目的
「CP/M-68K」の稼働により、モトローラ系の16ビットCPUは制覇した。
次はインテル系に挑戦だな。
CP/M-86でも良かったのだろうが、ここはワンクラス上を目指すかな。
◆◆◆ そうだ、Ｍ＊ＤＯＳを動かしてみよう ◆◆◆
Tang-Nano-9Kに入る切るかどうかが心配だが。
ワンチップでは無いと言われそうだが、機能はGW1NRの中に全て納まってるのでワンチップと言い張るゾ。
経緯
ＭＳＤＯＳは昔は誰でもご存じだった、Microsoft社製のパソコン用ＯＳ。
※ライセンス違反にならない様に、動作確認はFreeDOSで行っています。
FPGAへのDOSのインプリメントは、「前回」行った経験が有るが、問題は必要なLUT個数。
10000LUT～15000LUT程度必要となりそうだが、Tang-Nano-9Kは8640LUT。
※9000LUTは無いのに9Kとは、まあ四捨五入すればそうだが。
そこで容量を食っているキャッシュと、DOSの動作に必須でないものは削除し辻褄合わせ。
※キャッシュだけで2000LUT位使っている様。
※sound関係はバッサリ削除、追加すると使用率が10%程度UPする。
その結果、下記に示す機能を有するシンプルなシステムに仕上がった。
＜TN9-DOS諸元＞
□８０８６ＣＰＵ クロック１８ＭＨｚ
□メインメモリ １ＭＢ、ＤＤＲＲＡＭ
□外部記憶装置 １２０ＭＢ（マイクロＳＤ）
□ＨＤＭＩ表示 ＶＧＡ画面をＨＤＭＩ接続にて表示。
キャラクター８０ｘ２５、グラフィック３２０ｘ２００（２５６色）
□キーボード ＰＳ２キーボード（１０６ＪＰ日本語仕様）
LUTの使用率は85%前後で収まっている。
まあショボいといわれるとそれ迄だが、Tang-Nano-9Kで動いただけでも評価して欲しいな。
装置外観写真を下記に示す、
左上はPS2キーボード接続用のコネクタ。上部に見えるのが本家本物(?)の8086。
※左上はキーボードを接続して居るが、無くとも起動は出来ます。
必要な開発環境とLicense
□Tang-Nano-9K 2K円ちょいで入手可能(シ〇ゾーンは入荷待ち、秋〇は販売中)。
□開発ライセンス 「Tang Nano、Nano9KのIDEであるGowin EDAをインストール(Winのみ)」に詳しく書かれています。
□microSDカード OS(約120MB)をこれ以上の容量のSDカードに書込む。書き込みソフト(Win32DiskImager等)も必要。
□HDMIディスプレィとケーブル。
以下は起動のみで、改変無しなら用意不要。
□PS2キーボードとコネクタ。
□NEXT186のソースファイル。
□86用アセンブラ
□ターミナルソフト モニタでの入出力を行う、例えばTeraTrem。
M*DOSの動作確認
手っ取り早く動作確認する場合
◇OSイメージの入ったSDカードの作成
「ＤＯＳディスクイメージ」をダウロードし解凍、SDカードに書き込み、TN9KのSDスロットに挿入。
※今回はBIOSをROM化したので、SDへのBIOSの書き込み処理は不要。
◇FPGAへの書き込み
TN9Kを購入する。Gowin開発環境のインストールとライセンス認証を行う。
「FPGAソースファイル」をダウンロードする。
Next186_S.gprjを開いて、ソースをコンパイル、USB接続してTN9Kに書き込む。
※取り合えず、Gowin_V1.9.8.03を使っている。
V1.9.8.07はFlash書き込みが出来なかった。
V1.9.8.09はプログラマーが異常終了する。当方の環境の問題かも。
◇動作
USBケーブルをUSB電源に、HDMIケーブルをディスプレィに接続し、リセット(TN9KのS2釦)を押す。
ディスプレィにDOSの起動メッセージが表示されれば大成功。
TN9-DOSの動作解説
◇80186(CPU)
NEXT186製、キャッシュを無くしたので、かなり遅くなってる。
CPUクロックを18MHzにしているが、これ以上だとモニタは起動しても、DOSが起動しなかった。
タイミングを調整すれば動くのかも知れない。
※モニタだけなら40MHzで動作したが、Analyzer oscilloscopeの挙動が不安定。
Analyzer oscilloscopeが動かないと、手も足も出ないので、デバッグ可能な速度に抑える。
◇SRAM
BLOCKRAMを適用。
但し、16bitを指定してもbyte_ena端子が無い(様な)ので、8bitRAMを並列に接続。
※この位はGowinで用意して呉れても良いのでは。
◇DRAM
容量は8MB有るが1MBだけ、TN9K内のDRAM(4MBx2)の一部を適用。
バースト(32サイクル)によるブロック単位のアクセスで、RWには10(cpu)クロック程度が必要。
同一ブロック(64Byte)での読出し要求にはキャッシュ的に動作させ、3(cpu)クロック程度でアクセス可能。
クロックは72MHzと遅く、速度を生かしきっていない。
※これも同様に、早くするとDOSが起動しなくなったので遅くしている。
メインメモリとグラフィックプレーンを共用しており、描画処理に1/5程度取られている。
◇ROM
Bootとして3KB、BIOSとして8KB使用している。
biosの元ネタではRAMで動く事が前提なので、ROMをRAMにコピー後ROMを無効化している。
◇ACIA(モニタ用)
デバッグ用のシリアル通信を行う。CPUクロックを変えた場合は速度再設定が必要。
シリアルポートを兼用しているので、DOSの標準シリアルは取り合えず利用不可。
◇動作クロック
TN9Kのベース(水晶)クロックは27MHz。DRAMは8/3分周した、72MHzで動作。
CPUはこれを1/4分周し、18MHzで動作。SDカードは更に1/2分周し、9MHzでの動作。
外部記憶装置（ＳＤカード）
DOSイメージの128MBをSDに書込めば動作する。
※一回目のDIRコマンドが極めて遅かったのでサイズは縮小。
フォーマットはDOS標準(FAT)であり、パソコン等に接続すればファイルの追加等が可能。
Next186で使用していた末尾へのBIOSの書き込みは取りやめた。
※カードの実容量が公称と異なるものを所持しており、その都度調整が大変なので。
ＶＧＡ波形のＨＤＭＩ出力
TN9のサンプルソフトとして開示されているpicotinyから、表示に必要部分を抽出して流用。
アナログVGA信号(vsync,hsync,hblnk,r,g,b)を信号変換処理(svo_tmds)に繋げば、タイミングが合って居ればHDMIとして表示される。
※hblnk信号には、blnk信号をOR(hblnk || vblnk) した信号を入れないとHDMI信号は出ない。
デモ表示も残しているので、どうしても表示されない場合はコメントを入れ替えて確認の事。
動作ソフト
今回使用しているソフトは、BOOTとBIOSのアセンブラで書かれた２点。
「ソースは此処」の下に格納。
◇BOOT
原本のOSの起動部分(MBR)を読み込むまでの処理に、モニタ機能を追加している。
リセット時はfc000 - fffff 迄使用しているが、動作時はfc000 - fcfff に定位する。
S2釦(リセット)を押すと、ブート処理を行いOSを読み込みDOSが起動する。
S1釦を押したままでリセットすると、モニタとして起動する。
※モニタはハード・ソフトのデバッグには有用だったが、OSが起動すればさして使い道は無いかも。
◇BIOS
fe000 - fffff に定位。
Netx186で開発された物をほぼそのまま、一部変更部分としては、
・OS起動中もブレーク処理を有効とする為、NMI割り込みではモニタへジャンプする。
・英語DOSでの動作だが、繋ぐのは日本語キーボードなので、106JPが使えるようにエンコ部分を弄っている。
※元に戻すには書き換えて再アセンブルが必要。
◇ツール
双方共に86アセンブラで書かれており、パソコン上(MASM32)でアセンブルする。
アセンブラは下記サイトの物を使用している。
「MASM32 SDK Version 11」
アセンブル用のバッチファイルは、アセンブラの格納位置を各自の環境に合わせて修正の事。
アセンブル出力はバイナリ形式(COMファイル)となるので、mi形式への変換を行う。
◇変換ツール
bin2mi.exe バイナリファイルを、TN9Kにロードできる形式に変換する。
※ソースと実行ファイルをcpm68k_optiontoolsに置いておくが、怪しいバイナリファイルが嫌と言う方は、ソースも有るのでMingw等でコンパイルして下さい。
モニタ
今更要らない子のような気もするが、結構手間が掛っているので、使うかもしれないとして一応解説。
※なんせ、86のアセンブラは殆ど触った事が無いし、セグメント何って事でそりゃ大変だった。
従って、大したことはやって居ない。
モニタは元のブートプログラムに追加する形を取っている。
※この為、ワークがモニタ(fc000 - fcfff)の途中(fc800 - fcbff)という、妙な位置にある。
更にWait動作確認の為、fca00 - fcaffのRAMにはWaitが入る。
基本的にはモニタの居るセグメント(CS=f000)でしか使って無いので、別のセグメントでの動作は怪しい。
リセット直後にリセットベクタを切り離し、BIOSにベクタを明け渡している。
モニタの機能として、下記のような操作が可能。
dxxxx xxxx番地からメモリを128byte表示する。xxxxxが5桁の場合はセグメント付きでの指定となる。
mxxxx xxxx番地の参照、xxxx:yy の後の入力で変更。2桁以上を入れると2byte変更が可能となる。
.(ピリオド)で終了。
fxxxx yy zz xxxx番地から長さyyまで、zzで埋める。2byte指定も可。
bpxxxx xxxx番地にブレークを設定。bpだけの入力でブレーク消去。
g ブレークした場所からの実行。
t ブレークした場所からのステップ実行。
bo モニタからDOSを起動。
DOSの起動に失敗した場合、多分失敗の大部分はSDの読み込み失敗であろう。
この時の動作確認は、次のようにして行う。
※一応、2G,8G,32G,128GBで起動可能な事は確認している。
モニタを起動して、bo1 と言うのコマンドを発行すると、4桁の数字が３個表示される。
先頭がSDのセクタ数(x1K)。数字が表示されない場合は、読み込みに失敗。
※32GB以上は数字が変だが動作はした。
※後ろの２個の数字は、biosの格納位置だが今は未使用。
BIOSが読み込めているが起動しない場合は、bb と言うコマンドを発行すと、biosの先頭番地で一端ブレークがかかる。
後は、bp,g,tコマンドを駆使してbiosの動作をトレースする。
※INT命令の次の命令にブレークをかけると、INT実行直後でいったんブレークするのは仕様です。
メモリの7C00にMBR(SDの先頭セクター)が読み込まれれば、後は動くだろう。
DOS開発環境
解像度320x200(256色)の旧いソフトは結構動くようだが、
640x480のグラフィック画面には設定できないので、このままでDOS/V化は無理。
実機上の開発環境としては、懐かしのTurboCがお勧めかな。
2.01が無料で公開されています。※ユーザー登録が必要です。
パソコン上の様に爆速とはいかずチト遅いが、其れなりの速度で動きます。
機能的に問題は無いが、今となっては画面が窮屈だな。
下記は実行画面例。
※実行可能なEXEを、ディスクイメージデータのtestディレクトリに格納しています。
tc2でコンパイル可能なソースを、tc-samplディレクトリに格納してています。
左上：コンパイル画面 右上：ｖｇａ．ｅｘｅ実行画面(bmp表示例)
左下：ｃｉｒｃｌｅ実行画面 右下：ｐａｌｅｔｔｅ実行画面
お手軽な解決策でお茶を濁した部分
下記については深く考慮せずお茶を濁した。※大部分がその場対応とも言えるか。
◇長大case文でのコンパイラ動作
Next186_CPU.vには1500行近いcase文が存在する。※正確にはfunction文だが。
このcase文の結果が常に0になるので、之ではcpuが真面に動作する訳が無い。
case文部分を適当に３分割したら、正常に処理はされるなったが、之はコンパイラの不具合だと思う。
※これが仕様だとしても、エラーも吐かないのはダメだろう。
◇VSYNCでの同期が取れない
画面の同期が乱れる。元ネタでは正しく表示しているので、当方が作り込んだミスだろう。
※描画クロックよりCPUクロックが遅い事が原因では無いかと推測。
強制的に同期をかけているがあまり美しく無いし、別の副作用が有るかも。
◇Wait挿入でCPUの命令がスキップ
DRAMが遅いので、CPUにはWaitをかけているが、そのタイミングがチト微妙。
元々Wait処理は存在していたが、キャッシュ動作時以外は特に考慮されていない模様。
DRAMアクセス時に命令を読み飛ばしてしていたので、Waitを考慮するように変更。
※今の所は問題無く動作して居るが、思わぬタイミングでボロが出るかも。
感想
パソコンを自前で開発できる。ワンチップでDOSが動くとは隔世の感かも。
といっても、他社製FPGAで同一グレード(少し上かも)では、既に実現しているもののパクりですけど。
次はVGA(640x480)でのDOS/Vという考えも有るが、Tang_Primer_20Kに手を伸ばすのが先かも。
なお、上記記載内容は全て無保証であり、各自の責任においてご利用願います。