Компьютеры, не совместимые с IBM PC. IBM PC-совместимые компьютеры

В этом реферате мы постараемся достаточно кратко объяснить некоторые особенности IBM РС-совместимых компьютеров, а также введем некоторые базовые понятия, на которые впоследствии будем не раз ссылаться.

Открытая архитектура (блочно-модульный принцип построения)

Привлекательность IBM РС-совместимых компьютеров заключается в их открытой архитектуре. Это, в частности, означает, что подобные компьютеры имеют модульный принцип построения, то есть их основные узлы и блоки выполнены в виде отдельных модулей. Таким образом, установка новых или замена старых устройств, входящих в состав компьютера, не представляют особых сложностей. Усовершенствование таких компьютеров вполне под силу самим пользователям.

В составе IBM РС-совместимого персонального компьютера можно выделить три основных компонента: системный блок, монитор и клавиатуру. В системном блоке находится вся основная электронная начинка компьютера: блок питания, материнская (системная) плата и приводы накопителей (дисководы) со сменным или несменным носителем. Клавиатура является стандартным устройством ввода информации, позволяющим передавать компьютеру определенные символы или

управляющие сигналы. Монитор (или дисплей) предназначен для отображения на своем экране монохромной или цветной, символьной или графической информации. Все перечисленные выше основные компоненты соединяются друг с другом посредством специальных кабелей с разъемами.

От типа корпуса системного блока зависят, в частности, размеры и размещение используемой системной платы, минимальная мощность блока питания (то есть возможное число, подключаемых устройств) и максимальное количество устанавливаемых приводов накопителей. Корпуса компьютеров бывают напольного (tower) и настольного (desktop) исполнения. Основным отличием этих типов корпусов можно считать различное количество установочных мест для накопителей и соответственно мощность блока питания. Кстати, установочные места (монтажные отсеки) для накопителей могут быть двух типов: с внешним доступом и внутренним доступом. Таким образом, по определению, доступ к накопителям, установленным в монтажные отсеки последнего типа может осуществляться только при открытой крышке корпуса системного блока. Такие установочные места могут использоваться только для накопителей с несменным носителем, например, винчестеров.

Системная плата является основой компьютера и представляет собой плоский лист фольгированного стеклостекстолита, на котором находятся основные электронные элементы: базовый микропроцессор, оперативная память, кварцевый резонатор и другие вспомогательные микросхемы.

В соответствии с принципом открытой архитектуры большая часть

IBM РС-совместимых компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, монитором и другими периферийными устройствами, отсутствуют. В таком

случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними, а системную плату - материнской. Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контролерами или адаптерами, а сами дочерние платы - платами расширения.

Микропроцессоры и системные шины

В IBM РС-совместимых компьютерах используются только микропроцессоры Intel или их клоны, имеющие подобную архитектуру.

С основными устройствами компьютера микропроцессор связан через так называемую системную шину. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Как правило, подключение дополнительных устройств к системной шине производится через разъемы расширения.

Для подключения плат расширения на системной шине компьютеров на базе микропроцессора i8088 (IBM РС и IBM РС/ХТ) используются 62-контактные разъемы. В частности, эта системная шина включает 8 линий данных и 20 адресных линий, которые ограничивают адресное пространство компьютера пределом в

1 Мбайт. В компьютерах PC/AT286 впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standart Architecture), по которой можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Эта системная шина отличается от предыдущей наличием дополнительного З6-контактного разъема для соответствующих плат расширения. Компьютеры на базе микропроцессоров i80386/486 стали применять специальные шины для памяти, что позволило максимально использовать ее быстродействие. Тем не менее некоторые устройства, подключаемые через разъемы расширения системной шины, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с микропроцессором. В основном это касается работы с контролерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения этой проблемы, стали использовать так называемые локальные (local) шины, которые непосредственно связывают микропроцессор с контролерами этих периферийных устройств. В настоящее время известны две стандартные локальные шины: VL-bus (VESA Local-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect). Для подключения устройств к таким шинам на системной плате компьютера имеются специальные разъемы.

Порты, прерывания, прямой доступ к памяти

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Вообще говоря, под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти).

О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.

В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контролера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие и в выборе данного события ему помогает контролер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности - приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший - IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В IBM PC/AT восьми линий прерывания стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259. Оно осуществлялось путем подсоединения выхода второго контролера ко входу IRQ2 первого.

Важно для понимания здесь следующее. Линии прерывания IRQ8 - IRQ15 (то есть входы второго контролера) имеют приоритет ниже чем IRQ1, но выше IRQ3.

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для большого количества информации. Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.

В компьютерах, совместимых с IBM РС и PC/XT, для организации прямого доступа в память используется одна 4-канальная микросхема DMA i8237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно.

IBM PC/AT-совместимые компьютеры имеют 7 каналов прямого доступа к памяти. В первых компьютерах это достигалось каскадным включением двух микросхем i8237, как и в случае контролеров прерываний.

Память компьютера

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Логическая организация памяти

Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

Дополнительная (expanded) память

Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт (см. рис. 1).

В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на схеме ниже.

Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.

Частота шины достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.

Вопрос 20: Система конструктивных элементов пэвм. Форм-факторы.

Компью́тер (англ. computer, - «вычислитель») - устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако, сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.

Электро́нная вычисли́тельная маши́на, ЭВМ - комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Персональный компьютер, ПК (англ. personal computer, PC),ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) - настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности.

Форм-фактор (от англ. form factor) - стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например форму, типы дополнительных элементов размещаемых в/на устройстве, их положение и ориентацию.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер.

Спецификация форм-фактора определяет обязательные и дополнительные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей в будущем.

Электронная вычислительная машина подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п. (подробнее: Классы компьютеров По виду рабочей среды), работая за счёт перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ).

С другой стороны, термин «компьютер» предполагает возможность изменения выполняемой программы (перепрограммирования). Многие электронные вычислительные машины могут выполнять строго определенную последовательность операций, содержат устройства ввода и вывода или состоят из похожих на используемые в электронном компьютере конструктивных элементов (например, регистры), но не предполагают возможность перепрограммирования.*

Конструктивные особенности

Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё времяразвития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализациикомпьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:

Цифровой или аналоговый

Фундаментальным решением при проектировании компьютераявляется выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровыекомпьютерыработают сдискретнымичисленными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровыекомпьютерыимеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются:номограмма,логарифмическая линейка,астролябия,осциллограф,телевизор,аналоговый звуковой процессор,автопилот,мозг.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенныесчёты; наиболее сложной из такого рода систем являетсясуперкомпьютер.

Система счисления

Примером компьютерана основедесятичной системы счисленияявляется первая американская вычислительная машинаМарк I.

Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел вдвоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств ипериферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовыватьарифметическиефункции илогическиеоперации.

Тем не менее, переход к двоичной логикебыл не мгновенным и безоговорочным процессом. Многиеконструкторыпытались разработатькомпьютерына основе более привычной для человекадесятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из раннихсоветскихмашинработала на основетроичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проекттроичного компьютераСетуньбыл разработан и реализован талантливым советским инженеромН. П. Брусенцовым).

Под руководством академика Хетагурова Я. А. разработан «высоконадёжный и защищённый микропроцессор недвоичной системы кодирования для устройств реального времени», использующий систему кодирования 1 из 4 с активным нулём.

В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера- любой компьютер можетэмулироватьлюбой другой.

Хранение программ и данных

Во время выполнения вычисленийчасто бывает необходимо сохранить промежуточныеданныедля их дальнейшего использования. Производительность многихкомпьютеровв значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из)памятии её общей ёмкости. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять кодпрограммыв той же самой памяти (архитектура фон Неймана, она же «принстонская»), что и данные. Это решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющихконтроллеров(микро-ЭВМ) исигнальных процессоровболее удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).

Основная часть ПЭВМ, включающая:

электронные устройства, управляющие работой ПЭВМ (в том числе - “центральный процессор ”, ” сопроцессор ”, ” оперативнуюпамять ”, ” контроллеры ” (” адаптеры ”), ” шину ”);

блок питания, преобразующий переменное напряжение сети в постоянное требуемой низкой величины и подающий его на электронные схемы и другие узлы ПЭВМ;

устройства внешней памяти, предназначенные для записи и чтения программ и данных и состоящих из накопителя на жестком магнитном диске (НЖМД) и одного-двух накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД).

Конструкция системного блока ПЭВМ состоит из корпуса, нескольких электронных плат (в первую очередь - “системной” или “материнской ” платы), унифицированных разъемов (слотов), гибких многожильных соединительных кабелей,выключателя электропитания и небольшого числа переключателей (кнопок) управления режимами работы ПЭВМ.

Корпус системного блока ПЭВМ исполняется в вариантах:

Горизонтальном (настольном) в т.ч. в его уменьшенных (Mini-footprint, Slimline) и малогабаритном варианте (Ultra-slimline);

Вертикальном (“ башенном ”) , в т.ч. в укрупненном его виде, пригодном для установке на полу, - “Большая башня ” , малогабаритном - “Малая башня ” и среднем исполнении - “Средняя башня ” ;

“ Все в одном ” - Настольном с объединением в одном корпусе системного блока и монитора;

Портативном или переносном, включающем целый ряд различных вариантов, в том числе - “наколенный ” и “блокнотный” (см. - Ноутбук или Покетбук ). В этих случаях корпус системного блока объединяет также монитор,клавиатуру, трэкбол, а в некоторых моделях - и дисковод CD-ROM

деление на ноль при исполнении

ошибка памяти при записи результатов

На сегодняшний день процессоров с последовательным выполнением команд почти не осталось- их вытеснили процессоры с параллельным выполнением команд, обеспечивающие при прочих равных более высокую производительность. Простейший процессор с параллельным выполнением команд - процессор с конвейером команд (instruction pipeline). Процессор с конвейером команд можно получить из процессора с последовательным выполнением команд, если сделать так, чтобы каждый этап цикла команды был независим от предыдущих и последующих этапов.

Для этого результаты каждого этапа, кроме последнего, сохраняются во вспомогательных элементах памяти (регистрах), расположенных между этапами:

Результат выборки - закодированная команда - сохраняется в регистре, расположенном между этапами выборки и декодирования

Результат декодирования - тип операции, значения операндов, адрес результата - сохраняются в регистрах между этапами декодирования и исполнения

Результаты исполнения - новое значение счетчика команд для условного перехода, вычисленный в АЛУ результат арифметической операции и так далее - сохраняются в регистрах между этапами исполнения и записи результатов

На последнем этапе результаты и так записываются в регистры и/или память, поэтому никакие вспомогательные регистры не нужны.

Прерывание по вектору

При такой организации системы прерываний ВУ, запросившее обслуживания, само идентифицирует себя с помощью вектора прерывания - адреса ячейки основной памяти микроЭВМ, в которой хранится либо первая команда подпрограммы обслуживания прерывания данного ВУ, либо адрес начала такой подпрограммы. Таким образом, процессор, получив вектор прерывания, сразу переключается на выполнение требуемой подпрограммы обработки прерывания. В микроЭВМ с векторной системой прерывания каждое ВУ должно иметь собственную подпрограмму обработки прерывания.

Первым делом требуется точно определиться с задачами, для которых будет использоваться ваш будущий системный блок. Если запланирована покупка игрового оборудования, то особое внимание нужно уделить видеокарте, а для графической рабочей станции основополагающую роль играет мощность процессора и объём оперативной памяти. Наименее требовательными в плане производительности являются офисные системники. Вам даже не потребуется добавлять внешнюю видеокарту, ведь вполне достаточно будет и встроенной. Сперва следует выбрать процессор. Этот элемент влияет на общую производительность всей системы и чем больше будет ядер (и чем выше их частота работы), тем быстрее будут выполняться операции.

Далее конфигуратор ПК поможет подобрать материнскую плату. Она должна быть совместима с CPU и поддерживать оперативную память необходимой частоты. Обратите своё внимание на наличие всех необходимых слотов и разъёмов, а также на размер самой материнской платы (АТХ, micro ATX, mini ATX и пр.). Обычно на любой из них уже присутствует встроенная сетевая и звуковая карта. Конструктор интернет-магазина сайт автоматически подберет подходящие варианты, после того как вы выберете процессор, а не подходящие исключит. Игровой компьютер обязательно укомплектовывается внешней видеокартой. Если вы хотите регулярно играть в современные игры и надолго забыть о модернизации вашей системы, то экономить не стоит. Это касается и объёма оперативной памяти, на стоимость ПК она особо не повлияет, но на производительности скажется значительно. От объёма жесткого диска зависит количество информации, которую вы можете одновременно хранить на компьютере. Но для увеличения быстродействия системы рекомендуют дополнительно устанавливать SSD-накопитель. На нём будет находиться ОС, программы и приложения.

Для удобной работы с внешними носителями данных системный блок, по желанию, укомплектовывают оптическим приводом и карт-ридером. Одним из важных элементов системника выступает блок питания. Его мощность должна подбираться после просчёта суммарного объёма потребления электроэнергии комплектующими. Кроме того, оставьте запас в 100-200 Вт для надёжной работы при повышенных нагрузках на процессор и видеокарту. Конструктор не даст вам ошибиться с выбором блока питания, так как учтет выбранные вами комплектующие и предоставит только подходящие корпуса с блоками питания.

Конфигурация мощного игрового компьютера предусматривает наличие дополнительной системы охлаждения, которая подбирается автоматически, в зависимости от выбранного процессора. Осталось собрать всё в корпус. Он может быть совсем простым и прямолинейным, если системный блок вы планируете установить под столом, где его никто не будет видеть, либо же иметь неоновую подсветку и окно на боковой стороне, позволяющее наблюдать за работой системы (геймерские варианты). Это дело вкуса, но учтите, что корпус для игрового ПК должен быть вместительным и иметь хорошую продуваемость, чтобы комплектующие не перегревались на пиковых нагрузках.

Возникли трудности?

Для удобства клиентов предусмотрена возможность отправить на печать получившуюся конфигурацию. А если возникли трудности, то стоит воспользоваться помощью нашего инженера, который подскажет какие комплектующие правильнее использовать для получения оптимальных технических характеристик.
Решив собрать компьютер у нас, вы получаете лучшие цены и сервис. Гарантируем быструю, но бережную доставку вашего системного блока.

С поддержкой же работы SD-карты возникло сразу два больших вопроса – аппаратная поддержка шины SPI и протокол взаимодействия с самой картой.

В принципе, SPI можно реализовать полностью программно, но мне хотелось поразвлекаться и с «железом» тоже, поэтому я героически принялся за рисование приемо-передатчика байта в схемном дизайне. К моему удивлению, ничего сложного в этом не оказалось, и довольно скоро я уже наблюдал на экране осциллографа резво бегающие 8-битовые пакеты, содержащие именно то, что мне хотелось. Кстати, тут я впервые оценил возможность нового осциллографа не просто показывать кучу сигналов, а еще и объединять их логически в соответствующую шину. Намного приятнее видеть, что осциллограф понял, что передается именно байт A5, а не вручную смотреть, в нужных ли местах находятся переходы с 0 в 1 и наоборот.

Для упрощения задачи я не пытался подстраиваться под все типы и разновидности карт, а ограничился оригинальной SD (не SDHC или еще какие-то варианты) картой. Немного программирования, и вот уже на экране стало отображаться содержимое 0-го сектора карты. Сразу после этого привел эти функции в некоторое подобие INT 13h, добавил в зачаточном виде INT 19h (boot load) и увидел на экране следующее:

Так как в тот момент при чтении всегда считывался только 0-ой сектор, то начальный загрузчик (находящийся как раз в этом секторе), не находил ОС для загрузки, о чем и сообщал. Но это уже мелочи – главное, что моя схема потихоньку начала превращаться в настоящий компьютер и уже даже пыталась загрузиться!

Далее пошла борьба с пересчетом физических секторов в логические блоки. Тут я тоже схалявничал и вместо определения параметров (образа) диска просто жестко забил цифры для конкретного экземпляра образа. С этой частью пришлось повозиться – вычисления почему-то приводили к совершенно неожиданным результатам (вообще никогда не любил арифметику на ассемблере). Тем не менее, после некоторых мучений физические сектора/цилиндры/головки стали исправно переводиться в логические блоки, и пришло время попробовать загрузиться уже по серьезному.

Естественно, сразу загрузка не прошла, да я и не ожидал этого. Заранее зная, что у меня в BIOS’е не реализована куча функций, я поставил на все прерывания заглушки, и при обращении к нереализованной функции на экран выводилась вся необходимая информация – к какому прерыванию и с какими аргументами обращаются. Далее шел процесс написания обработчика соответсвующей функции (а еще чаще – просто временной заглушки), и процесс продолжался. Неожиданно все остановилось на функции, которая вообще отсутствует в оригинальной PC – одна из функций INT 2F, связанную с обработкой событий. Я видел, что DOS определяет тип PC, и вроде не должна вызывать прерывания, отсутствующие на данном типе, но, тем не менее, это происходило, и процесс останавливался. Простая заглушка не помогла, а всю функцию реализовывать не хотелось из принципа.

Сейчас уже не помню весь ход мыслей (очень много чего смотрел в тот момент в исходниках DOS и в процессе загрузки), но в очередной раз на данном «зависании» я решил вызвать кучу прерываний (в тот момент у меня был отключен таймер на INT 08h) и нажал клавишу Shift. Неожиданно случилось чудо:

Скажу честно, эмоций на меня нахлынуло довольно много – проделать путь от макетки с парой микросхем до загрузки DOS за месяц, да еще и короткими набегами (из-за хронической нехватки времени) вроде довольно круто (извините за хвастовство)!

Кстати, с этим сообщением у меня есть до сих пор неразгаданная загадка. Дело в том, что после доделки прерывания таймера DOS стала загружаться без зависания в данном месте, но вот сообщение о копирайте Microsoft почему-то не выводится. Вроде оно также не выводится и на настоящем компьютере (к сожалению, попробовать не на чем). В чем тут первопричина – тайна, покрытая мраком. Я пытался понять логику по исходным кодам DOS, но сходу не увидел, а много времени тратить не захотел. Тем не менее, вопрос все еще мучает потихоньку…

После запуска DOS пришла очередь позапускать другие программы. Наверное, можно догадаться, чья очередь была первой – естественно, как говорят, старый добрый Norton Commander. Как ни странно, возни с ним было заметно больше, чем с DOS’ом. NC при запуске вызывал дикое количество функций, причем в ряде случаев обойтись простыми заглушками не удавалось, приходилось писать хотя бы минимум функциональности.

Тем не менее, проблемы были больше количественные, чем качественные, и вскоре удалось довести процесс загрузки NC до логического завершения:

Такой «интересный» внешний вид обусловлен несколькими причинами:
- видеоадаптер не поддерживал на тот момент атрибуты
- у меня не было второй части знакогенератора, в которой содержиться псевдографика, поэтому в соответствующих местах оказались символы из нижней части кодовой таблицы
- не были реализованы некоторые функции INT 10h.

Вообще меня периодически удивляло, каким именно образом реализованы те или иные функции в различных программах (и даже в DOS). Например, команда CLS (очистка экрана) вызывала функцию INT 10h, вызывающую сдвиг окна вверх. При этом в качестве окна указывалась вся доступная экранная область, и сдвигалась она на количество строк, равное количеству строк на экране. Так как я не ожидал, что функции работы с окнами вообще кто-то использует, то и не спешил их реализовывать. Результат оказался налицо (вернее, на экране). Впрочем, к странностям некоторых программ еще вернемся немного дальше…

После запуска NC у меня возникло естественное желание привести его в божеский вид. Тем более, что такая часть работы иногда даже более приятна, чем попытки завести вообще мертвое устройство. С псевдографикой особых проблем не было – просто довольно много времени на ручное рисование символов (знакогенератор у меня был прямо в виде VHDL кода). А вот с атрибутами пришлось немного напрячься.

Еще раньше, по ходу процесса, я стал применять некоторые элементы VHDL. Сначала практически насильно – все-таки было желание еще раз попробовать освоить этот язык, а потом и потому, что в определенных случаях это оказывалось удобнее, чем использовать схемный дизайн. Даже в самом видеоадаптере мне пришлось вникнуть в код – изначально поддерживалось 43 (или что-то около этого) строки, мне же нужно было переделать на 25 строк. И поддержку атрибутов я сначала попытался сделать схемным дизайном, но вдруг стал осознавать, что вроде использовать VHDL для этого может оказаться проще. Естественно, все двигалось с большим трудом и использованием самых простых конструкций языка, но я вдруг начал понимать суть VHDL – пока еще совсем чуть-чуть, но уже достаточно, чтобы начать на нем что-то осознано создавать, а не просто модифицировать уже имеющееся.

Моя возня с VHDL не прошла даром, и через некоторое время я смог увидеть что-то давно и хорошо знакомое:

Да, там еще можно было заметить некоторые недоделки (типа сдвинутого на один символ атрибута), но в целом цветной текстовый режим 80x25 заработал так, как должен.

Следующим на очереди стоял контроллер прерываний 8259. Сначала возникла мысль попытаться использовать уже имеющийся из какого-то проекта, но ни один из них мне по разным причинам не понравился (либо слишком примитивные, либо, наоборот - я не понимал, как они работают, а документация отсутствовала). Была даже попытка купить коммерческую IP (в данном случае IP это не Internet Protocol, а Intellectual Property), но производители не хотели заморачиваться с продажей целой одной штуки…

В конечном итоге пришлось взяться за листик бумаги и набросать нечто типа (блок)схемы контроллера, которую потом начал реализовывать на VHDL. За полной совместимостью не гнался – мне нужна была (на данном этапе) поддержка одного основного режима приоритетных прерываний, возможность маскировать прерывания (также читать маску прерываний) и выполнять команду EOI (End Of Interrupt). На мой взгляд, этого должно быть достаточно, чтобы подавляющее большинство программ с этим нормально работали. Забегая вперед, скажу, что и по настоящий день я не обнаружил ни одной программы, которая пыталась бы сделать с контроллером прерываний что-то свыше заложенной мною функциональности.

Наверное, контроллер прерываний был моим первым настоящим (пускай и маленьким) проектом на VHDL – от начала и до конца. Писал я его тщательно, не поленился даже (опять таки впервые в своей жизни) сделать test bench (не уверен, как правильно перевести на русский – фактически, последовательность сигналов для проверки правильности функционирования устройства). Моделирование в симуляторе ModelSim показало вроде полную работоспособность контроллера, после чего из него был сгенерирован очередной графический символ и добавлен в мое устройство.

Нормального таймера 8254 у меня еще не было, для генерации прерываний 18.2 Гц использовался обычный счетчик, который я и подключил к контроллеру прерываний. Поведение компьютера показало, что вроде все работает – DOS загрузился без необходимости нажимать на клавишу, а в NC наконец-то пошли часы. Казалось, пройден очередной этап, и можно смело двигаться дальше.

Как оказалось, рано я радовался – в этот момент обнаружилась, пожалуй, самая большая проблема во всем проекте. Если кто помнит, у NC есть встроенная экранная заставка – «звездное небо». Оставив мой компьютер на некоторое время, после возвращения к нему я обнаружил, что звезды на заставке почему-то застыли, проще говоря, компьютер завис. Хотя я понимаю, что таких случайностей не бывает, мне все-таки хотелось верить в чудо – в то, что это единичный случай. К сожалению, как всегда, чуда не случилось – после полного сброса и перезагрузки компьютер снова подвис после часа или около того работы. Стало однозначно понятно, что где-то есть проблема, причем очень труднонаходимая.

Чтобы максимально сузить круг поиска, я написал простейший тест памяти, который запускался сразу после сброса процессора, без инициализации всех ненужных устройств типа таймера и т.д. В принципе, индикацию ошибки памяти я воспринял с облегчением – по крайней мере, проблема была явно в железе. Осталось дело за малым – понять, в каком именно месте. И вот с этим оказалось все совсем не просто.
Дело в том, что вообще схема, задействованная в процессе тестирования памяти, по своей сути довольно примитивна. Задействован минимум логики, кроме процессора нет никаких других сложных программируемых элементов. В результате после какого-то времени, затраченного на анализ схемотехники, у меня появилась более-менее уверенность в том, что дело не в принципиальной ошибке в схеме, а в чем-то более случайном – например, в помехах.

С этой стороной схемотехники у меня вообще все было плохо. Я знал, что нужно ставить побольше блокирующих конденсаторов, и что длинные провода – это вроде плохо. На этом мои познания заканчивались. Поэтому за советом я снова обратился на один из профессиональных форумов. Советов мне надавали много, иногда было сложно отделить действительно толковые советы от советующих по принципу «скажу все, что хоть немного знаю на эту тему». Расписывать здесь все это не буду – слишком много всего обсуждалось, так что это может быть темой отдельной статьи. По результатам обсуждений моя плата обросла почти двумя десятками блокировочных конденсаторов и полностью потеряла изначальный более-менее гламурный вид.

К сожалению, очередной запуск теста показал, что проблема не ушла. Возможно, она стала проявляться чуть реже, но это сказать трудно – и раньше сбой мог возникнуть то через 20-30 минут, то через несколько часов. Сейчас же, как минимум, оставленная на ночь плата утром оказывалась гарантированно сбойнувшей. В отчаянии я снова вернулся к анализу схемотехники и еще более внимательному изучению диаграмм работы шин процессора. В одном месте у меня возникла определенная мысль, и я опять пошел на тот же форум. В ходе обсуждения моей идеи я в очередной раз получил порцию полезных (а иногда и не очень) советов, попробовал реализовать некоторые вещи (в первую очередь, связанные с небольшой задержкой некоторых управляющих сигналов), но на наличие сбоев это не повлияло вообще никак.

В конце дороги отчетливо вырисовывался конкретный такой тупик, поэтому я начал проверять вообще бредовые идеи. В частности, не сбоит ли сама микросхема памяти? Для проверки я сгенерировал прямо внутри FPGA модуль RAM, который и использовал вместо внешней памяти. Честно говоря, на результат я не надеялся – просто делал все, что приходило в голову. Но представьте мое удивление, когда после этого сбои вдруг исчезли! Вообще я даже как-то не был готов к этому, поэтому не совсем понимал, как использовать это знание. В то, что микросхема памяти неисправна, не верилось даже в этот момент. Также была почти полная уверенность, что я работаю с этой микросхемой правильно – по управляющим сигналам там все проще простого. Но факт оставался фактом – с микросхемой сбой гарантированно происходил не позже, чем через несколько часов теста, с внутренней памятью все проработало без сбоев несколько дней, пока мне не надоело.

Для очистки совести я все же решил потестировать память полностью другой схемой, без использования моей процессорной платы. В процессе обдумывания, как это лучше сделать, мне вдруг в голову пришла мысль – я понял единственное существенное отличие между использованием внутренней и внешней памяти. Дело в том, что внешняя память была асинхронная, а внутренняя – частично синхронная, и для нее дополнительно требовался сигнал, по которому во внутреннем буфере защелкивался адрес ячейки, к которой происходило обращение.
Я вообще не понимал, как это может относиться к проблеме случайных сбоев – по всем диаграммам было совершенно однозначно понятно, что у меня адрес держится намного больше, чем минимально необходимо для памяти, поэтому, теоретически, это не могло быть причиной. Тем не менее, я тут же нарисовал в Quartus’е еще один регистр, подал на него адрес и защелкнул его тем же сигналом, который использовался для внутренней памяти. Выход регистра, естественно, подал на адресные линии внешней памяти. Понимая, что делаю полную чушь, я запустил тест. И тест отработал успешно до тех пор, пока я его не выключил на следующий день. Далее еще пару раз с регистром и без – совершенно четко было видно, что наличие регистра убирает сбои полностью.

Это было совершенно необъяснимо – даже на осциллографе я видел, что адресные сигналы и так держатся больше, чем это в принципе может быть нужно, но факт оставался фактом. После целых выходных разборок я плюнул на это и решил смириться с этим, как с данностью…

Итак, DOS грузилась, многие программы, не требовавшие графического режима, запускались, можно было двигаться дальше. Естественно, возникло желание запустить какую-то игрушку. Но для игрушки, как правило, требуется графика, а ее у меня пока не было. И если для текстового видеоадаптера удалось обойтись малой кровью путем переделки существующего, то для графики с этим было не так просто.

Дело было даже не в отсутствии готовых решений. Проблема была в том, что мне нужна была практически полная совместимость со стандартным видеоадаптером на аппаратном уровне – ведь все игры работают с графикой напрямую с железом, без использования BIOS. Я понял, что проще сделать видеоадаптер «с нуля», чем пытаться переделать какой-то готовый. Да и, естественно, самому сделать было намного интереснее.

Итак, пишем свой собственный CGA адаптер – даже EGA на пару порядков сложнее, так что пока на него замахиваться не будем. В принципе, немножко для начала я все-таки подсмотрел – нашел, фактически, наброски модуля генерирования VGA-развертки. Но это было полтора десятка строчек, да еще и не до конца работающих. Так что, реально, они были использованы как шаблон для начала писанины – морально так было легче.

Естественно, CGA монитора у меня нет и не планировалось, поэтому идея заключалась в использовании режима VGA 640х400, в которых превосходно ложился CGA-шный режим 320х200 путем простого дублирования точек как по горизонтали, так и по вертикали.
Вообще графический адаптер у меня получился неожиданно легко – мозг к этому моменту вдруг научился мыслить категориями VHDL, плюс появилось небольшое понимание, что можно требовать от VHDL, а чего не стоит. Вообще основное время отладки у меня занял поиск совершенно глупой ошибки, связанной с разрядностью чисел (две такие проблемы наложились друг на друга и дали весьма забавный вариант). В остальном же я начал получать удовольствие от того, как строчки в редакторе превращаются в практически реальное «железо» внутри FPGA и делают именно то, что я хочу.

В самом начале, естественно, адаптер получился далек от совершенства и совместимости, но Checkit смог опознать его и даже вывести первую тестовую картинку:

Кстати, Checkit оказался довольно полезной программой – многие вещи он определял довольно хитрыми способами, что заставляло делать всю конструкцию все более PC-совместимой. А так как Checkit мог проверить все узлы и компоненты, то и совместимость тестировалась тоже для всех частей системы.

После исправления самых явных ляпов (типа видимого на предыдущей фотографии дублирования точки из предыдущего байта) удалось, с некоторым трудом, найти игру, которая вроде даже заработала:

Цвета на этой картинке не соответствуют оригинальным – в этот момент переключение палитр еще не было сделано, да и сами цвета вообще не были настроенными.

Попытки найти работающие игры показали, что игровые программы, в большинстве случаев работающие напрямую с «железом», куда требовательнее к совместимости, чем какой-нибудь NC или даже QuickBasic. К счастью, FPGA предоставляла практически неограниченные возможности по выявлению фактов обращения программы к интересующим портам, адресам памяти и т.д. Особенно вместе с тем, что BIOS я тоже мог менять по собственному усмотрению, это давало отличный механизм отладки. Кстати, в какой-то момент (уже не помню точно, когда), заработал и Turbo Debugger, что тоже расширило арсенал отладочных инструментов.

Сразу же стало ясно, что нужно делать хотя бы минимальный таймер 8253. Причем программы пытались использовать таймер не только для звуков (канал 2), а еще и активно перепрограммировали канал 0, изменяя таким образом частоту прерываний от таймера, а также использовали этот канал для определения временных параметров.

Почитав документацию к 8253, мне стало немного тоскливо. Делать нужно было много и не очень интересно. Решив заняться этим как-нибудь потом, в тот момент просто залез на все тот же opencores и стащил пару модулей таймера. Один на Verilog, причем весьма упрощенный, второй – по виду крайне навороченный, да еще и на VHDL. К сожалению, таймер на VHDL подключался по шине Wishbone – это открытый стандарт для разработок на FPGA. С Wishbone я до этого никогда не сталкивался, так что решил для начала использовать модуль на Verilog’е, который по интерфейсу выглядел попроще.

После довольно безболезненного подключения таймера к моей системе провел несколько простых тестов и убедился, что модуль вроде работает. Мало того, после еще одной небольшой доработки системы в части интерфейса с динамиком раздались первые, но вполне правильные звуки от работающей игрушки. Пока с таймером можно было закончить, и двинуться дальше.

Дальше же мне пришлось принять кардинальное решение. До этого момента INT 10h я писал сам. В текстовом режиме с этим еще можно было смириться, но вот необходимость поддерживать эти функции в графических режимах меня расстроила. Учитывая, что к этому моменту страсть к программированию на ассемблере была практически удовлетворена (все-таки сказалось то, что в свое время уже пришлось делать это в промышленных объемах), поступил по принципу «Если гора не идет к Мухаммеду, то тот посылает ее нафиг». А именно решил сделать свой CGA адаптер настолько совместимым по «железу», чтобы оригинальный BIOS мог работать с ним.

В принципе, особой сложности не возникло – регистров не очень много, функциональность их крайне проста. Из неявных вещей - пришлось эмулировать регистр состояния, в котором находятся признаки обратного хода луча кадровой и строчной развертки. Довольно логично оказалось, что многие программы (включая BIOS) активно пользуются этим регистром, чтобы избежать «снег» при попытке одновременного обращения к видеопамяти со стороны процессора и адаптера.

Почему-то процесс приведения в порядок видеоадаптера мне показался очень увлекательным, и в конечном итоге этот узел оказался самым проработанным с точки зрения совместимости с оригинальным устройством. Попутно были добавлены недостающие вещи типа переключаемых палитр, режима 640х200 и т.д. Кстати, для тестирования режима 640х200 оказалось довольно непросто найти программу, поддерживающую данный режим. Единственное, что удалось раскопать, это шахматы:

На мой взгляд, выглядит довольно красиво…

Оригинальный обработчик INT 10h отнёсся к такому адаптеру весьма дружелюбно, а я вздохнул с облегчением от отсутствия необходимости писать вещи типа распознавания символа, напечатанного в определенном месте экрана в графическом режиме.

Последним препятствием на пути к приемлемой совместимости с PC была, как ни странно, клавиатура. Хотя это было чуть ли не первое, что я прикрутил к проекту, но с точки зрения совместимости там вообще еще конь не валялся. Основная проблема заключалась в том, что все нормальные программы работают с первым набором скан-кодов, который применялся еще в IBM PC. А вот все клавиатуры, начиная с PC AT, выдают, как минимум, второй набор скан-кодов, очень отличающийся от первого. Только контроллер клавиатуры внутри компьютера преобразовывает эти коды в оригинальный, первый набор, и все обычные программы работают именно с ним (даже если эти программы вроде бы обращаются к клавиатуре напрямую, не используя BIOS). У меня же, естественно, никакого контроллера не было (кстати, в PC AT и даже в поздних PC XT для этого использовался отдельный микроконтроллер на базе 8051). Функции INT 09/16 у меня были реализованы в самом минимальном варианте, а уж о прямой работе программ с клавиатурой вообще и речи не могло быть – они (программы) просто не поняли бы ни одного скан-кода.

К этому моменту я вдруг почувствовал эйфорию от владения VHDL – мне казалось, что я уже постигнул истину, и могу вообще все. Поэтому без промедления был написан изящный (как мне казалось) модуль на VHDL, который выполнял перекодирование скан-кодов. В этом модуле все было очень красиво и хорошо, за исключением одной маленькой детали – он не работал. Причем причину неработоспособности я понять никак не мог, что расстраивало и вызывало недоумение – там всего был десяток строчек.

Очередной раз обратившись на форум к знатокам, я получил изрядное количество действительно толковых советов. Мало того, мое понимание самой концепции VHDL очередной раз чуть ли не в корне поменялось (в т.ч., появилось некоторое разочарование). Основное – чудес не бывает. VHDL (а также все другие HDL) не сделает того, что невозможно сделать обычным способом из имеющихся аппаратных ресурсов. Если я пишу строчку, вроде правильную с точки зрения синтаксиса языка, но при этом даже близко не представляю, как это может быть реализовано в железе, то, скорее всего, оно и не будет реализовано при компиляции. Как минимум, не будет делать то, что от этого требуется. И еще – очень важно использовать шаблоны. Оказывается, многие конструкции языка превращаются в правильные аппаратные узлы только тогда, когда компилятор распознает соответствующий шаблон. Определенная гибкость, конечно, присутствует, но все-равно нужно всегда помнить о рекомендованных стилях описания тех или иных узлов.

Думаю, именно после этих разборок я действительно хоть совсем чуть-чуть, но уже по-настоящему начал понимать суть VHDL (да и Verilog к этому моменту тоже перестал быть совсем уж непонятным). Волшебным образом учебники по этим языкам вдруг обрели смысл, и за словами становилась понятна суть описываемых вещей.

Короче говоря, сделав модуль преобразователя чуть менее красивым, но зато намного более правильным, получил на его выходе коды в первом наборе. Далее осталось скормить эти коды уже оригинальному обработчику INT 09h, и проверить все тем-же Checkit’ом правильность распознавания нажатий клавиш. Итак, клавиатура тоже была почти 100% совместима на аппаратном уровне.

К этому моменту я начал ощущать все больше и больше неудобств от того, что верхним уровнем проекта у меня все еще оставался схемный дизайн. Окончательным толчком, побудившим взяться за полный переход на VHDL, послужила смена домашнего компьютера. На столе у меня оказался iMac Retina с установленным Windows. К сожалению, Quartus попал в число программ, которые оказались совершенно не готовы к работе с таким разрешением экрана. Схемный дизайн стал совершенно нечитаемым, и никакие мои попытки что-то настроить никаких реальных улучшений не произвели. Деваться было некуда, я стиснул зубы и взялся за текстовый редактор.

Как ни странно, все прошло более, чем гладко. Сейчас уже даже не помню, нужно ли было хоть что-то отлаживать, или же все заработало сразу после переделки. В любом случае, серьезных затыков точно не было, а вот работать сразу стало намного удобнее и эффективнее. Я сразу вспомнил советы ряда знающих людей, настоятельно рекомендовавших мне с самого начала забыть о схемном дизайне и сразу начинать с VHDL/Verilog. Кстати, относительно VHDL vs Verilog – пожалуйста, не спорьте со мной, что лучше/хуже, и почему я остановился именно на VHDL. Давайте считать, что мне просто так захотелось, и это практически правда. Больше на эту тему я рассуждать не буду…

При переходе на VHDL был также полностью переделан последний модуль на схемном дизайне – интерфейс SPI. Если помните, он обеспечивал аппаратный прием/передачу только одного байта, причем вокруг этого нужно было произвести целый ряд подготовительных шагов. Вкупе с медленным процессором (и лениво написанным INT 13h) это давало всего около 35% от быстродействия оригинального жесткого диска PC XT (согласно Checkit). Так как я уже практически чувствовал себя гуру VHDL и вообще цифровой электроники, то сразу решил писать не копию имеющегося интерфейса, а модуль, обеспечивающий пакетную передачу.

Правда, с DMA (или, как говорят у нас в России, ПДП) решил не заморачиваться – контроллера DMA еще не было, а браться сразу за два новых модуля не хотелось, потом не разберешься, где именно проблема. Отладка модуля прошла не совсем гладко – пришлось немного повозиться, в том числе активно задействуя цифровые каналы осциллографа в качестве анализатора протокола. Кстати, почему-то в ходе всего процесса я практически забыл, что в состав Quartus’а входит встроенный цифровой анализатор SignalTap, который, наверное, был бы еще удобнее. Возможно, в будущем у меня руки дойдут и до него (еще ни разу не пользовался), но пока мне очень нравится использовать для этого отдельную железку.

Наверное, с учетом нового модуля можно было бы более серьезно переписать INT 13h, но мне было лень, и я отделался только минимально необходимой модификацией. В результате получилось не очень красивое и совсем неэффективное нагромождение, но все равно скорость с новым модулем выросла практически в 5 раз:

Далее пошел частично нудный, частично увлекательный процесс запуска различных программ (в первую очередь, игровых) с целью выяснения, почему они не работают (вернее, что в моем компьютере недостаточно совместимое). О поисках причин можно написать отдельную большую статью, просто приведу несколько примеров:
- у меня нет DMA. Оказалось, что нулевой канал DMA (используемый для регенерации памяти на оригинальных PC) также используется некоторыми программами как счетчик для определения коротких временных промежутков. Пришлось эмулировать соответствующую часть счетчиков контроллера DMA
- обычно (но не всегда) при чтении из несуществующей области памяти или порта ввода/вывода считывается байт FF. У меня считывалось наоборот – 00. Это не понравилось программе, которая проверяла таким образом (и более ничем другим) наличие джойстика, после чего решала, что он есть, и что зажаты все кнопки
- самым оригинальным способом определения наличия CGA адаптера воспользовалась программа, которая записывала определенное значение в регистр местоположения курсора, потом считывала значение и сверяла с тем, что записывала (потом восстанавливала оригинальное значение). Согласно имеющейся у меня документации, этот регистр вроде должен быть только для записи, но переделал на чтение/запись, после чего программа успокоилась
- не связанное с моим компьютером – потратил кучу времени на выяснение причин зависания простейшей старинной игры Paratrooper. Оказалось что хотя игра и старая, но имевшийся у меня файл был сжат самораспаковывающимся архиватором com/exe файлов. Так вот, та часть, которая отвечала потом за распаковку программы при запуске, содержала команду, которая появилась только, начиная с 286 процессора. Неприятность заключалась в том, что данная команда не сильно влияла на процесс распаковки и портила только некоторые байты (меньше одного из тысячи). Пожалуй, на эти разборки я потратил больше всего времени.

Так, потихоньку, практически все игры, которые у меня были, стали запускаться и работать без особых проблем, в некоторые из них я даже попытался сыграть:

В ходе запуска многочисленных игр выяснилось, что имеющийся у меня модуль таймера далеко не идеален – в большинстве случаев звуки были не совсем правильными. Решив, что все-равно захочу разобраться с шиной Wishbone, я решил прикрутить таймер на VHDL, о котором уже упоминал ранее. Для начала, почитал описание Wishbone и сваял нечто типа переходника между Wishbone интерфейсом и шиной 8088 – ничего сложного. К сожалению, таймер не заработал. Пришлось снова доставать осциллограф и смотреть, что же там происходит (в первую очередь, правильно ли формируются Wishbone сигналы).

Кто мог подумать, что в этот момент меня будет ждать великое открытие… Помните, как я мучился со сбоями памяти, и вынужден был ввести промежуточный регистр, необходимости в котором не видел в принципе? Так вот, на экране осциллографа у меня оказалась следующая картинка:

Естественно, первое, что бросилось в глаза, так это жуткий звон сигнала 2. Причем звон этот перешел из количественного параметра в качественный. Сигнал 6 формируется одноразрядным счетчиком, на вход которого подан сигнал 2. Фактически, по каждому восходящему фронту сигнала 2 сигнал 6 инвертируется. Но на осциллограмме видно, что сигнал 6 переключился один раз не только по нормальному фронту сигнала 2, но по фронту самого сильного «звона»! Т.е. в моей схеме на некоторых линиях звон был такой амплитуды, что мог вызвать ложные переключения логики. Сказать, что я офигел – не сказать ничего. Даже не верилось, что при всем этом мне удалось добиться устойчивой работы схемы…

Далее, после небольшого анализа схемы с учетом новых данных, мне стало совершенно понятно, где именно возникали старые сбои, и почему тот регистр их вылечил. Тем не менее, нужно было что-то делать, так как именно сигнал 2 мне был нужен для работы с новым модулем таймера. И снова традиционное обращение к знатокам. Из нескольких советов на форуме был выбран вариант с разрезанием дорожки и впаиванием туда резистора. Результат был далек от идеала, но более ложных переключений от звона при тестировании в течение нескольких часов я не зафиксировал:

К сожалению, на работоспособность VHDL модуля таймера это не повлияло – он молчал. Повозившись еще некоторое время, причина была обнаружена в довольно неожиданном месте – в самом модуле. Причем была она довольно прозаична (и часто встречающаяся в программировании) – модуль неправильно обрабатывал одно из крайних значений, а именно при делителе 0 он вместо деления на максимальное значение (65536) не делал ничего. Я же проверял все время именно инициализацию канала 0, который инициализируется максимальным делителем, чтобы получить частоту 18.2 Гц. Когда я для эксперимента использовал делитель FFFF, все заработало.

Я даже связался с автором модуля, который (автор) уже и забыл, что он этот модуль писал. Тем не менее, автор помог мне найти конкретное место, где была допущена ошибка, и я даже кое-как попытался ошибку исправить. Именно эта проблема решилась, но были обнаружены другие, так что я пока остановился на первой версии модуля, на Verilog.

К этому моменту готовность моей конструкции была такова, что я созрел для главного эксперимента. Дело в том, что в далеком 86 году я читал статью из журнала «В мире науки», который является русским переводом американского журнала «Scientific American», в которой рассказывалось о новейшем продукте компании Microsoft – а именно об игре MS Flight Simulator. Учитывая, что уже в том время я фанател от компьютеров, но при этом твердо собирался стать летчиком, можно понять, какие эмоции тогда бурлили у меня в голове (да и в других частях тела).

И вот сейчас, спустя почти 30 лет, у меня появилось неутолимое желание запустить именно тот исторический Flight Simulator на моем компьютере. Интерес подогревался еще и тем, что вроде бы в те времена для тестирования на совместимость чуть ли не официально использовались две программы – тот самый Flight Simulator, а также Lotus 1-2-3. Говорилось, что они так плотно используют аппаратные особенности компьютера, что если заработали эти программы, то все остальное и подавно будет работать.

Вообще у меня были некоторые сомнения – я все-таки знал о некоторых подводных камнях в моей конструкции, но все же решил рискнуть (особенно учитывая, что ничем, естественно, не рисковал). Результат на экране:

Кстати, загадочная зернистость картинки вначале вызвала у меня подозрение – я сразу стал думать о каком-то совсем хитром способе работы с видеоадаптером, который у меня не поддерживается. На самом деле, как оказалось, таким образом Microsoft пытался получить дополнительные цвета, комбинируя точки из имеющихся цветов. Должен заметить, что, учитывая разрешение 320х200, результат был, мягко говоря, сомнительный.

Никаких проблем с запуском Lotus 1-2-3 тоже не возникло, так что на этом эксперимент можно было бы считать оконченным. Тем не менее, я провел еще ряд небольших доделок и подкруток, после чего стали запускаться и абсолютно нормально работать вообще все программы, которые у меня есть на настоящий момент. Единственной новой функцией, которую я добавил после этого, была EMS. Мне просто не давало покоя, что пропадает больше мегабайта доступной памяти (если честно, то просто хотелось еще что-то сделать), поэтому я нашел описание платы EMS с драйвером, и написал модуль, эмулирующий работу этой платы. Драйвер успешно память опознал:

Совсем последним штрихом стала переделка самой процессорной платы. Мне совершенно не нравился тот кошмар, что творился с формой сигналов, а также хотелось еще раз попрактиковаться с Eagle. В результате была разведена 4-слойная печатная плата, у которой один из внутренних слоев был выделен под землю, второй – под оба напряжения питания. Кроме того, самым существенным моментом было устранение шлейфов – разъемы установлены так, что моя плата прямо втыкается в отладочную плату FPGA (если быть совсем уж точным, то в плату расширения портов GPIO отладочной платы FPGA – такая вот матрешка):

Были также некоторые схемотехнические изменения – убран полностью формирователь тактовой последовательности 8284 (решил, что можно без проблем убрать его внутрь FPGA, не нанеся ни малейшего ущерба совместимости по сигналам шины) и регистр-защелка на шине адреса/данных (также убран внутрь FPGA). Быстрая проверка формы сигналов на новой плате показала, что сигналы стали практически идеальными:

Итак, путь от мигающего светодиода на беспаечной макетке до вполне нормального компьютера был пройден за пару месяцев, при этом получено огромное количество удовольствия, а также знаний в целом ряде областей. На выходе получился компьютер с довольно неплохой совместимостью с IBM PC, на котором вообще без замечаний работают все программы, которые я не поленился раздобыть, в т.ч. и те, которые считаются крайне требовательными к совместимости «железа». На компьютере практически полностью (за исключением обработчика INT 13h) используется BIOS 3-ей версии от IBM PC.

Насчет бюджета проекта сказать что-то определенное практически невозможно. Для начала, что туда включить - только несколько микросхем (подразумевая, что монтаж можно сделать МГТФ"ом, плата FPGA и приборы для настройки и так есть), или же все, начиная от сверхсрочного изготовления плат, покупки отладочной платы FPGA специально для этого проекта, и заканчивая не самым дешевым осциллографом?

Конкретные типы микросхем и всего остального в статье я вроде указал, так что любой желающий сможет посмотреть, во что все это обойдется именно в его варианте. Естественно, необязательно использовать именно DE2-115, для ориентира привожу требуемые ресурсы FPGA:

Следует учесть, что здесь еще присутствует куча артефактов, использовавшихся для отладки, да и сам код практически не оптимизировался.

Что делать со всем этим (и делать ли вообще что-либо) – не совсем уверен. В ходе процесса очередной раз стало понятно, что, хотя на энтузиазме и эрудиции тоже можно кое-чего добиться, формальное знание основ позволило бы все ускорить, избежать многих граблей, а главное – больше сконцентрироваться на творчестве, а не изобретении велосипеда с квадратными колесами. Поэтому пока есть большое желание заполнить каким-нибудь экспресс-методом прорехи (вернее, зияющие дыры) в знании как просто основ электроники и схемотехники вообще, так и VHDL в частности. Насколько это получится, увидим – всегда присутствует проблема в мотивации и наличии свободного времени.

Итак, почему современные настольные компьютеры (за исключением компьютеров фирмы Apple) до сих пор величают IBM-совместимыми, хотя доля ПК, произ­веденных непосредственно самой фирмой IBM, достаточно мала? Дело в том, что только фирма IBM на заре производства персональной компьютерной техники в своем варианте компьютера продекларировала принцип «открытой архитектуры». Это означало, что фирма IBM, в отличие от всех других производителей, не была намерена делать секрета из того, что именно находится внутри ее персональных
компьютеров, а главное - она открыто поощряла другие фирмы как выпускать комплектующие для IBM-совместимых компьютеров, так и производить точно такие же компьютеры, которые с того момента и стали называться IBM-совместимыми

Именно благодаря такой политике IBM-совместимые компьютеры плотно оккупировали рынок, совершенно вытеснив всех имеющихся на тот момент конкурентов, коих было немало: многие
совершенно случайно фирмы выпускали свои собственные персональные компьютеры, архитектура которых была совершенно закрытой- Commodore, Olivetti...

Однако парадокс заключался в том, что, подарив миру IBM-совместимые компьютеры, сама фирма достаточно быстро потеряла главенствующие позиции в их производстве. Пользуясь полностью открытой и хорошо документированной архитектурой этих машин, различные производители стали выпускать свои собственные модификации, которые часто были намного лучше IBM моделей, в результате чего на арену вышли такие известные фирмы, как Compaq, Hewlett Packard, Acer, Dell и прочие.

Кроме того, открытость архитектуры привела к появлению так называемых Noname (безымянных) компьютеров, которые, как игрушечный компьютер, были составлены из комплектующих совершенно различных, не слишком известных производителей. Впрочем, нужно отметить, что практически все из так называемых brand-name (бренд-нейм - известная марка) компьютеров собираются из комплектующих различных фирм. А задача фирмы, которая ставит свою марку, - обеспечить подбор этих комплектующих и высокий контроль качества.

Существует, впрочем, один-единственный, совершенно отдельный тип персональных компьютеров, который не является IBM-совместимым. Это компьютеры фирмы Apple, которые производит только она. Apple-компьютеры нередко используются как персональные машины, но основное их предназначение - издательство и полиграфия.