k-MBC

Abychom plně pochopili genialitu, ale i kompromisy projektu 68k-MBC, musíme se podívat na jeho architekturu zblízka. Srdcem tohoto počítače není klasická Motorola 68000, ale její varianta M68008. Tento čip je softwarově 100% kompatibilní se svým větším bratrem, ale hardwarově disponuje pouze 8bitovou externí datovou sběrnicí. To drasticky snižuje počet spojů na desce a umožňuje spárovat procesor s jediným paměťovým čipem SRAM.

Druhým pilířem systému je mikrokontrolér z rodiny PIC (typicky PIC18F47Q10). Tento moderní obvod slouží jako “strážce” celého systému. Zajišťuje generování hodinového signálu, obstarává sériovou komunikaci (UART), simuluje diskový řadič pomocí modulu pro SD karty a hlavně při startu počítače zastupuje paměť ROM.

Tento silně asymetrický design s sebou přináší specifické klady i zápory.

Výhody 68k-MBC

• Extrémní jednoduchost stavby: Deska obvykle obsahuje jen tři hlavní integrované obvody (CPU, SRAM, PIC) a pár diskrétních součástek. Není zde žádná “hustá” změť logických obvodů řady 74xx pro dekódování adres.

• Absence programátoru EPROM: Bastlíři často narážejí na to, že pro retro počítače potřebují staré UV mazatelné paměti EPROM a k nim příslušný programátor. U 68k-MBC tento problém zcela odpadá. Firmware leží v mikrokontroléru PIC, který ho při každém zapnutí bleskově nakopíruje (DMA stylem) do paměti SRAM a teprve poté uvolní CPU z resetu.

• Nízká cena a kompaktnost: Díky malému počtu součástek je počítač levný a vejde se na PCB o velikosti zhruba balíčku karet.

• Okamžitá užitná hodnota (“Out of the box”): Po složení a nahrání firmware máte okamžitě přístupný zavaděč a systém CP/M-68K bootující z SD karty. Pro softwarově orientovaného nadšence je to splněný sen – může rovnou začít psát v asembleru nebo kompilovat C kód.

Nevýhody 68k-MBC

• Ztráta autentického hardwarového zážitku: Pro hardwarové puristy je tento přístup tak trochu “podváděním”. Tím, že PIC emuluje podstatnou část systému, přichází stavitel o radost z navrhování skutečné počítačové architektury z 80. let.

• Omezená rozšiřitelnost: Mikrokontrolér řídí prakticky vše. Pokud byste chtěli k 68k-MBC připojit tradiční grafický čip, zvukovou kartu nebo vlastní hardwarové periferie, narazíte na zásadní omezení. Neexistuje zde žádná volně přístupná, plnohodnotná rozšiřující sběrnice jako u projektu Rosco_m68k.

• Rychlostní limity (Úzké hrdlo): Procesor M68008 s 8bitovou sběrnicí potřebuje ke načtení jedné 32bitové instrukce čtyři přístupy do paměti, což jej přirozeně zpomaluje oproti plnohodnotné 16bitové Motorole 68000. Komunikace s periferiemi (například I/O požadavky), kterou obsluhuje PIC, může rovněž trpět latencí způsobenou softwarovou emulací v mikrokontroléru.

Závěr

Výběr mezi 68k-MBC a Rosco_m68k se odvíjí od toho, jaký cíl při stavbě homebrew počítače sledujete.

Pokud vás láká samotný mikroprocesor Motorola 68000 z pohledu softwaru, chcete se naučit jeho krásný asembler, spouštět CP/M-68K, psát vlastní malý OS, ale nezajímá vás tolik pájení a složitosti adresního dekódování, pak je 68k-MBC jasnou volbou. Představuje nejrychlejší cestu, jak mít “bare metal” 68k na stole funkční během jednoho večera.

Na druhou stranu, pokud je pro vás cesta samotným cílem a chcete pochopit, jak byly stavěny počítače v éře Amigy, pak neexistuje lepší volba než Rosco_m68k. Tento systém vás donutí pochopit, co to znamená “Bus Error”, jak se implementují hardwarová přerušení s čipem UART a poskytne vám modulární platformu, kterou můžete rozšiřovat po celé roky (například o vlastní videokartu).

Softwarová výbava a operační systémy

68k-MBC: Znovuzrození CP/M-68K

Zatímco 8bitový svět zná klasické CP/M jako své boty, jeho 16/32bitový nástupce pro architekturu Motorola 68000 je poněkud exotičtější a v komerční sféře byl rychle zastíněn DOSem. Na počítači 68k-MBC je však spuštění operačního systému CP/M-68K (často ve verzi 1.3) naprosto přímočaré a představuje primární způsob, jak tento počítač využívat.

Celé kouzlo spočívá v tom, že mikrokontrolér PIC, který obstarává systémové I/O operace, zprostředkovává přístup k SD kartě ve formě virtuálních pevných disků. CP/M-68K z nich po startu bez problémů nabootuje a rázem promění “holou desku” ve funkční vývojovou stanici.

Co tento systém vývojáři nabízí?

• Nativní vývoj na platformě: Díky dostupnosti legendárního kompilátoru Alcyon C (zahrnující sadu nástrojů jako CP68, C068, C168, AS68, LO68) a interpretu Enhanced 68k BASIC není nutné spoléhat výhradně na křížovou kompilaci (cross-compiling) na moderním PC. Programy lze psát a kompilovat přímo na cílovém retro hardwaru.

• Terminálové aplikace a hry: Protože veškerý grafický a textový výstup probíhá přes sériovou linku, otevírá se prostor pro tvorbu aplikací využívajících standardní ANSI/VT100 escape sekvence.

Rosco_m68k: Od bare-metal vývoje po EmuTOS

Filozofie systému Rosco_m68k směřuje jinam. Z výroby (resp. po sestavení desky) se stroj chová primárně jako bare-metal (čistě hardwarová) platforma. V ROM je uložen zavaděč a jednoduchý monitor, který vývojáři umožňuje posílat přeložený kód ve formátu S-Record (SREC) přes sériovou linku přímo do systémové RAM a následně jej spustit.

Tento přístup je absolutně ideální pro psaní hardwarově orientovaného softwaru. Běžně je do desky Rosco osazován vylepšený procesor Motorola MC68010, který přináší výhodu v podobě registru VBR (Vector Base Register). Ten umožňuje přesouvat tabulku vektorů přerušení kamkoliv do paměti (nikoliv jen na adresu nula jako u 68000), což je pro vývoj operačních systémů stěžejní. Ve spojení s kapacitou paměti 1MB na desce a možností rozšiřujících modulů, tvoří systém dokonalé pískoviště pro psaní nízkoúrovňových diagnostik paměti v C/Assembly či vlastních ovladačů.

Pokud však na Rosco_m68k toužíte po plnohodnotném operačním systému, architektura umožňuje spustit hned několik řešení:

• EmuTOS: Jde o pravděpodobně nejpopulárnější volbu pro otevřené systémy na bázi 68k. Jedná se o open-source implementaci operačního systému známého z počítačů Atari ST. Ať už přes sériový terminál nebo s patřičnou rozšiřující grafickou kartou, Rosco tím získá robustní OS s vynikající podporou souborového systému FAT.

• CP/M-68K: Stejně jako na 68k-MBC, i zde je možné spustit CP/M. Rozdíl je v tom, že pro Rosco je nutné napsat (či zkompilovat) reálný BIOS (CBIOS) obsluhující fyzické čipy na desce – tedy hardwarový UART (např. MC68681) a řadiče pevných disků na rozšiřující sběrnici, nikoliv jen posílat instrukce podpůrnému mikrokontroléru.

• uClinux: Přestože klasické linuxové jádro vyžaduje jednotku pro správu paměti (MMU), kterou standardní řada 68000/68010 nedisponuje, varianta uClinux navržená právě pro “MMU-less” architektury je na Rosco teoreticky (a komunitně i prakticky) proveditelná, vyžaduje pouze dostatečnou kapacitu RAM a podporu pro úložný prostor.

Proč píšeme bare-metal programy

Hledání limitů

Pokud už máme funkční hardware a možnost nahrát do něj operační systém, nabízí se logická otázka: Proč se mnozí vývojáři vrací k programování typu “bare-metal”, tedy k psaní kódu běžícího přímo na hardwaru bez jakékoliv vrstvy operačního systému?

Odpověď leží v touze po absolutní kontrole a v inženýrské výzvě, kterou představuje hledání skutečných limitů dané architektury. Bez operačního systému neexistuje žádné plánování procesů, žádné skryté kontextové přepínání a žádná ochrana paměti. Celých 100 % strojového času patří vašemu kódu.