PORTY, BAJTY, OSMIBITY

Počítače na koleni

Martin Malý

Vydavatel:

CZ.NIC, z. s. p. o.

Milešovská 5, 130 00 Praha 3

Edice CZ.NIC

www.nic.cz

1. vydání, Praha 2019

Kniha vyšla jako 21. publikace v Edici CZ.NIC.

ISBN 978-80-88168-39-3

Toto autorské dílo podléhá licenci Creative Commons

(http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/cz/), a to za předpokladu, že

zůstane zachováno označení autora díla a prvního vydavatele díla, sdružení

CZ.NIC, z. s. p. o. Dílo může být překládáno a následně šířeno v písemné či

elektronické formě na území kteréhokoliv státu.

ISBN 978-80-88168-39-3

— Martin Malý

Porty, bajty, osmibity

Počítače na koleni

— Edice CZ.NIC

Poděkování

Děkuji svému nakladateli za důvěru a péči, věnovanou této knize.

Děkuji všem, kteří mi s psaním knihy fandili. Dodávali mi sílu, když bylo

psaní nekonečné.

Děkuji všem, co přečetli rukopis a přispěli poznámkami. Díky nim je kniha

o něco jasnější a srozumitelnější.

Děkuji designérům Davidu Švejdovi a Jakubu Goldmannovi za návrh

a vypracování grafických inzerátů ve stylu počítačových časopisů z 80. let.

Děkuji Míše, že se mnou proces psaní vydržela. Už podruhé.

Předmluva vydavatele

Vážení čtenáři,

dostává se vám do rukou druhá kniha od Martina Malého, která je, dá se

říct, volným pokračováním jeho publikace Hradla, volty, jednočipy. Jak

napovídá již název této knihy – Porty, bajty, osmibity, autor popisuje své

zkušenosti s osmibitovými mikrokontrolery a počítači a pokouší se je předat

svým čtenářům.

Osobně jsem se s osmibitovými mikrokontrolery, konkrétně s PIC 16F84

a Atmel 8051, poprvé setkal v druhém ročníku na střední škole. Dodnes si

pamatuji, jak jsme zápasili se vstupními a výstupními porty (a několik jich

přitom poslali do křemíkového nebe), snažili se pochopit přímé a nepřímé

adresování a nakonec i rozběhnout resetovatelné stopky s pamětí za pomoci

sedmisegmentových displejů a externí paměti.

Většina úloh by se dnes dala přirovnat k dětskému hraní, ale nás to bavilo

a pro mnohé to byla neocenitelná lekce, která nám poskytla základy pro

naši další práci při vývoji hardwarů i softwarů. V dnešní době si

samozřejmě můžete koupit Arduino a začít programovat v „céčku“ nebo

jiném vyšším jazyce. Budete tak ale ochuzeni o úplné základy, nastavování

jednotlivých bitů registrů a psaní kódu v assembleru. Ze své praxe mohu

říct, že se vám to může někdy dost hodit.

Právě tato kniha vám může přiblížit svět osmibitových mikrokontrolerů

a počítačů. Svět, ve kterém si musíte vše udělat a ošetřit sami, ale odměnou

vám bude váš vlastní kus hardwaru, na kterém bude běžet váš program. A to

je pocit k nezaplacení.

Přeji všem hezkou četbu a mnoho úspěchů při tvorbě vlastních

elektronických aplikací.

Petr Bílek, CZ.NIC

Praha, 14. února 2019

Předmluva

Nevím jak vy, ale já relaxuju u her. Sednu si na gauč, nebo lehnu do postele,

vezmu do ruky ovladač od XBoxu nebo PlayStationu, nahraju nějakou hru

a hraju.

Po čase hraní, když už se nemusím soustředit na to, jaká tlačítka mám

mačkat a co mám přesně dělat, se mi ve volných chvílích, když moje

postava někam běží nebo jede nebo poslouchá nekonečně dlouhé

nepřeskočitelné monology jiných postav, v hlavě rozběhnou úplně jiné

myšlenky.

Většinou si říkám, že bych měl dodělat ten engine na psaní textových her,

co mám rozdělaný už dva roky, pak chvilku přemýšlím nad tím, co tam

ještě dodělat, chvilku si představuju, jak to bude hezké, až to bude hotové,

pak si říkám, že bych měl taky dodělat ten kurz Unity, co mám rozkoukaný

a zaplacený, no a konečně mi fantazie sklouzne k tomu, že bych vlastně

chtěl mít ten svůj osmibit a pro něj si napsat pár her.

Abychom si rozuměli – vlastních osmibitů mám plné skříně: Spectra,

Commodory, Atari, i nějaké podivnější a obskurnější značky a typy, ale já

bych rád vlastní. Jako že víc vlastní. Můj. Mnou navržený a postavený.

Ano, v žebříčku kutilských projektů je myšlenka „navrhnout si a postavit

vlastní osmibitový počítač a psát pro něj programy“ někde hodně… no…

jak by řekla televizní věštkyně Jolanda: Je to hodně někde! Obvykle

kutilský projekt aspoň předstírá, že k něčemu bude, že bude plnit nějakou

užitečnou funkci. Že třeba bude měřit teplotu a hlídat garáž a zalévat

květiny. Ovšem vlastní osmibitový počítač, to je něco tak moc

samoúčelného, jak vám na požádání vysvětlí každý racionálně uvažující

technik.

Jenže když jste amatér, tak víte, že si prostě nemůžete pomoct. Vy máte ty

věci fakt rádi! A chcete je dělat, i když racionálno říká: Budeš jediný

s takovým počítačem. No dobře, budete možná tři: Ty a dva blázni

z internetu, co si ho postavěj’ taky. Tolik času tím strávíš, tolik času spálíš

programováním, a k čemu to bude? No ne, vážně: K čemu to bude?

Je to úplně stejná otázka, jakou slyší každý hráč her. K čemu to je?

A myslím, že i odpověď bude stejná: je to pro nás zábava, příjemná činnost,

a smysl to má jako každý jiný podobný koníček. Děláme něco, co máme

rádi, a baví nás to. Něco se při tom naučíme, získáme nějaké ty dovednosti,

ale hlavně: je to mnohem lepší zábava, než civět na televizi.

Gordon Freeman v té mojí televizi právě prochází Ravenholmem. Když

jsem hrál tuhle část Half-Life 2 poprvé, úplně jsem ji nenáviděl, nedokázal

jsem ji projít, pořád mě něco někde zabíjelo. Dneska už to hraju tak zlehka,

zkouším různé přístupy, jako „ani jeden výstřel“ nebo „co nejrychleji k cíli“

nebo „tuhle pasáž projdu extrémně opatrně“. Jak říkám – relax pro hlavu,

takže se tak na dvacet procent věnuju hře, a zbytek vědomé kapacity se,

nebržděn racionalitou, oddává radostným představám, v nichž tančí úplně

amatérské počítače, ze kterých čouhají dráty a smrdí křemík, a přemýšlí nad

tím, jestli bude lepší implementovat BASIC, nebo FORTH, a jestli bude

lepší procesor 6502 nebo Z80 – ten je sice známější, ale zase složitější. A co

třeba 6809?

Výstup udělám na televizi, nebo na nějaký miniaturní displej? A jak to

namapuju?

A co klávesnice? Tak, PS/2 jde vždycky, ale co nějaká víc vintage? Co třeba

vzít starou od nějakého Commodora, na eBay jich jsou spousty. Nebo co

třeba vzít nějakou starou českou Consuláckou? Nebo co si udělat vlastní

membránovou, jako mělo JPR-1? Nebo vlastní z tlačítek? A na 3D tiskárně

vytisknout hmatník?

Nebo konzoli! Normálně herní konzoli, čtyři tlačítka do kříže, dvě akční,

mezi to displej… A emulátor si k tomu udělám, aby se snadno vyvíjely

programy! Na 3D tiskárně kryt vytisknu. Anebo použiju joystickový modul.

Jako procesor klidně Arduino Nano, udělám si na to plošný spoj…

Po chvíli hru vypnu a z ničeho nic kreslím plošný spoj a posílám ho do

výroby. Hrozně se na to těším, bude to fajn, budu mít herní konzoli, kterou

nemá nikdo jiný, a nebude pro ni jediná hra!

STOP!

Pokud vám to připadá jako ten největší nesmysl, přestaňte číst právě teď,

knihu někomu věnujte, odkaz smažte, zapomeňte… Není to pro vás.

Ale pokud si říkáte „chci taky jeden plošný spoj, budeš mít navíc?” – jste

moji čtenáři! Pojďte dál, řekneme si něco o starých procesorech,

o osmibitových počítačích, o tom, jak se vlastně programují, jak fungují

uvnitř, ukážeme si, jak sestavit počítač v duchu těch starých časů, ukážeme

si i pár modernějších triků, jako jsou malé barevné displeje, a hlavně: pár

kousků si postavíme! A budou to počítače jako byly kdysi: s výstupem na

terminál, černobílé, s malou hroznou klávesnicí a pípátkem na zvuk!

Pojďte, pojďte!

Konvence

V této knize se podržím následujících konvencí:

 Hexadecimální hodnoty budu v textu zapisovat ve tvaru ABCDh – tedy

bez počáteční nuly a se suffixem „h“. Tam, kde to bude mít speciální

význam, např. u výpisu v jazyce C, použiju samozřejmě odpovídající

zápis 0xABCD. U výpisu zdrojového kódu budu zase používat variantu

s počáteční nulou.

 Pro negované signály budu používat úvodní lomítko, tedy např. /RESET.

Nebudu používat ani nadtržení, ani suffix „B“, ani prefix či suffix „n“.

1 Slavné domácí osmibity

80. let

1 Slavné domácí osmibity 80. let

1.1 Domácí počítač

Čím jiným začít tuto knížku, než vyprávěním o slavných hvězdách let

dávno minulých, z dob, kdy každý domácí počítač měl jiný systém

a kompatibilita byla nanejvýš mezi sousedními modely jedné řady jednoho

výrobce. Pravděpodobně jste některý z těchto počítačů měli doma, a možná

ho stále máte. Bylo to Spectrum? Gumák, nebo Plusko? Nebo Atárko?

Nebo snad Commodore, dokonce s disketovkou? Nebo Sharp, či snad Sord?

Na začátku 70. let stále ještě platilo, že počítač = sálové zařízení.

Nejnovější výkřiky techniky pak byly velké jako skříň. Jejich srdcem byly

procesory, postavené ze samostatných modulů, většinou na jedné desce.

Procesor, coby základní řídicí jednotka, obsahuje jednak část, která řídí

běh programu a vykonávání instrukcí (řadič), a jednak část, která

zpracovává data (aritmeticko-logická jednotka, ve zkratce ALU, a k ní

sada registrů, v nichž se data uchovávají při zpracování). K procesoru

byla připojena paměť, v níž je uložený program a zpracovávaná data,

a taky nějaké periferie, což byly všechny ty terminály, klávesnice,

snímače děrných pásek a štítků, magnetopáskové jednotky, diskové

jednotky…

Ve stejné době vznikly první mikroprocesory, tedy integrované obvody,

které na jednom čipu (či několika málo čipech) obsahovaly řadič instrukcí,

výkonnou jednotku, pracovní registry i aritmeticko-logickou jednotku.

Poměrně rychle vznikly obvody 4004, 8008 a 8080 (vše Intel). Od vzniku

procesoru 8080 se vlastně dá mluvit o začátku mikroprocesorové éry.

Intel nebyl samozřejmě sám, vznikaly i další procesory, a po poklesu cen

a příchodu mikroprocesorů 6502 a Z80 začaly vznikat první počítače, které

se vešly na stůl. Kromě profesionálních zařízení přišla i zařízení pro

amatérské použití (Altair 8800) nebo dokonce plně amatérské konstrukce.

Amatér je samozřejmě slovo, které má hanlivý nádech, ale

nezapomínejme, že jeho původ je ve slově amare, tedy milovat. Amatér je

tedy vlastně člověk, který se oboru věnuje nikoli proto, že by ho živil, ale

proto, že ho má rád. A v tomto významu prosím čtěte i výše zmíněné

„amatérské konstrukce“.

První amatérské počítače se prodávaly jako stavebnice: deska tištěných

spojů, sada součástek, spájejte si doma, IKEA hadr. Přesně v tomto stylu

začala vyrábět své počítače garážová firma Apple – model Apple I byl

právě taková stavebnice, kterou jste si za 500 USD koupili a spájeli doma

(a pokud jste si ji schovali až dodneška, má hodnotu několik desítek tisíc

dolarů).

Brzy ale přišly kompletní sestavené stroje, které jste si přinesli z obchodu,

zapojili – a fungovaly. Nejslavnější jména té doby (hovoříme o konci

70. let) jsou Apple II, Commodore PET a TRS-80.

Obrázek 1: Apple I

Apple II se neprodával tak dobře jako další (například v jeho BASICu

chyběla podpora pro desetinná čísla), ale prodával se delší dobu, takže

úhrnem až do roku 1993, kdy se přestal vyrábět, prodala firma Apple přes

čtyři miliony kusů tohoto počítače.

Commodore PET přišel s ikonickým designem plechové krabice se

zabudovanou klávesnicí, kazetovým magnetofonem a černobílým

displejem.

Obrázek 2: Commodore PET

Commodore oznámil poměrně brzy nové modely, a tak se různých modelů

PETu prodal necelý milion.

Třetí slavný počítač té doby, TRS-80, používal procesor Z80, na rozdíl od

předchozích dvou, které byly poháněné procesorem 6502. Zkratka TRS

odkazuje na výrobce (Tandy) a distributora tohoto počítače (Radio Shack).

Obrázek 3: TRS-80

1.2 Druhá generace

Do druhé generace domácích počítačů promluvily i další firmy. V Atari

vzali hardware svých herních konzolí, přidali k němu klávesnici, a tak

vznikla slavná řada domácích osmibitů od Atari (400, 800, série XL, série

XE). Commodore přepracovalo PET a vznikly počítače VIC-20

a veleúspěšný Commodore 64.

V Británii sir Clive Sinclair, který věřil kalkulačkám a směřoval spíš

k vědeckému použití vlastních vynálezů, vlastně jako vedlejší produkt

uvedl na trh nejprve počítačovou stavebnici MK14 s méně známým

procesorem SC/MP (INS8060) a později slavnou sérii počítačů ZX: ZX80,

ZX81 a ZX Spectrum.

Atari a Sinclair patřily k nejrozšířenějším počítačům v tehdejší ČSSR.

U Atari to byly především modely 800XL a 130XE, od Sinclaira pak

ZX81, ale především Spectrum (i Spectrum Plus, vídané i pod značkou

„Delta“). Méně bylo Commodorů, Specter 128, počítačů Amstrad, Sharp

MZ800 nebo Sord m5.

O počítačích ZX asi nemá smysl v české knize pro českého čtenáře psát

podrobněji. Přesto alespoň pár slov.

Počítač ZX80 přišel s jednoduchou konstrukcí: deska včetně membránové

klávesnice, paměť, procesor a několik integrovaných obvodů, které se spolu

s mikroprocesorem staraly o zobrazování textu na černobílé televizi.

Sinclairovi konstruktéři vymysleli velmi důmyslný trik, kterým dokázali

zobrazovat text na televizi s minimem potřebných součástek. Na druhou

stranu za to zaplatil uživatel, protože procesor většinu času sloužil jako

čítač adres pro zobrazování, a pouze ve chvílích, kdy se nic nezobrazovalo,

mohl počítat uživatelské úlohy.

Následovník ZX81 přinesl zásadní změnu. Koncepce zůstala stejná, ale

naprostá většina integrovaných obvodů byla nahrazena jedním na míru

vytvořeným zákaznickým čipem ULA SCL (Sinclair Custom Logic).

Počítač tak obsahoval pouhých pět integrovaných obvodů – procesor,

paměť RAM (2 čipy), paměť ROM a SCL. Díky tomu byl ZX81 menší

a levnější. Jinak zůstal, snad s výjimkou drobného rozdílu v přerušovacím

systému, funkčně shodný s předchůdcem.

Ale protože konkurence oznamovala počítače s barevným výstupem, tak

i u Sinclairů připravovali vlastní barevný stroj. Dostal název ZX Spectrum

a vývojáři vyšli z toho, co dobře znali.

Použili stejnou koncepci klávesnice (jen přes ni dali gumovou masku

s tlačítky, která vysloužila Spectru přezdívku „gumák“), použili stejný

procesor, zvětšili paměť z 8 kB ROM na 16 kB ROM, v základu místo

jednoho kilobajtu statické RAM bylo 16 kilobajtů dynamické RAM,

a konečně přepracovali zákaznický obvod tak, že dokázal generovat

barevný obraz. Tentokrát už bez přispění procesoru, takže procesor mohl

pracovat bez ohledu na potřeby zobrazování. Pouze pokud přistupoval

k paměti ve stejné paměťové oblasti, jako byl displej, tak byl mírně

zpomalován.

Kromě tří modelů počítačů ZX, z nichž každý je legendou sám o sobě,

přispěl Sinclair k boomu domácích počítačů i zprostředkovaně: Sinclairův

zaměstnanec Chris Curry nebyl spokojen s tím, jak Sinclair vede (spíš

nevede) vývoj osobních počítačů, a tak odešel a založil si vlastní firmu

Acorn. Po prvním jednodeskovém Acorn System 1 přišel počítač Acorn

Atom, a po něm slavný počítač Acorn Proton, známější jako BBC Micro

(britská veřejnoprávní síť BBC totiž vybrala tento počítač jako výukový

počítač pro svůj kurz programování a číslicové techniky).

Po BBC Micro přišla i jeho levnější varianta Acorn Electron, ovšem pak

nastala krize v polovině 80. let, mnohé značky nepřežily a Acorn se udržel

jen díky svému novému počítači Archimedes a vlastnímu procesoru,

nazvanému Acorn RISC Machine, ve zkratce ARM. Ten je tu s námi

dodnes, i když v notně vylepšené podobě.

V polovině 80. let skončila éra domácích osmibitů: Commodore ani Atari

už nepředvedly významnější zlepšení osmibitové série a představily své

šestnáctibitové stroje Amiga a ST. Sinclair přechod na vícebitovou

architekturu urychlil tak moc, že jeho Sinclair QL předběhl dobu,

zaznamenal neúspěch a Sinclair nakonec svou značku prodal konkurentům

od Amstradu (kteří do té doby vyráběli počítače řady CPC).

Obrázek 4: Acorn Proton, alias BBC Micro

1.3 Další slavní…

Sinclairovi lidé, kteří od něho na začátku 80. let odešli, mají na svědomí

nejen firmu Acorn, ale třeba i počítač Jupiter Ace.

Obrázek 5: Jupiter ACE (fotografie autora Factor-h pod licencí CC-BY-SA)

Tento počítač připomíná na první pohled ZX Spectrum. Uvnitř je ale

podobný spíš ZX81. Nejzajímavější na něm je fakt, že na rozdíl od

ostatních počítačů té doby neměl Jupiter zabudovaný programovací jazyk

BASIC, ale používal jazyk FORTH. A zase: pokud máte doma tento

počítač, má hodnotu několika desítek tisíc.

Zatímco Acorn jsme tu aspoň trošku znali, jméno Tangerine Computer

Systems znělo povědomě snad jen těm největším fandům. Možná někdo

někde zahlédl název ORIC, nebo fotografii…

Přitom první počítač této firmy, nazvaný ORIC-1 a uvedený v roce 1983,

rozhodně měl šanci zaujmout. Dodával se ve verzi s 16 kB RAM nebo s 48

kB RAM, uvnitř ho poháněl osvědčený 6502A, taktovaný na 1 MHz. Na

rozdíl od Spectra 48 obsahoval speciální zvukový čip – známý AY-3-8912

(později použitý ve Spectru 128). Samozřejmostí byl zabudovaný BASIC…

I v ORICu byl použit zákaznický obvod ULA, který se staral o zobrazování

ve dvou grafických módech, LORES a HIRES.

V Tangerine připravili vylepšené verze Atmos, Stratos a Telestratos, ale

nakonec i je dostihl konec osmibitové éry. Jako zajímavý moment dodám,

že firma vyvezla zhruba tisíc počítačů Atmos do tehdejší Jugoslávie a že

v Bulharsku vyráběli klon Atmosu pod označením Pravec 8D.

Firma Tandy spolu s prodejcem RadioShack pod značkou TRS pokračovala

v úspěšné sérii domácích počítačů, zahájené modelem TRS-80, a po

několika modelových sériích tohoto černobílého počítače přišla s barevnou

verzí, nazvanou „TRS-80 Color Computer“, zkráceně CoCo. V tomto typu

opustila procesor Z80 a místo něj stroje CoCo poháněl procesor Motorola

6809. Což tedy znamenalo hlavně programovou nekompatibilitu

s předchozími stroji. Počítače CoCo se dočkaly tří modelů (CoCo, CoCo 2

a CoCo 3), ten poslední se vyráběl až do roku 1991. Časem se pro ně

objevily i operační systémy FLEX9 a OS-9 se schopnostmi lehce

přesahujícími tehdejší DOS.

Obrázek 6: TRS-80 Color Computer (autor fotografie: Bilby, CC-BY)

Firma Dragon vyráběla počítače Dragon 32 a Dragon 64, které byly

koncepcí i schopnostmi velmi podobné počítači CoCo. Hlavní rozdíl byl

ten, že byly britské, a tedy pracovaly se systémem PAL (nikoli NTSC).

Britský tisk je označoval za „lepší než jejich britští konkurenti, ale celkem

nic moc“ a trochu nespravedlivě psal, že „je to levnější klon CoCo s lepší

klávesnicí“.

Obrázek 7: Dragon 32

1.4 MSX

Standard MSX byl logickou reakcí na spoustu platforem, co v té době

existovala. Dneska máme v zásadě dvě hlavní platformy a tři systémy,

přičemž ty platformy můžou poměrně bez problémů sdílet navzájem

periferie, dokonce i některé komponenty, takže piánko. Ale představte si

začátek 80. let, co výrobce, to vlastní nová geniální platforma, často

nekompatibilní ani s předchozím modelem… Ti velcí, co se chytli, měli

štěstí: Atari, Commodore, Sinclair. Ale co ti ostatní, kterým trh domácích

počítačů ujížděl?

Na trhu profesionálních sestav bylo relativně dobře, tam se vždycky našel

nějaký společný jmenovatel, třeba CP/M. Výrobci stačilo udělat stroj

s disketovou mechanikou a BIOSem a systém se už nějak podařilo

naportovat. Ale pro domácí počítače byly diskety v tu dobu zatím pořád

drahé.

S řešením přišel Microsoft, firma, která v té době ještě nebyla nenáviděný

symbol korporátní arogance a terč k diskusním jedovatostem pro každého

juniorního vývojáře, ale především vývojář na tehdejší dobu velmi

kvalitních interpreterů BASICu pro všemožné platformy. (Ostatně právě

tohle nakonec donutilo Gatese kývnout na poptávku IBM – kdyby PC

nemělo systém, Gates by nemohl prodávat své programovací jazyky pro

PC, tam viděl hlavní těžiště obchodního modelu MS+PC) No a právě

Microsoft se tehdy spojil s několika (převážně japonskými) výrobci

elektroniky a dohromady navrhli „standard MSX“.

Vize byla jednoduchá: Každý počítač, který bude mít logo MSX, bude

splňovat určitou minimální sadu požadavků, což zajistí, alespoň

teoretickou, kompatibilitu software a části hardware. Počítače budou mít

stejný procesor (Z80A) na stejné frekvenci (3,58 MHz), budou mít stejný

grafický řadič (TMS9918, popř. ekvivalent pro PAL systém TMS9929),

zvukový čip AY-3-8910, PIO 8255, na něm budou připojené

standardizovaným způsobem některé interní periferie (např. přepínání

paměti), a tak dál. Tedy v podstatě něco jako PC, kdyby PC bylo od začátku

výsledkem dohody několika firem. A bylo na výrobcích, kolik použijí

paměti (předepsáno bylo minimálně 16 kB RAM), jakou použijí klávesnici,

jaké pouzdro zvolí, jaké příslušenství dodají… O základní programové

vybavení se nemuseli starat: měli od Microsoftu MSX BASIC.

Obrázek 8: Počítač standardu MSX2 od Daewoo

Výhody tohoto přístupu jsou jasné a pro nás dnes už samozřejmé: výrobce

mohl vyrábět třeba jen cartridge nebo software a měl jistotu, že budou

fungovat na nejrůznějších modelech od nejrůznějších výrobců (ve

skutečnosti měl spíš „naději“ než „jistotu“, ale dejme tomu). Zákazník si

mohl koupit počítač MSX od libovolného výrobce podle svých osobních

preferencí a věděl, že mu budou fungovat moduly a programy od jiných

výrobců. Mohl upgradovat bez obav z toho, že na novém systému nebudou

staré programy fungovat. A tak dál.

Jenže: přídavné moduly měly občas problémy při fungování s jinými.

Nebyly mechanicky dobře vyřešené, takže těžké moduly občas vypadly

z konektoru. Výrobci poměrně rychle začali nabízet modely s velkou

pamětí, čemuž se přizpůsobili tvůrci software, a tak jste si některé hry na

slabším modelu nespustili.

Ale to všechno byly jen prkotiny proti tomu největšímu problému: Počítače

MSX vyráběla spousta výrobců, převážně japonských. Prodávaly se

v Japonsku velmi dobře. Ale ve světě už moc ne. Ve Spojených státech

a v Evropě, kde se rozhodovala bitva o domácí počítače, vládla trojice

Commodore, Atari, Sinclair a MSX se tu nikdy významně nerozšířil (i když

jedním z výrobců byl Philips) – snad jen s výjimkou Španělska a Nizozemí.

Standard MSX se kupodivu ujal v arabských zemích a zemích Latinské

Ameriky. No a nemalá část těchto počítačů, okolo milionu kusů, se prodala

v – Sovětském Svazu! Tam je nakoupili do škol (embargo COCOM se na

tuto kategorii strojů, na rozdíl třeba od strojů s procesorem MC68000,

nevztahovalo).

Takže co tu máme? Kvalitně navržený osmibit, s velmi dobrým (na tu dobu)

grafickým čipem, s procesorem, co „všichni známe“, se spoustou paměti,

standardizovaný, s velmi slušným zadrátovaným BASICem, spousta

modelů, hmmm… jak by to mohlo neuspět?

Obrázek 9: Sony HitBit

A vidíte – mohlo! Postupně vznikly standardy MSX2, MSX2+ a MSX

TurboR, které přidávaly práci s disketami, lepší grafické a zvukové

možnosti, TurboR dokonce mnohonásobně rychlejší procesor R800, ale to

už byla labutí píseň – Commodore navrhl Amigu, v Atari vzniklo ST

a zbytek světa pomalu šel cestou „PC a kompatibilní“. První stroje MSX

vyráběly desítky výrobců, namátkou Canon, Daewoo, Fujitsu, Goldstar,

Hitachi, JVC, Kawai, Panasonic, Philips, Samsung, Sanyo, Sharp, Sony,

Toshiba nebo Yamaha. Všechno známé značky. Postupem času většina

odpadla a u posledního standardu zůstala jen trojice Panasonic, Sanyo

a Sony.

V roce 1986 vyšel v Amatérském Radiu (AR A, čísla 3 a 4) dvoudílný

popis standardu MSX. Dneska už působí trošku archaicky, hlavně některé

výrazy a formulace (vzpomeňte si: bylo tažení proti cizím slovům

v elektronice, a tak se vymýšlely magnetoskopy, styky, styková rozhraní

a podobné krkolomnosti). Z popisu funkce „STRING$ vydá řetězec na

základě čísla“ dneska už fakt nejsem moudrý, ale upřímně: Zaplať pámbu

za ty články!

1.5 A u nás?

Pokud jste v té době žili v ČSSR a měli jste domácí počítač, byl to

pravděpodobně Sinclair, Commodore, Atari, Sord, Sharp – tedy zahraniční

stroj. Ne že by se v ČSSR žádné domácí počítače nevyráběly. Vyráběly, ale

nedaly se moc koupit. Kvůli nejrůznějším problémům se často nedostaly ani

do škol nebo do zájmových klubů.

Československo tehdy vyrábělo hned několik strojů, které sem tak trochu

spadají. Kromě školních jednodeskových počítačů PMI-80 a TEMS80-03 to

byly především počítače PMD-85 a IQ-151. Ten druhý by se dal zařadit spíš

do kategorie „neblaze proslulý“ a plně spadá do kategorie „chtěli jsme to

udělat co nejlíp, ale dopadlo to jak vždycky“. Navržený byl jako modulární

systém, ovšem zajímavý návrh zabily problémy se zdrojem (takže první

verze fungovala maximálně se dvěma přídavnými kartami, následující verze

naopak topila jak sporák) a naprosto příšerná klávesnice, o kterou jste si

lámali prsty.

Naštěstí první jmenovaný, PMD-85, to alespoň trochu zachraňoval, a i když

měl taky své mouchy, tak aspoň fungoval a netopil. Později vznikly další

dva modely, s kvalitnější klávesnicí a dokonce i s barevným výstupem.

A nejen to, vyráběly se i kompatibilní stroje, například počítač Maťo (což

byla stavebnice s menší klávesnicí, ale do jisté míry kompatibilní) nebo

počítače Consul ze Zbrojovky Brno (kde se pamětníci dodnes brání tomu,

že by PMD zkopírovali).

Další klon PMD vyrábělo družstvo Didaktik Skalica pod názvy Didaktik

Alfa a Didaktik Beta. Třetí do série, Didaktik Gama, byl taky klon, ovšem

už ne PMD, ale naopak známého a rozšířeného ZX Spectra.

Tak trochu stranou stál tým Eduarda Smutného, českého konstruktéra

počítačů, který po úspěšných průmyslových JPR-12 a JPR-1 (základ

sestavy SAPI-1) zkonstruoval i obdobu Sinclairu ZX-81 pod názvem

Ondra. Výrobce Ondry sliboval jednoduchý a dostupný počítač pro děti,

bohužel výroba vázla a vázla, a když se rozjela, svět už byl dál.

1.6 Jednodeskové počítače

Jednodeskáč, tedy celým jménem „jednodeskový mikropočítač“, byl v 70.

a 80. letech malý počítač, co se vešel na jednu desku. Dnes se na jednu

desku vejde leccos, ale tehdy jste si moc vyskakovat nemohli. Většinou se

tam vešel procesor, trocha paměti (typicky 1 kB RAM, 1 kB PROM),

klávesnice (měla většinou okolo 20-25 tlačítek: 16 znaků 0-9 a A-F pro

zadávání hexadecimálních číslic a několik ovládacích), displej (ze

sedmisegmentovek) a nějaké vstupně/výstupní porty, které byly buď

dostupné pro další rozšiřování, nebo na nich byly různé LEDky, motorky

a podobně.

V Československu se vyráběly dva známější jednodeskáče (a několik

dalších, dnes už pozapomenutých): legendární PMI-80 a školní

jednodeskový počítač TEMS 80-03A. Oba s procesorem 8080A a s plus

mínus stejnou technickou výbavou. Několik jednodeskových počítačů

vzniklo i péčí nadšenců (BOB85, SAVIA84), vznikaly i jako stavebnice

(Petr)… Technicky vzato byl třeba i Ondra jednodeskový, ale pro nás budiž

jednodeskáč počítač s omezenou klávesnicí a s displejem ze

sedmisegmentovek.

Ve světě se prosadil asi nejvíc KIM-1, jednodeskový počítač od MOS

Technology s procesorem 6502. Vznikla i „odlehčená“ verze Junior

Computer. Další zajímavý jednodeskáč byl třeba Cosmac Elf nebo Heathkit

ET3400.

PMI-80

Začnu PMIčkem. Je totiž velmi dobře zdokumentované, hlavně díky sérii

článků v Amatérském Radiu. PMI-80 mělo 1 kB RAM, 1 kB ROM (a mohli

jste si druhý kB přidat), klávesnici s 25 tlačítky, devítimístný displej

z kalkulačky (obojí připojené přes periferní obvod 8255) a primitivní

rozhraní pro magnetofon.

Ovládání PMI-80

Displej byl, jako u většiny jednodeskáčů, rozdělen na část adresní (vlevo)

a část datovou (vpravo). Rozdělení nebylo nijak dané, byla to čistě

konvence. Klávesnice obsahovala 25 tlačítek, fyzicky rozmístěných do

matice 5×5.

Tlačítko RE celý systém zresetovalo, a na displeji se objevil nápis „PMI-

80“. Po stisknutí libovolné klávesy (tedy kromě RE a I) se na displeji úplně

vlevo objeví znak, co má být asi otazník, který říká, že PMI je připravené

přijímat pokyny.

Nejzásadnější věc u jednodeskáče byla funkce prohlížení a měnění obsahu

paměti. Po stisku tlačítka M (Memory) se vlevo objevilo „velké M“ (píšu to

v uvozovkách, protože na sedmisegmentovém displeji to vypadá spíš jako

obrácené velké U nebo ruské P), pak mezera a čtyři pozice adresy. Třeba:

„M 1C00“ Pomocí hexadecimální klávesnice jste zadali adresu (pokud jste

udělali chybu, prostě jste psali dál, systém bral jako platné pouze čtyři

poslední znaky) a tlačítkem „=“ jste ji potvrdili. Na displeji se objevil za

adresou znak „=“ a za ním dva znaky – obsah paměti na dané adrese. Třeba

„M 1C00=00“. Teď jste mohli zadat nový obsah, zase pomocí

hexadecimální klávesnice a zase platily pouze poslední dva znaky.

Tlačítkem „=“ jste potvrdili změnu a přesunuli se k další adrese.

Konec zadávání jste udělali tak, že jste buď stiskli klávesu, kterou program

nečeká (třeba EX), nebo resetovali stroj tlačítkem RE. Tady reset

neznamená vymazání paměti, takže to, co jste zadali, v ní zůstává.

Obrázek 10: klávesnice a displej PMI-80 (autor: Teslaton, CC-BY-SA)

Pomocí EX jste program spustili. Po stisku EX zase systém očekává zadání

adresy, a po jejím potvrzení tlačítkem „=“ spouští program.

Sofistikovanější podobu měla funkce Break (BR). Zde jste nejprve zadali

adresu, na které se má program přerušit a skočit do monitoru, a v druhém

kroku spouštěcí adresu. Jakmile program narazil na danou adresu, odskočil

zpět do monitoru, a vy jste si mohli zkontrolovat, zda je vše tak, jak má být.

K tomu vám dopomáhala třeba i funkce kontroly registrů – klávesa R. Po

jejím stisknutí jste si vybrali, od jaké dvojice chcete prohlížet (AF, BC, DE,

HL, SP – viz klávesnice). Zase můžete pomocí klávesnice obsah měnit,

tlačítkem „=“ potvrzovat a přesunout se k další dvojici.

Poslední dvě funkce, S a L, fungovaly pro ukládání (save) a čtení (load)

programů na pásek a z pásku.

BOB-85

Tuhle konstrukci postavil ing. Kratochvíl s procesorem 8085 a publikoval

ji, jak jinak, v Amatérském Radiu, a to včetně dokumentace, výpisu

monitoru, několika programů a zdrojových kódů. BOB-85 měl plus mínus

stejné schopnosti jako PMI-80. Klávesnice měla 24 tlačítek (6×4) a displej

pouhých 6 pozic.

Ovládání se od PMI-80 trochu lišilo. Nebyla tu možnost měnit obsah

registrů nebo nastavovat breakpointy. Prohlížení paměti fungovalo podobně

(jen místo klávesy M se jmenovala S MEM), místo klávesy „=“ byla

klávesa „NEXT“ a při opravě dat nefungoval systém tak, že by obsah

posouval, ale zadávali jste ho znovu. Navíc proti PMI tu je možnost

postupovat pamětí nejen dopředu (NEXT), ale i dozadu (REC).

Klávesa EXEC vyvolala RESET stroje. Klávesa GO spouštěla program od

dané adresy. VEK1, VEK2, a RST měly být nějaké přerušovací vektory do

budoucna. A klávesa REC kromě už uvedené funkce vyvolávala ještě

funkce pro zápis a čtení programů.

KIM-1

Pro nás trochu exotičtější stroj, s těmi jsme se v ČSSR moc nesetkávali.

Koncepce opět stejná: procesor (6502), trocha pamětí, šest

sedmisegmentovek, klávesnice 6×4, ale hlavně: vyvedený rozšiřující

konektor, díky kterému se dalo ke KIM-1 snadno připojit leccos.

Obrázek 11: MOS KIM-1 (autor Rama, CC-BY-SA)

Displej držel stejnou konvenci, 4 pozice adresa, 2 data, ale ovládání bylo

trošičku jiné. Tlačítkem AD jste zvolili možnost „zadám adresu“, tlačítkem

DA jste začali přistupovat k datům. Roli tlačítka „=“, respektive „NEXT“,

tu má tlačítko „+“.

Tlačítko GO spustilo program od adresy, která byla na displeji (zadaná po

stisknutí AD). Tlačítko PC vyvolalo hodnotu Program Counteru (PC) na

displej. RS je RESET, ST je STOP.

Poslední tlačítko nebylo tlačítko, ale přepínač SST – pokud byl aktivní,

fungoval KIM-1 v režimu „Single Step“, tedy po stisknutí tlačítka GO

vykonal přesně jednu instrukci a opět se zastavil.

ET3400

Tato počítačová stavebnice obsahovala procesor Motorola MC6800 a kromě

klasických „jednodeskáčových“ propriet i nepájivé kontaktní pole. Co je na

tomto stroji zajímavé je to, že si vystačí s šestnácti tlačítky a RESETem.

Každé tlačítko mělo dvě funkce – kromě hexadecimálního znaku to byl

i nějaký povel, a co bylo aktivní, to záleželo na kontextu.

Mimochodem, vřele doporučuju najít a přečíst si manuál k tomuto počítači,

stejně jako manuál ke KIM-1! Není to jen „jak se to ovládá“, ale představují

i procesor, popisují jeho funkce, učí ho programovat, a příručka k ET3400

začíná dokonce velmi podrobným konstrukčním návodem (IKEA faktor:

100!)

2 Slavné osmibitové

mikroprocesory

2 Slavné osmibitové mikroprocesory

Takto se to učí ve školách: Základní prvky každého číslicového počítače

jsou: řadič, aritmeticko-logická jednotka (ALU), paměť, periferie. Řadič

spolu s ALU tvoří procesor. Pokud je integrovaný do podoby jednoho nebo

několika málo obvodů, hovoříme o mikroprocesoru.

Traduje se, že prvním čipem takového druhu byl Intel 4004, a od něj je

počítána „éra mikroprocesorů“.

Obrázek 12: Intel 4004 (autor Thomas Nguyen, CC-BY-SA)

Mikroprocesor 4004 pracoval s daty o šířce 4 bity, což nevadilo, protože

jeho zamýšlené použití bylo v kapesních kalkulátorech. Jeho drobnou

úpravou vznikl procesor 4040. Ale kromě této vylepšené verze vznikl

i mikroprocesor 8008 – jak už číslice napovídají, zvětšila se šířka sběrnice

a zpracovávaných dat, a to na 8 bitů. Návrháři připravovali 8008 jako

implementaci procesoru pro terminál Datapoint 2200 – původně měla 8008

nahradit několik desek s TTL obvody v těchto teminálech od společnosti

CDC, ale vývoj vázl a původní kontrakt byl nakonec zrušen. Výsledná

dohoda zněla tak, že CDC si nechá peníze a Intel svůj procesor.

2.1 8080 a 8085

Procesor 8008 se na trhu ani pořádně neohřál, a už přišel vylepšený typ

8080, záhy v rychlejší verzi 8080A. Tento procesor vlastně definoval celou

rodinu procesorů 80xx od Intelu. Při přechodu od osmibitů k šestnáctibitům

totiž Intel vzal právě tento procesor a jakoby jej „natáhl“ na 16 bitů.

Návrháři měli stále před očima nebohé vývojáře, kteří budou muset

přepisovat osmibitové programy na šestnáct bitů, a tak se jim snažili

přechod ulehčit. Vznikly tak známé „segmentové registry“ a další radosti,

které zná každý, kdo programoval v assembleru pro procesory řady x86.

Tato architektura pak plynule přešla i do vyšších verzí, od procesoru 80386

zůstala uvnitř jako „virtuální 86“, a svým způsobem je s námi vlastně

dodneška…

Procesoru 8080, respektive vylepšené variantě 8085, se budu v této knize

ještě věnovat intenzivně – naučíme se jej zapojovat, postavíme si vlastní

jednodeskový počítač a projdeme si krátkým kurzem programování

v assembleru. Ale to až v dalších kapitolách.

Procesor 8080 má v bývalém Československu velmi silné postavení –

československá Tesla totiž vyráběla klon tohoto procesoru pod označením

MHB8080A, a tak většina československých mikropočítačů používala

právě tento procesor.

Přitom nebyla 8080 nějak moc přívětivá. Návrhář musel počítat s tím, že

procesor potřebuje tři napájecí napětí, totiž +5 voltů, +12 voltů a -5 voltů,

které navíc musely nabíhat v určeném pořadí (respektive alespoň zařídit,

aby při výpadku napětí -5 V vypnulo napětí +12 V). Kromě toho potřeboval

procesor ještě dva podpůrné obvody, 8224 a 8228, z nichž první se staral

o hodiny a o signál RESET a druhý pomáhal procesoru generovat řídicí

signály a obsluhovat přerušení.

I u Intelu si těchto omezení byli vědomi a po čase přišli s vylepšenou verzí

8085. Tento procesor si vystačil s jediným napájecím napětím +5 voltů,

hodinové signály mu stačily obyčejné a obešel se bez podpůrných obvodů.

Navíc měl vylepšený přerušovací systém a měl navíc i jednobitové sériové

rozhraní, ovládané instrukcemi RIM a SIM (tyto dvě instrukce měl 8085

navíc; používaly operační kódy, které v původní 8080 nebyly použité).

Po 8085 už další osmibit od Intelu nepřišel (když nebudeme uvažovat

jednočipové počítače 8048 / 8051 / 8052), místo toho následovala 16bitová

rodina x86. Přesto procesor 8080 vyráběla spousta výrobců v nejrůznějších

variantách.

2.2 Z80

Návrhář procesorů ve společnosti Intel, který se jmenoval Federico Faggin,

po úspěchu procesoru 8080 odešel a založil si vlastní firmu Zilog. Ta na trh

v roce 1976 uvedla vlastní procesor s označením Z80. Z80 byla vlastně

přepracovaná a rozšířená 8080. Při rozšiřování nechali návrháři vše to, co

měla 8080 – tedy instrukční sadu a sadu registrů – a vlastní vylepšení

„nacpali“ do volného místa v instrukčním souboru. Čtyři kódy měly funkci

„prefixu“ a v kombinaci s dalšími vybíraly instrukce z rozšířené instrukční

sady. V ní byly dotaženy některé instrukce, které 8080 neměla (třeba bitové

posuny), některé instrukce byly rozšířené tak, že mohly pracovat i s jinými

registry, přibyly instrukce pro blokové operace (přesun, porovnání, přenos

dat), a především přibyly dva indexové registry pro snazší práci

s paměťovými strukturami a k nim odpovídající prefixy pro jejich použití.

Pro programátorovo pohodlí přibyla druhá sada pracovních registrů, mezi

nimiž se dá přepínat, byl rozšířen a vylepšen přerušovací systém a byla

zabudovaná podpora refreshe pro dynamické paměti (co je refresh

vysvětlím později v kapitole o pamětech).

Z80 si vystačila s jedním napájecím napětím, brzy přišly verze, schopné

pracovat až s frekvencí 4 MHz (8080A pouze 2 MHz) a většina instrukcí se

zpracovávala rychleji (potřebovala menší počet cyklů). V ČSSR se tento

procesor bohužel nevyráběl; ze socialistických zemí ho vyráběla například

NDR pod označením U880D a používali jej němečtí výrobci, například

známý Robotron.

2.3 6800

Intel nebyl jediný, kdo vyráběl mikroprocesory. Nezávisle na něm svoje

mikroprocesory představili i další výrobci – Texas Instruments, Signetics,

National Semiconductor, RCA nebo třeba Motorola. Ačkoli i procesory

jiných výrobců byly zajímavé, úspěšné byly především dvě větve. První

byla ta od Intelu, 80xx, do níž můžeme započítat i Z80 od Zilogu. Druhá

úspěšná větev pak byla ta s označením 68xx, právě od Motoroly.

Motorola byla v té době druhý největší výrobce integrovaných obvodů

a polovodičů v USA (první byl Texas Instruments). Několik měsíců po

procesoru 8080 představila i ona svůj mikroprocesor s označením 6800.

Jeho návrh byl ovlivněn známým a úspěšným minipočítačem DEC PDP-11.

Procesor 6800 pracoval na nižší frekvenci než 8080A, ale výkon měly oba

procesory srovnatelné (6800 potřeboval menší počet cyklů na vykonání

jedné instrukce). 6800 měl bohatší možnosti adresování, což bylo právě

dědictví zmíněného „ideového předchůdce“, počítače PDP-11. Na druhou

stranu používal jeden adresní prostor pro paměť i periferie.

Po čase přišly další varianty, jako 6805, 6809 a 6811 – některé z nich jsou

stále základem jednočipových mikrokontrolérů.

Podobně jako Intel se i Motorola připravovala na nástup šestnáctibitové

techniky, ale na rozdíl od Intelu šli její návrháři na věc z druhého konce.

Místo aby vzali návrh 680x a zvětšili jej na 16 bitů, navrhli plně 32bitový

procesor 68000 (označuje se i jako 68k) a dali mu 16bitovou datovou

sběrnici. Vyhnuli se tak potížím s reálnými módy, překládáním adres

a podobnými radostmi, co zažívali vývojáři ve světě x86, a zároveň měli

základ pro plně dvaatřicetibitové procesory, které přišly po čase. Řada

68000 pokračovala modely 68010, 68020, 68030, 68040 – podobně jako

u Intelu 286, 386, 486… Posléze byl vývoj této řady ukončen a nastoupila

po ní varianta PowerPC (Apple – IBM – Motorola). Řada 68000 prošla

drobnou úpravou a stala se základem mikrořadičů ColdFire a DragonBall.

Nakonec Motorola s procesory ztratila dech, její hlavní klient, Apple, přešel

na technologii od Intelu, a tak Motorola z výroby polovodičů udělala

nejprve samostatnou firmu Freescale (2004), kterou posléze koupila firma

NXP, tu pak firma Qualcomm…

2.4 6502

Největší nevýhoda procesorů 8080 a 6800 byla jejich cena. Tedy – pro

velké firmy ne, těm to nevadilo, ale vysoká cena bránila rozšíření mezi

počítačové nadšence. Chuck Peddle, jeden z návrhářů procesoru 6800,

navrhoval svému vedení přejít na levnější výrobní technologii a prodávat

procesory v kusovém množství koncovým zákazníkům, ale management

o něčem takovém nechtěl slyšet. Ostatně, kdo nikdy neslyšel okřídlenou

větu to je vážná věc, to není na hraní? Inu, procesory byly vážná věc,

průmyslová technologie, a nějací bastliči výrobce nezajímali.

A tak Chuck Peddle s pár kolegy od Motoroly odešel a ve firmě MOS

Technology navrhnul vlastní procesor MOS 6501/6502. Na jiném místě

popisuju, jak to s ním tehdy bylo, tak zde jen ve stručnosti: Procesor 6501

byl vývodově kompatibilní s procesorem 6800, ale vnitřek měl výrazně

jiný, zjednodušený. Zmizel jeden akumulátor, indexové registry byly jen

osmibitové a tak dále, ovšem namísto 150 dolarů stál pouhých 25. Což se

Motorole samozřejmě nelíbilo, tak MOS Technology zažalovala. Peddle

obratem stáhnul 6501 z nabídky – ale nevadilo mu to, protože spoléhal

hlavně na procesor 6502. Ten měl jiné rozmístění vývodů, takže případná

náhrada nebyla tak úplně jednoduchá, a měl jinak zapojený generátor hodin.

Především měl ale díky soudnímu sporu postaráno o reklamu.

Procesor 6502 se stal po celém tehdejším západním světě legendou.

Používaly ho nejrůznější počítače, domácí i průmyslové, od Apple I po

herní konzole… A to i přesto, že měl některá divná omezení a některé divné

chyby v instrukcích.

V socialistickém bloku moc populární mezi konstruktéry nebyl, vyrábělo ho

snad jen Bulharsko pro svoje počítače Pravec 8D (klon Oric Atmos).

Programátoři se s ním ale setkávali v domácích počítačích Atari nebo

Commodore.

2.5 6809

Mnohými je tento procesor považován za nejlepší procesor osmibitové éry

vůbec. Například Bill Gates tvrdil, že pro lepší osmibitový mikroprocesor

nikdy programy nepsal. Vznikal v Motorole ve stejné době, kdy se

pracovalo na procesoru 68000, a oba návrhy se částečně ovlivnily. Procesor

6809 rozšiřuje a doplňuje návrh 6800 a dotahuje to, co v 6800 nebylo

dotaženo, ať už z důvodu nezkušenosti návrhářů, nebo proto, že to tehdejší

technologie neumožňovala.

Na začátku návrhu stála důkladná analýza reálných programů pro 6800. Na

základě statické a dynamické analýzy zjistili návrháři, které operace jsou

nejčastější a jaké programátorské konstrukce vývojáři nejčastěji používají.

Pak z těchto informací vyšli při návrhu architektury a instrukční sady

procesoru 6809. A na výsledku to bylo doopravdy vidět.

2.6 Architektury procesorů

Už jsem zmiňoval, že mezi mikroprocesory jsou poměrně zásadní rozdíly –

čímž samozřejmě nemyslím to, že je každý jiný, ale mám na mysli rozdíly

v přístupu, takříkajíc filosofické.

Za chvíli si ukážeme procesor Intel 8080. Jeho nejznámější rival byl

vyvinut firmou Motorola a byl označen 6800. Některé rysy měl procesor

6800 shodné s procesorem 8080 (třeba 16bitovou adresovou sběrnici,

osmibitovou datovou sběrnici), ale ve spoustě věcí se lišil.

6800 používá zápis vícebajtových čísel stylem Big Endian (8080 stylem

Little Endian). Pokud máte na adresy 0000 a 0001 zapsat hexadecimální

číslo 1234h, pro procesor 8080 ho zapíšete tak, že na nižší adresu zapíšete

nižší bajt (34h), na vyšší adresu vyšší (12h). U Motoroly 6800 to bude

přesně naopak. Ve výpisu paměti na jednom řádku to pak bude vypadat

takto:

Intel: 0000: 34 12 xx xx

Motorola: 0000: 12 34 xx xx

Procesor od Motoroly nerozlišuje paměť a porty a pracuje s obojím stejně.

Nemá tedy pro čtení a zápis z/do portů speciální instrukce, ale používá

standardní instrukce pro práci s pamětí, které jsou mnohem flexibilnější.

Nevýhodou je, že se tak návrháři připravují o souvislý prostor 64 kB pro

paměť, protože část musí vyhradit pro porty.

Procesor 8080 má šest osmibitových registrů pro volné použití a jeden

akumulátor, s nímž se provádí většina výpočtů. Motorola použila

v procesoru 6800 pouhé dva osmibitové akumulátory (A a B) a jeden

šestnáctibitový indexový registr X. (Ukazatel zásobníku SP a programový

čítač PC jsou i zde, oba šestnáctibitové).

Na první pohled to může vypadat jako nedostatečné – vždyť některé

algoritmy využijí klidně šest, sedm registrů. Jak to tedy řešit u 6800?

Procesor 6800 přišel s jednoduchým trikem, který po něm převzali i jeho

následníci. Paměť si rozdělil na 256 stránek po 256 bajtech (tj. horní byte

adresy je „číslo stránky“ a dolní „adresa ve stránce“). Stránka 0 pak má

speciální roli, protože je snadno adresovatelná. Co to znamená?

Procesor 8080 měl u spousty instrukcí pevně dáno, s jakými daty pracuje.

Buď s registrem, s přímo zadanou konstantou, nebo s obsahem paměti,

adresovaným registry H a L, nebo 16bitovou adresou. 6800 naproti tomu

měl instrukční sadu mnohem víc ortogonální.

Ortogonální instrukční sada je taková, kdy instrukce může pracovat

s různými daty naprosto stejně, bez ohledu na to, jestli jsou v registru,

nebo v paměti.

Procesor 6800 proto u instrukcí nabízel několik adresních módů. Operand

mohl být určen:

 Implicitně. Například instrukce INCA pracuje s registrem A.

 Bezprostředně (Immediate). LDAA #$02 nahraje do registru A (LoaD

Accumulator A) konstantu „bezprostředně zapsanou“ za operačním

kódem – tedy 02h.

 Přímou adresou (Direct). LDAA $02 nahraje do registru A hodnotu, která

je uložená na adrese, co je zapsaná za operačním kódem. Adresa je pouze

osmibitová, vyšších osm bitů se doplní nulami, adresa je tedy 0002h.

Instrukce zabírá dva bajty, první je operační kód, druhý je zkrácená

adresa – tedy vlastně „adresa ve stránce 0“.

 Rozšířenou adresou (Extended). Obdoba předchozího zápisu, ale adresa

je dvojbajtová, lze tedy adresovat paměť v celém rozsahu. LDAA $1234

nahraje do registru A hodnotu z adresy 1234h.

 Indexovanou adresou, tedy adresou, která vznikne součtem hodnoty

z indexového registru X a osmibitové konstanty.

 Relativně. V takovém případě se k adrese PC přičetla hodnota konstanty

v rozsahu -128 až +127.

Pokud programátor chce k obsahu akumulátoru (tedy registru A nebo B)

přičíst nějaké číslo, použije instrukci sčítání a podle adresního módu určí,

jestli se bude zadávat přímo nebo z paměti, a pokud z paměti, tak jestli

plnou adresou (výhoda: může být kdekoli, nevýhoda: instrukce je o bajt

delší a časově náročnější), nebo ze stránky 0, nebo pomocí indexového

registru… Hodnota může být přitom klidně načtena z portu, protože, jak

jsme si už řekli, procesor 6800 nerozlišuje mezi porty a pamětí a ke všemu

přistupuje stejně.

Z popisu adresních módů vyplývá, že stránka 0 je snadno dostupná a je to

takový kompromis mezi plnou adresou a registrem v procesoru. Přístup

k těmto 256 buňkám paměti je rychlý a instrukce jsou i kratší, lze je tedy

považovat za určitý ekvivalent vnitřních registrů procesoru.

Assemblerem procesoru 6800 se v této knize zabývat nebudu, přesto jsem

ho tu uvedl. Z architektury 6800 totiž vyšel nejen legendární procesor 6502

(kterému se věnovat budu), ale i další procesory – třeba „poslední

osmibitový procesor“ 6809 (samozřejmě v uvozovkách – tento procesor

měl na tehdejší dobu ojedinělé možnosti, ale přišel bohužel pozdě) a celá

řada procesorů počínaje procesorem MC68000 přes další procesory téže

řady až k MC68060 a dál k PowerPC. Tato řada se v běžných domácích

a kancelářských počítačích už nevyskytuje (od přechodu Apple na Intel),

ale dodneška se udržuje v embedded zařízeních apod.

Dovolte mi nostalgickou odbočku. Po 8080 jsem přešel na Z80 (byl jsem

Spectrista) a tenhle procesor mi učaroval. Stovky instrukcí, mnoho

registrů, šestnáctibitová aritmetika… Na 6502 jsem se díval s totálním

nepochopením: vždyť to má jen tři registry a je to pomalé (=má to malou

frekvenci). Ve skutečnosti byla „datová propustnost“ srovnatelná. Ostatně

operace s pamětí v zero page zabraly 3 takty procesoru, nejrychlejší

operace s pamětí u Z80 trvala 7 taktů. Krásu téhle architektury jsem

docenil až později, když jsem se naučil assembler 68000 (Atari ST,

Amiga). V čerstvé paměti jsem měl tehdy naučený asembler 8086, se

všemi jeho „segmenty“ a „instrukcemi, co používaly vždy přesně určené

registry“ – a najednou máte k dispozici ortogonální sadu a osm adresních

+ osm datových registrů. Třeba instrukce PUSH (která tam vlastně

nebyla) fungovala jako obyčejný přesun hodnoty z registru do paměti

s adresním módem „přenes do paměti na adresu danou některým adresním

registrem, ale předtím hodnotu sniž“ (predekrement).

3 OMEN: Stavíme vlastní

počítač

3 OMEN: Stavíme vlastní počítač

Samozřejmě osmibitový a s tak historickým duchem, jak to jen jde.

Když jsem přemýšlel o tom, jak tuto knihu pojmout, bylo mi jasné, že

suchý výklad nebude stačit. Tedy, on by stačil, ale já nejsem zrovna

příznivcem teoretických učebnic bez přesahu do praxe. Bylo mi tedy jasné,

že nějakou konstrukci chci.

Ano, můžu vzít nějaký reálný osmibit a ukazovat na něm, jak se věci mají,

možná vás i ponouknout ke stavbě repliky, ale touto cestou se mi moc jít

nechtělo. Říkám si, že na vlastní konstrukci, která bude tak jednoduchá, jak

jen to lze, půjde ilustrovat požadované věci mnohem líp.

Zvolil jsem tedy cestu konstrukce naprosto jednoduchých počítačů, které

mají splňovat několik bodů:

 Budou používat součástky, které se dají běžně koupit.

 Nebudou se ortodoxně držet konstrukcí z 80. let – tedy když chci použít

paměť, použiju moderní 32kx8bit statickou RAM, což je jeden čip,

a nebudu konstruovat zapojení z osmi čipů dynamické RAM a dalších tří

integrovaných obvodů kolem dokola.

 Budou v duchu starých osmibitových časů, tedy jednoduché periferie –

klávesnice, displej, reproduktor – a minimální softwarové vybavení.

 Bude jednoduché psát pro ně software.

Klidně vynechám samotný starý procesor a potřebné funkce si naemuluju

v moderním jednočipu. Nebo použiju jednočip místo periferií.

S těmito body na paměti jsem sednul a navrhl, upravil či vybral několik

konstrukcí, které jsou vhodné pro začátečníky. Když jsem sáhl po cizích

zapojeních, tak jsem se snažil vybrat konstrukce rozmanité, u nichž licence

umožňuje jejich úpravu.

A tak vznikla „značka OMEN“.

3.1 OMEN?

Nojo. Osmibitový Mikropočítač pro Elektronické Nadšence. OMEN.

A značení pomocí hláskového kódu: Alpha, Bravo, Charlie, Delta…

V knize bohužel není dostatek místa na popis všech instrukcí a procesorů,

navíc se nakladatel se bál, že obsáhlejší kniha bude hůř prodejná. Některé

konstrukce a k nim připravený text proto vyjde pouze online, formou

dodatků.

OMEN Alpha je jednoduchý počítač ve stylu jednodeskových strojů

z konce 70. let s procesorem 8085. Obsahuje jen to nezbytné minimum,

ovládáte jej pomocí terminálu, nebo pomocí připojené hexadecimální

klávesnice a sedmisegmentového displeje. Přesto lze připojit i složitější

zařízení, včetně třeba čtečky SD karet či rozhraní CF/IDE.

OMEN Bravo je verze Alpha, která používá procesor 6502. Periferie jsou

víceméně shodné s Alphou, ale software je, logicky, jiný.

OMEN Charlie je jednoduchá handheld herní konzole s černobílým

displejem. Pohání ji ATMega328 – tedy přesněji Arduino (ve verzi Arduino

Micro). Používá displej ze staré Nokie, dvě tlačítka, joystick a „pípák“.

Výsledkem je funkční herní konzole se schopnostmi někde na úrovni

kapesních her z 80. let. Ale Charlieho můžete naprogramovat v BASICu

a běží na něm programy pro procesor 8080. Drobnou úpravou získáte Omen

Charlie Color – s větším rozlišením a barevným displejem!

OMEN Delta je počítač s reálným osmibitovým procesorem Zilog Z80.

Bohužel bez výstupu na televizi. Místo toho používá sériový port. Stačí

pouhé 4 integrované obvody, klidně si to poskládáte na nepájivém

kontaktním poli, a na výsledném stroji může běžet CP/M. Ano, CP/M.

Klidně si spustíte i Turbo Pascal…

OMEN Echo je počítač s černobílým grafickým displejem. Jako hlavní

procesor používá opět jednočip AVR – může to být buď Arduino, nebo

„velká“ ATMega1284. Kromě procesoru obsahuje už jen jeden čip,

sériovou paměť. K tomu pár rezistorů a kondenzátor. K Echu připojíte

televizi s video vstupem (nebo LCD monitor se vstupem PAL) a klávesnici

PS/2. Pro zájemce o „ještě většího osmibitového ducha“ mám i úpravu

Echo MKII – s tlačítkovou klávesnicí a la ZX-81. Echo sice používá

ATMegu, ale uvnitř může běžet například emulovaný procesor 6502.

Nadšenci můžou Echo použít i v neemulovaném módu a napevno

naprogramovat třeba nějaký dialekt BASICu. Výkonem to pak bude

podobné třeba zmíněnému ZX-81, Jupiteru ACE či československému

počítači Ondra.

OMEN Foxtrot je počítač, který je z velké většiny „syntetizovaný“. Ve

skutečnosti jde o obří programovatelné logické pole (FPGA), v němž je

zkonstruovaný celý počítač: procesor, periferie, adresní logika, … Výstup

můžete pustit na VGA, klávesnici použijete PS/2, a uvnitř vám běží

osmibitový procesor s výkonem, jakých reálně nedosahují. Použil jsem

takzvaný „soft core“, tedy „softwarově definované procesorové jádro“

s procesorem Motorola 6809. Také tento počítač se objeví až v dodatcích,

přímo v této knize není popsaný, především proto, že k jeho pochopení je

potřeba vysvětlit mnoho teoretických věcí k programovatelným polím

a jazyku VHDL.

OMEN Kilo je reálný počítač s reálným procesorem 6809, svými

schopnostmi odpovídající počítačům Alpha a Bravo.

Samozřejmě nejste odkázáni jen na tyto konstrukce – v každé sekci vám

poskytnu několik tipů na zajímavé konstrukce, co se nacházejí na internetu.

Nechci vás připravit o tu radost postavit si vlastní počítač a vytvořit si pro

něj software takříkajíc „na zelené louce“. Kdybyste se ale chtěli podívat,

jaké programy jsem si napsal já, můžete zde:

https://github.com/osmibity

3.2 Zapojování v praxi

V této knize si navrhneme počítač takříkajíc „ideově“, v podobě schématu,

ovšem tuto knihu nečtete přeci jen proto, abyste se kochali schématy, ale

proto, abyste si něco vyzkoušeli. Jak si tedy vyzkoušíte stavbu vlastního

počítače?

Možností je několik. Začněme tou nejjednodušší: postavit si konstrukci na

nepájivém kontaktním poli.

Nepájivé kontaktní pole (breadboard)

To jde? Ano, to opravdu jde. Nepájivá kontaktní pole sice mají svá

omezení, ale většinu konstrukcí z této knihy postavíte i na nich.

Nevýhody NKP jsou dané hlavně jejich mechanikou: součástky po čase

mohou ztrácet kontakt, stejně tak propojovací kabely. Konstrukce není moc

pevná ani vzhledná, navíc někdy neopatrný dotek může způsobit výpadek či

podivné chyby. Propojování je pracné, zdlouhavé a náchylné k chybám.

Dobrý tip: Napište si na papír seznam propojek. Můžete si pak odškrtávat,

co máte hotové, a zkontrolovat, co vám kde chybí.

Počítejte ale s tím, že oživování nemusí být úplně snadné. Pečlivou prací

a kontrolou ovšem riziko chyb snížíte na minimum.

Popisky na obvody

To je trik, co používají někteří konstruktéři: vytisknou si na papír rozmístění

vývodů integrovaného obvodu i s popisem signálů ve skutečné velikosti

a přilepí si ho na integrovaný obvod. Při zapojování tak nemusíte hledat,

kolikátý vývod je jaký, ale přímo vidíte, kde je D0 a kde je /CS…

Ovíjené spoje

Jde o poměrně starou techniku zapojování elektronických obvodů.

Součástky umístíte do nějakého univerzálního plošného spoje, nebo jen do

tenké nevodivé desky s předvrtanými otvory (anglicky: perforated board,

perfboard), a pomocí izolovaného vodiče propojujete vývody jeden po

druhém. Tato technika se v 70. letech používala i pro průmyslovou výrobu

velkých počítačů.

Ovíjené spoje jsou o něco robustnější než konstrukce na NKP, jsou

pevnější, odolnější, ale docela snadno se rozebírají. Pro ovíjené spoje jsou

určené speciální objímky na integrované obvody s dlouhými vývody (wire

wrap sockets).

Nevýhodou je, že tyto objímky jsou výrazně dražší než „obyčejné“.

Pro ovíjení spojů budete potřebovat izolovaný vodič a speciální nástroj,

který slouží na samotné ovíjení (většinou má i část, která slouží

k odizolování vodičů). S trochou cviku jde ovíjení docela dobře od ruky

a na rozdíl od pájení, u něhož hrozí popálení a vzniká spousta agresivních

výparů, je tato technika nenáročná a můžete ji klidně provozovat

v obývacím pokoji.

3.3 Pájení na univerzální desce

Pájení je nejpoužívanější způsob propojování součástek v elektronice. Je

dostupné i pro domácí použití a s dobrou páječkou můžete zapájet

i moderní obvody se stovkami vývodů. Ty ale naštěstí používat nebudeme,

zůstaneme u klasických obvodů s vývody s roztečí 2,54 mm. Na pájení

takových obvodů stačí dobrá mikropáječka či pájecí pero. Doporučuju si

trochu připlatit a koupit něco s regulací teploty.

Nedoporučuju transformátorové („pistolové“) páječky. Jednak se kolem

jejich hrotu vytváří elektrické pole při zapínání a vypínání, a na to je třeba

myslet při pájení integrovaných obvodů, ale hlavně: jsou těžké, a než

zapájíte osmdesát vývodů, bude vás bolet ruka.

Pokud se rozhodnete konstrukci pájet, vždy doporučím pro integrované

obvody použít dobrou patici. Usnadní to případné budoucí opravy. Ne že by

nešlo odpájet integrovaný obvod se čtyřiceti vývody, ale vyžaduje to cvik

a odsávačku nebo odsávací knot, a i tak hrozí nebezpečí tepelného

poškození plošného spoje.

První možnost, jak spájet obvod, je použít takzvanou univerzální desku

plošných spojů. V angličtině Universal PCB, Veroboard, Prototype board.

Jsou to obdélníkové desky s otvory vyvrtanými v rastru 2,54 mm

a s pájecími ploškami na druhé straně. Levnější desky plošných spojů mají

„co otvor, to ploška“, dražší mají třeba trojice otvorů vždy spojené nebo

mají rozvedené napájecí napětí po celé desce.

Postup je podobný ovíjeným spojům, jen s tím rozdílem, že zde pájíte,

neovíjíte. Připájíte objímky k desce, a pak pomocí krátkých izolovaných

vodičů propojujete vše, co má být propojené. Výsledkem je opět více či

méně vzhledné „vrabčí hnízdo“, s rizikem zapomenutých spojů, kontrola je

náročná, změny ještě víc…

Obrázek 13: Univerzální deska plošných spojů, též „Veroboard“

Obrázek 14: Levnější varianta univerzální desky, provedení „perfboard“

Pro zajímavost: jakmile připojíte k osmibitovému procesoru paměť RAM

a ROM, znamená to, že musíte spojit osm datových vodičů a (třeba) 15

adresových (16. bude sloužit k výběru). Musíte tedy připájet dva vodiče –

první od procesoru k jedné paměti, druhý od první paměti k druhé paměti –

pro každý z těchto signálů. 46 vodičů, tedy 92 pájecích bodů. A to je zatím

jen sběrnice a tři obvody…

Jednou ze zajímavých variant univerzálních plošných spojů je takzvaný

Strip Board – plošný spoj s propojenými řadami vývodů:

Obrázek 15: Univerzální deska „stripboard“

Pomocí jemné brusky či frézy (na přerušení vedení) a propojovacích vodičů

můžete pospojovat i složitější obvody, navíc existují i programy, které

dokáží navrhnout a optimalizovat rozložení součástek tak, aby bylo

zapotřebí co nejméně propojek a broušení. Hledejte „Veroboard / Stripboard

Software“.

Plošný spoj na míru

Nejlepší způsob konstruování trvalých zapojení je vytvoření plošného spoje

na míru. Minimalizují se tím nutnosti propojování drátovými spojkami

a podobné. Takové spoje jsou zároveň velmi spolehlivé, trvanlivé atd. –

vždyť jde o průmyslový standard pro stavbu elektroniky.

Mnozí hobby elektronici se návrhu vlastních plošných spojů bojí. Částečně

neprávem, protože to zas tak složitá věc není. Pokud nebudete navrhovat

vysokofrekvenční obvody a mnohovrstvé plošné spoje, zůstanete

u jednovrstvých či dvouvrstvých a u jednoduchých konstrukcí, nemáte se

čeho bát, stačí si pamatovat několik základních pouček, jako třeba že

krystal má být co nejblíž procesoru, signál veden pokud možno přímo

a kolem oscilátoru je dobré udělat velkou plochu se zemním potenciálem.

Jednodušší plošné spoje si můžete vyrobit i doma – stačí obrazec nějak

přenést na vrstvu mědi a vyleptat. Já používal fotocestu: obrazec jsem

vytiskl na průhlednou fólii na laserové tiskárně, „počmáral“ jsem ho

černým fixem (zlehka; důvod je ten, že laserová tiskárna i na nejvyšší

kontrast měla nerovnoměrné krytí tonerem a černý fix právě takové

světlejší ostrůvky překryl) a přitiskl na cuprextit s fotocitlivou vrstvou.

Osvítil jsem ho několik minut ultrafialovou rtuťovou výbojkou (horským

sluncem), osvícenou desku jsem vyvolal v roztoku hydroxidu sodného

(ten odplavil neosvícený fotorezist) a pak jsem leptal v chloridu

železitém. Vyleptanou desku jsem vrtal a ošetřoval stříbřením

a kalafunou. Pro menší konstrukce je to dostatečné.

Složitější, větší nebo dvouvrstvé desky doporučuju nechat vyrobit u nějaké

služby, zaměřené na malosériovou výrobu plošných spojů. České služby

jsou fajn a odzkoušené, jen poměrně drahé a uživatelsky nepřívětivé.

Doporučím spíš zahraniční služby, kam nahrajete připravené podklady (ve

formátu GERBER – vygeneruje každý slušný CAD pro elektroniku)

a přímo na webu uvidíte cenu za výrobu (nejčastěji za 10 kusů) a poštovné.

Za desku o velikosti shieldu pro Arduino dáte třeba po přepočtu deset

korun, jen holt budete čekat, než vám ji pošta doručí.

Takto vytvořený plošný spoj má většinou i potisk a nepájivou masku, takže

se velmi snadno osazuje. Na druhou stranu, pokud uděláte v návrhu chybu,

napravuje se mnohem hůř – máte třeba deset desek s chybou, kterou musíte

řešit nějakou složitější úpravou, broušením, pájením propojek apod.

Doporučuju proto nejdřív sestavit prototyp, a až pro ověřené zapojení

navrhovat desku plošných spojů.

Já čas od času připravím sadu součástek pro stavbu výše zmíněných

počítačů, a to včetně plošných spojů. Sledujte webové stránky této knihy

a dozvíte se, kdy budou sady k dispozici.

4 Mikropočítač a jeho

součásti

4 Mikropočítač a jeho součásti

4.1 Jak pracuje mikroprocesor?

Zásadní otázka, že? Z těch procesorů, které jsem představil, všechny

fungují v hlavních rysech stejně.

Obvod procesoru má vyvedenou adresní sběrnici A0-A15 (tedy s šestnácti

vývody). Adresová sběrnice je výstupní; adresu totiž určuje procesor a celý

běh systému řídí (až na jednu výjimku, ale o té později).

Procesor má k dispozici také osmibitovou sběrnici D0-D7. Tato sběrnice je

obousměrná, data tedy mohou téct jak do procesoru, tak z procesoru.

Pomocí této sběrnice procesor přijímá data, která potřebuje, a zapisuje data,

která chce uložit.

V této knize budu zapisovat čísla buď v desítkové soustavě., tedy tak, jak

jsme zvyklí, nebo v soustavě šestnáctkové. Nebudu zde vysvětlovat, jak

šestnáctková soustava funguje, jen upozorním, že pokud není řečeno

jinak, tak budu šestnáctková čísla zapisovat s postfixem „h“ – třeba

0A55h a podobně.

Kromě datové a adresní sběrnice nabízí procesor i řídicí signály. Nejčastěji

jde o signál „čtení z paměti“ a „zápis do paměti“. Když procesor potřebuje

číst, nastaví datovou sběrnici na vstup, vystaví na adresovou sběrnici adresu

paměti, ze které chce číst, a aktivuje signál „Čti paměť“ (Memory Read,

/MEMR). Po uplynutí doby, dané konstrukcí procesoru a jeho časovacími

možnostmi, očekává procesor, že na datové sběrnici jsou data z paměti na

dané adrese.

V případě zápisu do paměti opět procesor nastaví adresní sběrnici na

potřebnou hodnotu. Na datovou sběrnici, přepnutou do režimu „výstup“,

nastaví požadovanou hodnotu pro zápis a aktivuje signál „Zápis do paměti“

(Memory Write, /MEMW).

Procesory odvozené od Motoroly 6800 si vystačí pouze s adresováním

paměti. V systémech s těmito procesory musí návrhář počítat s tím, že část

rozsahu musí vyhradit pro vstupně – výstupní zařízení. Procesory odvozené

od Intelu 8080 mají alternativní dvojice /IOR, /IOW (Input-Output Read /

Write). Procesor tak má pro paměť celý prostor a periferie mají vlastní

adresy (u 8080/8085 to je 8 bitů, u Z80 16 bitů).

Procesor Z80 nepoužívá /MEMR, /MEMW, /IOR a /IOW. Namísto toho

má dvě dvojice signálů: první určuje, jestli se pracuje s pamětí (/MREQ)

nebo s periferií (/IORQ). Druhá dvojice pak říká, zda se čte (/RD), nebo

zapisuje (/WR). Výsledné signály si pak musíte poskládat pomocí hradel.

CLOCK

Každý procesor má vstup, určený pro systémové hodiny. Některé procesory

mají hodiny jednofázové, některé dvoufázové (8080). Hodinový signál

udává takzvaný takt procesoru a označuje se jako T. Takt je nejmenší

jednotka času pro procesor a synchronizují se jím veškeré operace.

U starých osmibitových mikroprocesorů trvaly instrukce několik taktů (T) –

vždy alespoň jeden. Postupně se na sběrnici vystavila adresa pro přečtení

instrukce, pak se přečetla hodnota, ta se dekódovala a podle typu instrukce

se vykonávaly další akce. U některých procesorů se díky technice pipeline

dělo všechno toto najednou – zatímco se jedna instrukce provádí, druhá už

se dekóduje a na pozadí se třetí čte. Postupně se výkon zvyšoval a moderní

procesory dokáží provádět nejen několik instrukcí najednou, ale zvládají

i spekulativní provádění dvou větví programu – procesor například

vykonává podmíněnou instrukci skoku, pokud je výsledek operace 0, ale

v pipeline už jsou připravené obě varianty: pro nulu i pro nenulu. Podle

výsledku se pak jedna větev „potvrdí“ a druhá zahodí. Ale u starých

osmibitů platí varianta známého úsloví co na srdci, to na jazyku: co na

sběrnici, to v procesoru!

DMA

Většina procesorů umí odpojit své sběrnice od systému (BUS REQUEST).

V takovém případě dokončí aktuální operaci a odpojí datovou i adresní

sběrnici. Ke zbytku systému teď může přistupovat jiný obvod. Nejčastěji

obvod, který provozuje takzvaný DMA – Direct Memory Access. Pomocí

DMA může systém přenášet bloky dat mezi pamětí nebo mezi pamětí

a periferií rychleji, než to zvládne procesor sám. Po přenesení

požadovaného počtu dat obvod DMA požadavek na sběrnici odvolá,

procesor se opět rozeběhne a dál pracuje, jak má.

WAIT

Většina procesorů také umožňuje pozastavení cyklu mezi posláním adresy

a zápisem/čtením dat. Pokud je periferie pomalá, po příchodu požadavku na

čtení nebo zápis dat informuje procesor, že je potřeba počkat. Procesor

začne vkládat čekací cykly, dokud periferie neoznámí, že je připravená

poslat nebo přijmout data. Procesor pak pokračuje v cyklu čtení nebo

zápisu…

Práce procesoru

Procesory mají vstup RESET, kterým se nastaví do výchozí konfigurace. Po

RESETu se nastaví interní registr PC (Program Counter) na výchozí

hodnotu (ta se typ od typu liší) a procesor začíná pracovat.

Výše zmíněným postupem přečte hodnotu z adresy, dané hodnotou

v registru PC. Tato hodnota je instrukční kód – tedy kód instrukce, kterou

má procesor vychovat. Většina představených procesorů používá

jednobajtové kódy instrukcí, tedy 00h až FFh, a každá instrukce má právě

jeden instrukční kód. Procesory bohatší, Z80 nebo 6809, používají

i vícebajtové instrukce, takže se za určitých okolností čtou hodnoty dvě,

z adresy PC a PC+1.

Tento první krok, načtení instrukce, se nazývá též M1 – Machine Cycle

One, strojový cyklus 1. První strojový cyklus u procesorů 8080 nebo Z80

trvá několik taktů hodin (T). Procesory mívají vyvedený i signál M1,

kterým okolí informuje, že právě probíhá cyklus čtení instrukce. Další

přístupy do paměti už čtou a zapisují data.

Po tomto cyklu mohou následovat další strojové cykly (neplést s takty

hodin!), pokud je potřeba – například pro načtení nebo zápis dat.

4.2 Paměti

Asi nemá smysl připomínat, že se polovodičové paměti v té době dělily na

paměti RAM a ROM, a od pamětí ROM se používaly nejčastěji varianty

PROM a EPROM. RAM se zase podle technologie ukládání dělily na

SRAM a DRAM.

No dobře, tak rychlá připomínka:

ROM

Paměť ROM se vyznačuje tím, že je pouze ke čtení. Tedy že jednou zapsaný

obsah se už nemění. Což platilo pro paměti ROM a PROM. Novější

technologie (EPROM, EEPROM, FLASH) umožňují změnit zapsaný obsah

s větším či menším úsilím. Velká výhoda je, že paměť ROM udrží svůj

obsah i po odpojení napájecího napětí. Paměti ROM se proto používaly

především pro uložení základních ovládacích programů. Po zapnutí

počítače začal procesor provádět instrukce, uložené právě v této paměti.

Obrázek 16: EPROM (foto WestonChants, CC-BY-SA)

ROM (Read Only Memory) je paměť, z níž lze pouze číst data, která do ní

uložil výrobce, nejčastěji podle zadání objednatele, tedy v desetitisícových

sériích.

PROM (Programmable ROM) je paměť ROM, kterou výrobce dodal

nenaprogramovanou a uživatel si ji naprogramoval, jak potřeboval.

EPROM (Erasable PROM) je mazatelná paměť ROM. Dodává se prázdná,

uživatel si ji naprogramuje sám, a pokud je potřeba, lze ji opět smazat

(většinou ultrafialovým zářením). Poznáte ji podle skleněného okénka

uprostřed čipu.

EEPROM přišly později. Jsou to paměti EPROM, které lze mazat i bez UV

záření, pouze elektricky (Electrically Erasable PROM). Jejich dalším

vylepšením přišly paměti FLASH.

RAM

Paměti RAM (Random Access Memory) jsou paměti, do nichž se dá

zapisovat a zase číst stále a stále dokola. Název by měl být přesněji RWM –

Read Write Memory, pojem RAM pocházel z doby, kdy nejčastější

přepisovatelnou pamětí byla pásková jednotka, u níž se k datům

přistupovalo sekvenčně. Polovodičová paměť naproti tomu umožňovala

přístup k datům v náhodném pořadí, a tak se toto označení ujalo. Paměť

RAM obsahuje jednak data, s nimiž program pracuje, jednak (u von

Neumannovy architektury, která se u domácích počítačů používá) i samotné

uživatelské programy.

Polovodičové paměti RAM se vyrábějí dvojího typu. V jedněch je

informace uložena v klopných obvodech, což je náročnější na prostor v čipu

a dražší, ale jednodušší na práci. V druhých se používá parazitní kapacita

přechodů, jejich paměťové buňky jsou velmi malé, takže se jich vejde na

jeden čip násobně víc, ale zase jsou pomalejší.

SRAM, neboli Statická RAM, je RAM vytvořená tak, že paměťovou buňku

tvoří klopný obvod. Jakmile je nastaven do určitého stavu, zůstává v něm.

Nevýhodou je, že paměti SRAM v době osmibitů mívaly kapacitu tak 1 až

2 kB. Dnes není problém sehnat čipy SRAM s kapacitou 512 kB.

DRAM je Dynamická RAM. V dynamické paměti je informace uložena

v kondenzátoru (přesněji ve zmíněné parazitní kapacitě přechodu).

Nevýhoda je, že při čtení hodnoty paměťové buňky se náboj z toho

kondenzátoru odčerpá, takže po každém čtení je potřeba zapsat přečtené

informace zpět. Druhá nevýhoda je, že tyto kondenzátory mají velmi malou

kapacitu a vybíjejí se samovolně. Vybíjení je poměrně rychlé, a proto musí

být paměť občerstvována. Občerstvování spočívá v periodickém čtení

řádků stále dokola. O toto občerstvování se musely postarat vnější obvody.

Výhodou DRAM je na druhou stranu velká kapacita – v době osmibitů to

bylo 16 či 64 kilobitů.

Paměti „tenkrát“

V dobách prvních osmibitů nebylo výjimkou, že domácí počítač (natož

jednodeskový) měl celý jeden kilobajt paměti RAM (tedy té, do které jste si

psali vlastní programy), a k tomu jeden, možná dva kilobajty paměti ROM

(nejčastěji technologie EPROM – poznáte ji podle skleněného okénka nad

čipem). Například počítač Sinclair ZX-81 měl 8 kB ROM (Sinclair byl dost

velký zákazník na to, aby si mohl dovolit vyrobit vlastní sérii ROM), v níž

byl uložen BASIC, a 1 kB statické RAM, v níž byl uložen váš program,

a zároveň obsah obrazovky (32 x 24 znaků) – tedy pro samotný program už

moc prostoru nezbývalo. Bylo jen logické, že nejčastější používanou

periferií byl „memory pack“, v němž bylo 16 kB dynamické RAM.

V tomto modulu bylo osm čipů typu 4116 – každý z nich měl kapacitu 16k

x 1 bit, a osm dohromady jich dalo 16 kilobajtů. Kromě těchto čipů tu byla

i nezbytná logika, která se starala o správné přepínání adres

a o občerstvování.

Obrázek 17: Ram pack se 16 kB pro ZX-81

Totiž: statické paměti RAM v té době mívaly kompletní adresovou sběrnici.

Třeba obvod 2114 měl 10 adresových vstupů (A0-A9) a 4 datové (D0-D3;

měl tedy organizaci 1k x 4). Dva takové obvody „vedle sebe“ daly

dohromady 1 kB statické paměti RAM.

Dynamické paměti bývaly nejčastěji udělané tak, že měly šířku 1 bit – takže

bylo potřeba zapojit 8 obvodů vedle sebe. Navíc neměly všechny

adresovací vstupy vyvedené, ale používaly multiplexovanou adresu. Už

zmíněná DRAM 4116 měla sedm vstupů adres (A0-A6) a pro vybrání

sloužily dva vstupy RAS a CAS (Row Address Select, resp. Column

Address Select). Nejprve se na adresní vstupy přivedla vyšší část adresy

a aktivoval se vstup RAS. Poté se přivedla nižší část a aktivoval se vstup

CAS. Tím byla zadaná kompletní adresa, a paměť vrátila nebo zapsala data.

Bylo to komplikované, to ano, ale tohle je jen část komplikací. Další nastaly

s obnovováním – refreshem. Pravidelně bylo totiž potřeba číst jeden řádek

paměti po druhém, aby se z nich neztratily data. Pokud byla použita paměť

DRAM například pro zobrazování obsahu displeje, nebyl to problém,

protože tam k pravidelnému čtení docházelo tak nějak „z definice“. Ovšem

pro zbytek paměti bylo potřeba tohle obnovování vyřešit externími

obvody – čítači a multiplexery.

Procesor Z80 měl zabudovanou podporu refreshe – interní sedmibitový

čítač R a signál RFSH. Čítač se staral o adresování řádků 0-127 a procesor

ve chvíli, kdy měl přečtenou instrukci a dekódoval ji, pustil na sběrnici

právě obsah registru R a aktivoval signál RFSH. Logika okolo

dynamických pamětí mohla na tento signál reagovat a správně aktivovat

potřebné vstupy dynamické paměti.

Jaké paměti použijeme dnes?

Dnes není problém sehnat statické paměti RAM o kapacitách 128 kB – 1

MB za ceny v řádech desetikorun či jednotek stokorun. Vzhledem k tomu,

že osmibitové procesory adresují většinou maximálně 64 kB paměti, máme

vystaráno a není potřeba vůbec řešit dynamické RAM, obnovování apod.

Jako základní typ použijeme paměť SRAM s organizací 32k x 8, která se

označuje 62256. Je to paměť, vyráběná mnoha výrobci pod různými

značkami – například já jsem sehnal tyto paměti od výrobce Hitachi

s označením HM62256BLP-7. Výrobce Alliance Memory jej značí

AS6C62256. Tyto paměti mají přístupovou dobu 70 nanosekund, což je

dostatečné pro konstrukce s frekvencemi v řádu jednotek MHz. Pokud

chcete použít frekvenci vyšší, sáhněte po rychlejších typech, např.

AS7C256B-15 s rychlostí 15 ns.

Pokud ve svém zapojení použijete nějaký způsob stránkování paměti, může

se vám hodit paměť s vyšší kapacitou. Pak doporučím typy AS6C1008

(128k x 8) nebo AS6C4008 (512k x 8)

Na pozici ROM můžeme použít buď EEPROM, nebo FLASH. FLASH jsou

rychlejší a dnes i dostupnější než EEPROM, ale zase nabízejí až příliš

velkou kapacitu, kterou nevyužijeme.

V konstrukcích pracuji s typem 28C256, což je EEPROM s organizací 32

kB x 8. 32 kilobytů je poměrně hodně a stačil by i typ 28C64 s kapacitou 8

kB x 8. Můžete jej použít přímo místo 28C256.

FLASH paměti jsou vhodné třeba ty ze série SST39SF: SST39SF010 (128

kB x 8), SST39SF010 (256 kB x 8) a SST39SF040 (512 kB x 8). A opět

platí, ž jejich kapacita bude využita jen zčásti, pokud neimplementujete

nějaký obvod pro stránkování paměti.

Velmi zajímavá, levná a malá alternativa jsou sériové paměti RAM,

EEPROM a FLASH. Díky tomu, že jsou v malých pouzdrech s osmi

vývody, jsou výrazně levnější a zabírají málo místa. Bohužel je nelze

připojit k osmibitu přímo jako pracovní paměť – osmibit vyžaduje paměť

s paralelním přístupem k datům, tedy kompletní adresa a kompletní data

v jednom cyklu.

Konkrétní popis a typy si představíme u jednotlivých konstrukcí.

4.3 Periferie

K čemu by byl počítač, který by si jen tiše pro sebe něco počítal a nikomu

nic neříkal? Ačkoli slovo „periferie“ zní hanlivě, jako něco na okraji, tak

pro počítač to je zásadní součást: místo, kde se setkává s okolním světem.

Bez periferií zkrátka není počítač počítačem. Pojďme se podívat, jaké

periferie připadají v úvahu, speciálně pak s přihlédnutím k domácím

počítačům z 80. let.

Klávesnice

Klávesnice byla u domácích počítačů naprosto zásadní periferie. Pomocí

klávesnice počítač programujete a ovládáte. Velké sálové počítače

v předcházející éře klávesnice nezbytně nutně neměly; pracovaly s děrnými

páskami a děrnými štítky jako s dávkovými úlohami. Ovšem později,

s nástupem terminálů, se vlastně i u nich objevily. Domácí počítače

a jednodeskové počítače měly klávesnice od začátku. Některé přímo

zabudované, jiné připojovací.

Klávesnice u jednodeskových počítačů byly často řešené podobně jako

u kalkulaček – 16 až 25 tlačítek, uspořádaných do matice. 16 tlačítek

zadávalo hexadecimální číslice (0-9, A-F), zbývající vyvolávaly některé

základní funkce, jako přístup do paměti, k registrům, reset, přerušení nebo

práci s externím úložištěm.

U domácích počítačů byl princip stejný: tlačítka, uspořádaná interně do

matice, navenek pak jako QWERTY klávesnice s písmeny, číslicemi

a dalšími ovládacími funkcemi. U počítačů ZX-80, ZX-81 a ZX-Spectrum

byly kupříkladu čtyři řady po deseti klávesách, ale uvnitř zapojené jako

matice 5x8 tlačítek. Jiné domácí počítače, například Atari či Commodore,

měly kláves podstatně víc, ale vnitřně opět v matici, např. 8x8.

Pokud dneska budeme stavět klávesnici v duchu tehdejších strojů, máme na

výběr z několika postupů.

Můžeme použít existující klávesnici ze starého stroje. Občas se v bazarech

objevují klávesnice z Commodorů či Atari. Stačí si najít zapojení matice

a připojit vhodným způsobem k vlastnímu počítači. Problém je, že takové

řešení není moc dobře replikovatelné a pokud konstrukci zveřejníte, budou

ostatní limitováni tím, zda seženou stejnou klávesnici.

Lze použít i standardní PC klávesnice, ideálně s rozhraním PS/2. Práce

s tímto rozhraním je poměrně snadná a zvládne ji i nenáročný jednočip.

Klávesnice s USB vyžaduje sofistikovanější technologii…

Třetí možnost je postavit si vlastní klávesnici z tlačítek, například na

univerzálním plošném spoji. Stačí pořídit dostatečné množství tlačítek

s hmatníky, připájet k desce a propojit.

Poslední dostupná možnost je konstrukce vlastní membránové klávesnice,

podobné, jako mělo ZX-81 nebo SAPI-1. Technologicky jde jen o velký

plošný spoj, na který je nalepena distanční mezivrstva a na ní hmatník,

který má zespodu vodivé propojky. Třeba nalepené čtverečky alobalu.

Vylepšená konstrukce používá malé kovové „kloboučky“ (klíčové slovo:

key dome).

Výroba takové klávesnice není technologicky moc náročná, jen je potřeba

trocha pečlivosti a spousta trpělivosti. Možný problém pak představuje

poměrně velký plošný spoj, takže je to vhodnější postup pro ty

konstruktéry, kteří si jej dokáží sami vyrobit, protože malosériová výroba je

placena právě od velikosti desky plošných spojů.

Obrázek 18: pružné kovové kloboučky pro klávesnice (Key dome)

Displej

Každý domácí počítač potřebuje pořádný displej. Jenže tady jsme

paradoxně s pokrokem v lehce horší situaci.

U jednodeskových počítačů, které používají displej ze sedmisegmentovek,

není problém. Sedmisegmentovky stále fungují, stále se vyrábějí a stále

není problém je sehnat, dokonce i v podobě modulů s nějakým použitelným

rozhraním.

Pokročilejší konstrukce mohou použít monochromatické LCD displeje

16x2, 20x4 nebo grafické 128x64. Připojení těchto displejů jako periferií je

velmi jednoduché, protože používají většinou osmibitovou sběrnici a řídicí

signály, které jsou se světem osmibitových procesorů kompatibilní. Sice

nejsou takové počítače moc „retro“, v 80. letech takové displeje nebývaly

moc běžné, ale dnes jsou dostupné a jednoduše použitelné.

V osmdesátých letech byl snad nejčastější displej televizní – totiž prostá

černobílá nebo barevná televize, připojená k počítači nejčastěji přes anténní

vstup. Kvalita obrazu byla leckdy nevalná: počítač vygeneroval TV signál,

většinou v normě PAL nebo NTSC, a tento videosignál se v modulátoru

namoduloval na televizní nosnou frekvenci. Ta se po anténním kabelu

přenesla do televize, kde ji hned první obvod za vstupem demoduloval

zpátky na videosignál. Některé televize měly přímo videovstup, čímž se

mezikrok s modulací mohl obejít, pokud tedy počítač měl videovýstup.

Existovaly návody, jak vyvést přímo videosignál u počítačů, které takový

vývod neměly, existovaly i návody, jak přibastlit videovstup do televizí,

které jej neměly, a šťastní uživatelé si užívali mnohem kvalitnějšího obrazu.

Bohužel dnes je docela problém takto televizi používat. Moderní televize

mají sice videovstupů spoustu, včetně takzvaného „kompozitního videa“,

což je to, co potřebujeme, ale dost často se starými počítači prostě

nefungují, protože jsou citlivé na kvalitu signálu a jeho časování, a některé

stroje to s tou přesností neměly tak úplně skvělé. Dobré je, pokud máte

starou přenosnou barevnou televizi s videovstupem – ale je těžká, křehká,

zabírá spoustu místa… Naštěstí se v posledních letech objevily levné

displeje, převážně z Číny, s rozumnou úhlopříčkou a se schopností

zpracovávat signál v normě PAL. Původně jsou určené do aut pro přenos

signálu z parkovacích kamer, ale u starých počítačů fungují úplně krásně.

Asi nejlepší by bylo použít nějaký VGA monitor nebo monitor s HDMI.

Bohužel, tyto normy vyžadují mnohem vyšší frekvence signálů, než

v amatérské konstrukci s osmibitem dokážeme vytvořit. Ano, existují

zapojení, kde miniaturní jednočip AVR generuje videosignál pro VGA, ale

rozlišení je poměrně hrubé.

Kazetový magnetofon

Dostáváme se k zásadní periferii, totiž k takové, která dokáže uložit a opět

nahrát nějaká data či program (z čistě technického hlediska platí, že

program jsou vlastně jen data). Nejlevnější způsob, používaný u domácích

počítačů, pracoval s kazetovým magnetofonem coby úložištěm. Některé

osmibity měly speciální kazetové magnetofony s možností strojového

ovládání (Commodore, Atari), takže si počítač mohl přehrávání zastavit či

spustit. Jiné (Sinclair s výjimkou modelu Spectrum +2) používaly obyčejný

kazetový magnetofon, který obsluhoval uživatel. Zadal příkaz, spustil

kazetu a čekal, dokud se data nenahrála do paměti.

Pokud chcete ukládat data na audiokazetu, musíte je proměnit na zvuk,

a důležitá věc je, že musíte být schopni zvuk opět převést zpátky na data.

Vznikly různé způsoby záznamu – můžete například logickou 1

reprezentovat jedním pulsem určité frekvence a logickou 0 pulsem jiné

frekvence, a při čtení pak měřit čas, který uplyne mezi hranami signálu.

Takový záznam používalo například Spectrum. Jiný způsob používal

počítač PMD-85, kde se pomocí signálu z UART modulovala nosná

frekvence a při čtení po její demodulaci zůstal sériový signál.

Pro osmibity je ukládání na kazety dostatečné a zároveň jednoduché, ale na

rovinu přiznám, že bych ho nepoužil. Dnes je docela problém sehnat

kazetový magnetofon, natož kazety do něho. Možná by šlo použít třeba

diktafon. Například diktafon, v němž se nahrává na SD kartu. Ale pak ruku

na srdce: není jednodušší rovnou na tu kartu zaznamenat data?

Disketa

Disketa byla velká výhra, a kdo ji u svého osmibitu měl, ten byl king!

Disketám v 80. letech patřila budoucnost – tedy až do 90. let, kdy přišly

levnější, spolehlivější a větší média. U domácích počítačů s kapacitou

paměti v řádech desítek kilobytů ale taková 5,25” nebo 3,5” disketa se

závratnou kapacitou 720 kB (u HD až 1,44MB, ale HD se u osmibitů moc

nepoužívaly) představovala efektivní a rychlé úložiště.

Některé počítače – Commodore či Atari – měly od výrobce disketovou

mechaniku jako rozšiřující periferii. U jiných se o připojení diskety

postarali externí dodavatelé a firmy (například známé mechaniky Beta

a Opus u ZX Spectra). Počítače z konce 80. let už měly disketové

mechaniky zabudované (Spectrum +3 například).

V Československu disketové mechaniky u domácích počítačů dlouho

nebyly rozšířené. Nejen kvůli své ceně (která při individuálním dovozu ze

Západu představovala třeba měsíční plat), ale i kvůli tomu, že jste nemohli

dost dobře dojít do prvního obchodu s počítačovými potřebami a koupit si

krabičku disket…

Disketová mechanika jako periferie není úplně jednoduché zařízení

k připojení. Navenek komunikuje hodně „surovým“ způsobem, a proto je

potřeba použít takzvaný řadič, což je obvod vysoké integrace, který dokáže

disketovou mechaniku ovládat, tedy správně nastavit hlavičky, zjistit, jak je

disketa právě natočená, správně zakódovat data do toku bitů pro disketu

(FM či MFM kódování)…

Poznámka: Z hlediska snadnosti připojení na tom paradoxně mnohem

lépe jsou pevné disky s rozhraním IDE (ATA) – toto rozhraní šlo připojit

skoro „přímo na procesor“.

Disketové mechaniky jsou dnes už většinou nostalgickou vzpomínkou,

diskety se také těžko shánějí, a pro novou konstrukci bych diskety rozhodně

nedoporučil…

SD karta

Dobrá, tak tedy co dnes použít pro ukládání programů? Kazety jsem znectil,

diskety taky, tak co zbývá? Asi nejlepší je použít paměťové karty ve

standardu SD – to jsou ty malé, co jsou v mobilech, fotoaparátech a dalších

zařízeních. Jejich kapacity se dnes pohybují v řádech jednotek až stovek

gigabytů, což je pro osmibit až až. Hlavní výhoda, kterou SD karty mají, je

ta, že mají velmi jednoduché rozhraní – nepotřebujete přesné časování jako

u USB, stačí vám pouze nějak naemulovat rozhraní SPI, a to zvládne

i pomalý osmibit. S trochou dobré vůle si naimplementujete i souborový

systém FAT, takže přenos dat mezi vaším osmibitem a pracovním

počítačem bude snadný.

Tiskárna

Jedna z nejžádanějších periferií té doby byla bezpochyby tiskárna. Ve světě

tiskáren se stalo pár dobrých věcí, konkrétně standardizované paralelní

rozhraní Centronics (k jehož napojení stačil obyčejný paralelní port)

a standardizovaná sada ovládacích příkazů ESC. Nebyl tedy problém

připojit tiskárnu, kterou jste někde nějak získali, ke svému samo domo

vytvořenému řadiči a dopsat si ovladače. Největší problém bylo sehnat tu

tiskárnu.

Sériová linka

Sériové rozhraní, pro které se vžilo spousta různých označení (RS-232,

i když to ve skutečnosti popisuje něco jiného, nebo třeba UART) bylo

u domácích počítačů často k dispozici také. Někteří výrobci dodrželi

standard, tedy včetně konektorů, a k takovým počítačům se daly připojit

další zařízení se stejným rozhraním, jiní výrobci (Sinclair) když už sériové

rozhraní nabídli, tak bylo hodně proprietární.

Implementace sériového rozhraní pomocí jednoho obvodu UART není dnes

velký problém, a pokud si k němu připojíte převodník UART/USB, tak

můžete stolní počítač použít jako sui generis terminál k osmibitu. Takové

rozhraní se vždycky hodí., proto ho použijeme i my.

Joystick

Co by byl pořádný domácí osmibit bez joysticku? Česky se tomu říkalo

„křížový ovladač“ a vlastně šlo jen o držák, připojený ke čtyřem tlačítkům

(nahoru, dolů, doleva, doprava) a s jedním, dvěma nebo více tlačítky pro

akci („střílení“). Téměř standardem byly joysticky s devítipinovým

konektorem CANON, kde byl jeden vodič společný a pět či šest vodičů pro

tlačítka (pro každé jedno). Takové joysticky se připojovaly přímo k Atari či

Commodoru, pro Spectrum jste potřebovali tzv. „interface“, nejčastěji

Kempston nebo ZX Interface 2. Uvnitř těchto krabiček byl jednoduchý

adresovací obvod a budič sběrnice, nic složitějšího.

Dnes můžeme použít buď analogové joysticky, co se jako modul prodávají

za dolar z Číny a technicky jde o dva potenciometry, zapojené do kříže,

nebo klasické se spínači, co seženete z výprodeje. A pro různé retroherní

automaty či konzole můžete použít buď moderní repliky tehdejších

mechanismů, nebo prostá čtyři tlačítka…

4.4 Periferní obvody

PPI 8255

Obvod Intel 8255, nazývaný PPI (Programmable Peripheral Interface),

někdy označovaný i jako PIO (Parallel Input/Output) je čip, který umožňuje

vytvoření až tří paralelních vstupně-výstupních portů (bran), jejichž funkce

lze programem pozměnit.

Obvod 8255 obsahuje tři obousměrné paralelní osmibitové porty PA, PB

a PC, proto se označuje jako PIO – Parallel Input and Output. K procesoru

se připojuje přes datovou sběrnici a dva adresové vstupy. Je určen pro

systémy s procesorem 8080, takže nepřekvapí, že používá řídicí signály

/RD a /WR – ty je možné propojit napřímo s výstupy /IOR a /IOW. Dále

obsahuje vstup RESET a vstup /CS – známý Chip Select, který připojuje

tento obvod ke sběrnici.

Ta nejzajímavější vlastnost obvodu 8255 je, že je konfigurovatelný. Podle

kombinace na vstupech A0 a A1 procesor komunikuje buď s registry

jednotlivých portů PA, PB, PC, nebo zapisuje a čte do/z osmibitového

řídicího registru CWR. Pomocí zápisu do tohoto registru lze jednak ovládat

přímo jednotlivé bity portu PC, ale také nastavit mód práce. Obvod totiž

může fungovat jako tři nezávislé datové porty, ale také může rozdělit porty

do dvou skupin (PA + polovina PC, PB + druhá polovina PC) a rozdělené

signály portu PC využívat jako řídicí signály pro přenos dat, např. pro

oznámení, že data byla přijata nebo naopak že je požadováno jejich převzetí

apod.

Podrobněji se práci s tímto obvodem budeme věnovat v kapitole

o mikropočítači OMEN Alpha.

Z80 PIO

Většina výrobců procesorů kromě klíčového obvodu, totiž procesoru,

navrhla a nabídla i větší či menší sadu vlastních periferií. Zilog pro svůj

Z80 navrhl čtveřici periferií Z80PIO (paralelní rozhraní), Z80SIO (sériové

rozhraní), Z80CTC (čítače/časovače) a Z80DMA (řadič přímého přístupu

do paměti). Tyto obvody měly například kompatibilní řídicí vstupy

a podporovaly speciální přerušovací systém Z80.

Samozřejmě že můžete v systému s procesorem Z80 použít i periferní

obvod 8255, ale ztratíte tím třeba právě možnost využít všech možností

přerušení a musíte si řídicí signály pro Z80 překódovat pro 8255.

Obvod Z80PIO nabízí, na rozdíl od 8255, pouze dvě vstupně-výstupní

brány. Na druhou stranu má pro každou bránu dedikované řídicí vstupy

a dokáže každý jednotlivý bit každé brány nastavit nezávisle na vstup či

výstup.

VIA 6522

VIA je akronym pro Versatile Interface Adapter, a jak už číselné označení

napovídá, jedná se o periferii, určenou primárně pro procesory z řady 6502.

Nabízí opět dva dvousměrné paralelní osmibitové porty, ale dokáže s nimi

pracovat i jako s šestnácti nezávislými vstupně-výstupními linkami. Kromě

paralelních portů obsahuje obvod i dva čítače / časovače a posuvný registr

pro sériové rozhraní.

Existuje i jednodušší předchůdce PIA 6521, bez čítačů a sériového rozhraní.

Oba obvody mají analogické čipy v řadě 68xx: 6821 a 6822.

SIO 8251 (USART)

Obvod Intel 8251 se používal v osmibitových počítačích spolu s obvodem

8255. Zatímco 8255 nabízí paralelní rozhraní, 8251 nabízí sériové rozhraní.

Sériové rozhraní má několik výhod proti paralelnímu, především tu, že se

mnohem líp vede na větší vzdálenosti. Zatímco paralelní rozhraní má limit

někde v řádu desítek centimetrů a na metrové vedení už potřebujete velmi

dobrý kabel a výkonný budič, pro sériové rozhraní není problém několik

metrů. Navíc si vystačí s menším počtem vodičů.

V osmdesátých letech bylo sériové rozhraní velmi oblíbené, protože

umožňovalo připojit tehdy populární terminály.

S procesorem komunikuje obvod Intel 8251 opět přes datovou sběrnici

a pomocí řídicích signálů /RD, /WR. Obvod se připojuje na sběrnici ve

chvíli, kdy je aktivní vstup /CE. Vstup C/D určuje, jestli se zapisují nebo

čtou data (=0), nebo řídicí / stavové informace (=1). V praxi se připojuje

k některému z adresních signálů, např. k A0. Pokud byl obvod adresován

například tak, že byl aktivní na adrese 20h, a vstup C/D byl zapojen na A0,

tak se adresou 20h přistupovalo do datového registru, adresou 21h do

řídicího.

ACIA 6850

I Motorola pro své procesory 680x připravila obvod pro sériové rozhraní.

Jeho velká výhoda proti obvodu 8251 je rychlost a jednoduchost. V počítači

OMEN Alpha, kde běží procesor s taktem 1,8432 MHz, dokáže 6850

posílat a přijímat data rychlostí 115200 Bd.

Podrobněji se práci s tímto obvodem budeme věnovat v kapitole

o mikropočítači OMEN Alpha.

ACIA 6551

Jde o obvod podobný předchozímu, ale lehce přizpůsobený řídicím

signálům procesoru 6502. Proto nepřekvapí, když si jej podrobněji

popíšeme v kapitole o mikropočítači OMEN Bravo.

Čítače, časovače a další

Paralelní a sériové porty byly asi nejčastější periferie, s nimiž jste se

u osmibitových počítačů setkali. Nejčastěji to byly právě obvody 8255

a 8251, a to i v systémech s jinými procesory, třeba i u Z80. Důvodem byla

jejich dobrá dostupnost a snadnost připojení

Dalšími používanými periferiemi byly například čítače a časovače 8253

(nebo Z80-CTC). Tyto obvody obsahují programovatelné čítače, které

dokázaly počítat nějaké vnější události, např. hodinové impulsy, a při

splnění určité podmínky buď změnily signál na výstupu, nebo např.

vyvolaly přerušení. Podobné periferie jsou dnes standardní výbavou

jednočipových počítačů (mikrokontrolérů).

Mezi periferie se počítaly i zobrazovací jednotky. Některé displeje

fungovaly naprosto transparentně, tj. zobrazovaly data, která byla někde

v paměti, bez účasti procesoru, jiné bylo potřeba předem přepnout, nastavit

do nějakého vhodného pracovního módu – tak fungovaly například

videořadiče od Motoroly MC6845 (používané i v grafických kartách MDA

a Hercules u IBM PC), nebo např. TMS9918 (výrobce Texas Instruments).

Další periferie, například vnější paměti apod., většinou nemívaly vlastní

obvod a připojovaly se přes standardní rozhraní. Výjimkou byly floppy

disky (diskety), které měly vlastní řadiče – známé typy Intel 8272, WD2797

nebo WD1793, které se používaly např. v disketových jednotkách,

vyráběných pro počítač ZX Spectrum…

5 OMEN Alpha

Možná se opakuju, ale napíšu to: k tomu, abyste si postavili počítač, není potřeba nic moc extra.

Stačí vám jen nepájivé kontaktní pole, propojovací vodiče, napájecí zařízení a pár součástek:

procesor, paměť a nějaké periferie.

Ovšem budu upřímný: v případě procesoru 8080 to tak moc neplatí. Tedy ne že by to nešlo,

samozřejmě že to jde, ale problém je v tom, že procesor 8080 vyžaduje jednak tři napájecí

napětí a také nějaké podpůrné obvody.

Z různých technologických důvodů nemá procesor 8080 na čipu integrované některé důležité

součásti, především řízení sběrnice a generování hodinových pulsů. Slouží k tomu dvojice

externích obvodů 8224 a 8228, a ačkoli je možné se bez nich obejít a postavit si vlastní

alternativy, tak takový postup nedoporučuju.

Obvod 8224 slouží ke generování hodinového kmitočtu, ve správné fázi a se správnými poměry

period, a k tomu synchronizuje RESET a některé další signály. Obvod bere připojený kmitočet

a dělí ho devíti. To je pak pracovní kmitočet procesoru. Pokud má připojený generátor frekvenci

18 MHz, bude 8080 pracovat na frekvenci 2 MHz.

Obvod 8228 generuje z takzvaného stavového slova, které procesor posílá po datové sběrnici,

a několika řídicích signálů plné řídicí signály /MEMR, /MEMW, /IOR a /IOW. Navíc dokáže

fungovat jako jednoduchý řadič přerušení – má pouze jednu úroveň a při vzniku požadavku

pošle na sběrnici instrukci RST 7 (tedy skok na adresu 0038h, jak si povíme později).

Obrázek 19: „Svatá trojice 8080“

Teprve až tato svatá trojice, jak se těmto třem obvodům někdy přezdívá, tvoří samotný

„mikroprocesor 8080“.

V tom nejjednodušším systému, kde není zapotřebí řešit přerušení ani pozastavování činnosti či

přebírání sběrnice, stačí nepoužité vstupy HOLD a INT připojit na log. 0, vstup RDYIN na log.

1 a výstupy INTE, WAIT, HLDA a INTA ignorovat. Celý procesor pak komunikuje se zbytkem

systému pomocí čtyř řídicích signálů /MEMR, /MEMW, /IOR a /IOW, které říkají, že procesor

chce číst z paměti (MEMory Read), zapisovat do paměti (MEMory Write), popřípadě číst nebo

zapisovat z/do vstupně-výstupních obvodů (Input/Output Read, Input/Output Write).

Přebírání sběrnice, DMA i přerušení budeme probírat později, ale jen pro představu: Přerušení

slouží k tomu, aby systém mohl některé vnější události, například příchod znaku na sériový

port, stisknutí klávesy nebo uplynutí časového intervalu, rychle obsloužit. Bez tohoto

mechanismu je potřeba se stále periodicky dotazovat periferií: „Není zapotřebí obsluha?

Nestalo se něco?“

DMA (Direct Memory Access, neboli Přímý přístup do paměti) se používal u osmibitových

systémů pro spolupráci s velmi rychlými – na tehdejší poměry – periferiemi, jako byly třeba

disketové mechaniky. Ty dodávaly data rychleji, než je procesor stíhal číst a ukládat do

paměti, proto se používal tento postup, při kterém externí obvod, zvaný řadič DMA, požádá

procesor o odpojení od sběrnic. Procesor se odpojí od datové, adresní i řídicí sběrnice, a řízení

přebere řadič DMA, který přímo čte data z periferie a ukládá je do paměti do předem

nastavené oblasti.

Jednoduché systémy se bez těchto technik obejdou.

5.1 Architektura 8080

Procesor 8080 byl uveden na trh v roce 1974. Bohužel trpěl několika nedostatky, z nichž snad

největší bylo to, že výstupy procesoru snesly jen malé zatížení. Brzy přišla varianta 8080A,

která byla naprosto totožná co do vývodů a instrukcí, ale měla posílené vývody a byla rychlejší.

Když se dneska hovoří o mikroprocesoru 8080, má mluvčí na mysli nejčastěji právě „áčkovou“

variantu.

Mikroprocesor 8080 byl v jednom pouzdře DIL se 40 vývody.

Z těchto 40 vývodů bylo 16 pro adresovou sběrnici (A0 – A15), 8 pro datovou (D0 – D7),

4 piny sloužily k napájení (zem, +5 V, +12 V, -5 V) a zbytek byly řídicí signály (RESET, INT,

WR apod.)

Mikroprocesor pro svou činnost vyžadoval dva podpůrné obvody – 8224, který se staral

o správné generování a fázování hodin, a 8228, který posiloval datovou sběrnici a zároveň se

staral o generování řídicích signálů MEMR, MEMW, IOR, IOW a dalších. (MEMx obsluhovaly

paměť, IOx vstupně-výstupní zařízení, R znamenalo čtení, W zápis).

Obrázek 20: Intel 8080

Díky šestnácti adresním linkám může mikroprocesor adresovat paměť o kapacitě 64 kB (2

Z paměti může přenést osmibitové slovo (tedy hodnotu 0 – 255).

V procesoru se nachází několik základních bloků:

 Časovací a řídicí obvody se starají o správnou synchronizaci ostatních částí, o správné

vyhodnocení řídicích signálů, co přicházejí zvenčí, a o posílání stavových informací ven.

 Registr instrukcí drží instrukční kód, načtený z paměti, dokud jej nezpracuje dekodér.

 Dekodér instrukcí rozloží instrukční kód na posloupnost základních operací, o jejichž

provedení se postará řadič.

 ALU, neboli aritmeticko-logická jednotka, se stará o základní matematické operace (sčítání,

odčítání, AND, OR, XOR) s osmibitovými čísly.

 Akumulátor (též registr A) je osmibitový pracovní registr procesoru. S ním se provádí

naprostá většina operací, zejména aritmetické, logické či porovnávací.

 Pracovní registry B, C, D, E, H a L jsou registry, které může programátor využít pro dočasné

uložení hodnot. Jsou opět osmibitové. Některé instrukce ale dokážou pracovat s tzv.

registrovým párem – v takovém případě se berou registry B a C, resp. D a E / H a L jako jeden

šestnáctibitový registr. Pár registrů H a L je často používán pro uložení adresy při nepřímém

adresování – např. „do akumulátoru se přesouvá hodnota, která je uložena v paměti na adrese,

uložené v registrech HL“.

 Ukazatel zásobníku zvaný též registr SP, je šestnáctibitový registr, v němž je uložena adresa

tzv. zásobníku. Více si o jeho funkci řekneme v kapitole o podprogramech.

 Programový čítač (registr PC) je šestnáctibitový registr, v němž je uložena adresa, z níž

procesor čte instrukci. Po přečtení instrukce se zvýší o 1, 2 nebo 3, takže ukazuje na další

instrukci. (Záleží na délce instrukce)

 Příznakový registr F není pro většinu instrukcí samostatně přístupný. Obsahuje několik tzv.

příznakových bitů, které udržují informaci o tom, jestli poslední výsledek byl 0, jestli byl

záporný, jestli při výpočtu přetekla hodnota přes hranici 255 (nebo pod 0) atd. Podle těchto

bitů pak může procesor vykonat tzv. podmíněné instrukce.

Krom těchto částí obsahuje procesor i další skryté registry (W, Z, ACT), ke kterým ale nemá

programátor přístup. Mikroprocesor je používá pro ukládání mezivýsledků dle své potřeby.

Registry

15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00 (bitová pozice)

Hlavní registry Páry

A Flags Program Status Word

B C B

D E D

H L M (Nepřímá adresa)

Ukazatel zásobníku – SP Stack Pointer

Programový čítač – PC

Program Counter

Stavový registr – F S Z - AC - P - C Flags

Fyzická architektura

Obrázek 21: Architektura 8080

Uprostřed schématu je aritmeticko-logická jednotka (ALU). Nalevo od ní je pracovní registr –

akumulátor a registr pro ukládání mezivýsledků. Nad ALU je blok příznakových bitů (Flag Flip

Flops), pod ní kombinační logika pro převod mezi binárními a decimálními hodnotami. Napravo

je registr pro instrukci a instrukční dekodér. Pravá část schématu obsahuje blok pracovních

registrů, čítač instrukcí PC a další registry. Kromě těchto částí obsahoval procesor ještě obvody

pro řízení datové sběrnice, pro řízení adresové sběrnice a obvody časování a řízení běhu

procesoru.

Procesor byl osmibitový, to znamená, že pracoval s údaji o šířce 8 bitů. Navenek komunikoval

obousměrnou datovou sběrnicí D0-D7. Směr komunikace určoval procesor podle toho, jestli

potřeboval číst data, nebo je zapisovat. Procesor dokázal adresovat 64 kB paměti (k tomu

sloužila adresová sběrnice s šestnácti signály A0-A15).

Z hlediska programátora jsou zajímavé právě pracovní registry B, C, D, E, H a L, akumulátor,

ve kterém se provádějí všechny aritmetické i logické instrukce, ukazatel zásobníku a registr

příznaků, který říká, jak dopadla poslední operace, a který slouží k podmíněným skokům

(například „skoč, pokud výsledkem předchozí operace je 0“).

Obvod 8080A se nejčastěji používal s dvojicí podpůrných obvodů 8224 a 8228. První

jmenovaný se staral o správné vytváření hodinových pulsů (8080A vyžaduje dva nepřekrývající

se hodinové pulsy) a synchronizaci signálů, druhý jmenovaný se staral o řízení sběrnice

a vytváření základních řídicích signálů /MEMR, /MEMW, /IOR a /IOW.

Signály /MEMR a /MEMW říkají, že procesor chce číst z paměti (MEMory Read) nebo do ní

zapisovat (MEMory Write). Signály IOR a IOW oznamují, že procesor chce číst nebo zapisovat

do obvodů pro vstup a výstup. Takovéto rozdělení umožňovalo využít celý prostor 64 kB pro

paměť, a další prostor 256 adres pro různé periferie (k nim se ještě dostaneme).

Po spuštění procesoru se většinou vnější obvody postaraly, aby ze všeho nejdřív přišel signál

RESET. Tento signál uvedl procesor do výchozího stavu, což technicky znamenalo především

nastavit čítač instrukcí (PC) do stavu 0000h. Pak začal procesor provádět instrukce.

První hodinový puls se nazýval FETCH a jeho úkolem bylo vyzvednout kód instrukce z paměti.

Řídicí logika v tomto cyklu přepne datovou sběrnici na vstup, na adresovou sběrnici pustí

hodnotu čítače instrukcí PC a aktivuje signál /MEMR – čtení z paměti. Kdesi venku, mimo

procesor, musí být připojená paměť, většinou EPROM nebo RAM, a v ní uložený program.

Paměť je připojena na adresovou i datovou sběrnici, a povolovací vstup /CE je připojen právě na

/MEMR. Když procesor tento signál aktivuje, paměť na výstup vystaví hodnotu, kterou má

uloženou na dané adrese – v tomto případě na adrese 0000. Technicky je to prostě jen

osmibitová hodnota, například D3h – binárně 11010011.

Procesor tuto hodnotu vidí na datových vstupech a uloží si ho do registru instrukcí. To je zase

náš známý osmibitový klopný obvod typu D. Na jeho výstupu je připojen velmi složitý

kombinační obvod, který z těchto osmi bitů pozná, co má udělat, a podle toho v dalších cyklech

aktivuje jednotlivé vnitřní komponenty. Například na vstupy ALU připojí akumulátor a některý

z pracovních registrů, na řídicí vstup ALU nastaví operaci „sečti“, a v dalším kroku uloží

výsledek opět do akumulátoru. U některých instrukcí si může vyžádat další čtení z paměti nebo

zápis do ní. Když vykoná procesor vše, co daná instrukce předepisuje, zvýší hodnotu PC o 1

a celý cyklus se opakuje. U některých instrukcí (skoky) se PC nezvyšuje, místo toho je do

tohoto registru zapsána nová hodnota.

Ready / Wait

Některé periferie, popřípadě pomalé paměti, vyžadují, aby procesor chvilku počkal, protože

nemají požadovaná data hned. V takovém případě uvedou vstup READY – tedy „připraveno“ –

do 0. Procesor z toho pozná, že data nejsou připravena, a čeká. Na adresní sběrnici je stále

vystavená adresa. Procesor čeká do té doby, než bude signál READY zase 1. Během čekání

uvede svůj výstup WAIT do 1, a tím oznamuje, že čeká na data. Jakmile má periferie data

připravená, pošle je na datovou sběrnici a uvolní signál READY zpět do log. 1. Procesor tím

vystoupí z čekací smyčky, přečte data a pokračuje dál v provádění instrukce.

Hold (DMA)

Procesor umožňuje některým periferním obvodům, aby převzaly kontrolu nad sběrnicí. Slouží

k tomu signál HOLD. Jakmile je aktivovaný, dokončí procesor aktuálně prováděný cyklus

a vstoupí do stavu HOLD. V tomto stavu se odpojí od adresové i datové sběrnice a aktivuje

výstup HLDA (HOLD Acknowledge). Jakmile je HLDA aktivní, může periferní obvod přebrat

řízení sběrnice. Nejčastější scénář použití stavu HOLD je při takzvaném přímém přístupu do

paměti (Direct Memory Access, DMA). Používá se ve chvíli, kdy některá rychlá periferie

(nejčastěji to bývaly disky, zvukové obvody nebo videoobvody) potřebuje zapisovat nebo číst

data. Speciální obvod (DMA Controller) obdržel např. informaci o tom, že periferie, například

disk, má připravená data k přenosu. Požádal procesor o přístup na sběrnici (HOLD), a jakmile

procesor potvrdil, že je odpojen, začal tento obvod číst data z periferie a zapisovat je do paměti

mnohem větší rychlostí, než by to dokázal samotný procesor.

Práce s takovým obvodem pak pro programátora vypadala tak, že do DMA Controlleru nastavil

adresu, kam se budou data zapisovat nebo odkud se budou číst, řekl, kolik dat očekává,

a oznámil periferii, že požaduje např. data z nějakého diskového sektoru. Pak pokračoval

v práci. Ve chvíli, kdy periferie měla data připravená, přenesl je výše popsaným způsobem

DMA Controller do paměti, a pak dal procesoru vědět, že je hotovo. Jakým způsobem? Třeba

přerušením!

Přerušení

Přerušení je velmi podstatný koncept v procesorovém světě. Jde o způsob, jakým dává okolí

vědět procesoru, že se stalo něco, na co je třeba bezprostředně zareagovat. Může to být

například informace o tom, že na klávesnici někdo stiskl klávesu, může to být signál, že přišla

data po sériové lince, nebo může jít o pravidelný hodinový signál. Může jít o naprogramovaný

signál typu „za 10 milisekund“, nebo může jít třeba o výše zmíněný signál od obvodu DMA.

U procesoru 8080 slouží k vyvolání přerušení vstup INT. Na konci každé instrukce procesor

testuje stav tohoto vstupu. Pokud je aktivní, pozná, že jde o přerušení. Pokud není přerušení

zakázáno (což může programátor zařídit speciální instrukcí), udělá to, že přečte jednu instrukci

z datové sběrnice, zakáže další přerušení a instrukci vykoná.

Tou jednou instrukcí bývala instrukce RST 0 až RST 7 – speciální obvod se staral o to, aby

různé požadavky na přerušení měly různé instrukce. Instrukce RST jsou vlastně zkrácené

instrukce volání podprogramu na adresách 0, 8, 10h, 18h, … 38h.

Pro jednoduché systémy šlo zařídit, aby vždy přerušení vyvolalo instrukci RST 7, tedy volání

podprogramu na adrese 0038h. Po příchodu požadavku na přerušení tedy procesor skočil do

podprogramu na adrese 0038h, tam musel programátor požadavek vhodně obsloužit, pak opět

přerušení povolit a vrátit se zpět do hlavního programu.

O toto jednoduché přerušení se staral obvod 8228, který při začátku přerušovacího cyklu

poslal na datovou sběrnici hodnotu FFh, což je operační kód instrukce RST 7.

Operace, cykly T a M

Po zapnutí napájení nebo po signálu RESET je procesor uveden do základního stavu. Je

zakázáno přerušení a do registru PC (šestnáctibitový ukazatel na instrukci) je uložena nula.

Ostatní registry mají obsah takový, jaký měly před RESETem (po zapnutí napájení tedy

náhodný).

Hodiny běží… Co se v procesoru děje?

Probíhá první strojový cyklus (zvaný M1). V tomto cyklu procesor pošle na adresovou sběrnici

obsah registru PC (teď to je 0), zvýší obsah tohoto registru o 1 a pošle požadavek „čtení

z paměti“ (MEMR). Systém okolo by se měl postarat, aby na tento požadavek odpověděla

paměť a poslala po datové sběrnici obsah na dané adrese. Mikroprocesor si tento obsah přečte,

uloží do registru instrukcí, dekóduje a provede požadovanou činnost. Někdy není potřeba žádný

dodatečný čas, jindy se například zapisuje do paměti nebo z ní čte, takže procesor zařadí některé

z cyklů M2, M3, M4, M5. Po dokončení instrukce se celý proces opakuje.

V případě, že instrukce vyžaduje nějaký parametr, následují cykly čtení z paměti. Instrukce

může jako parametr požadovat 1 nebo 2 bajty. Ty jsou načteny z adresy PC+1 a PC+2. PC je

zvýšen o 2 nebo 3. Instrukce je pak provedena (což si opět může vyžádat nějaké strojové cykly)

a po jejím dokončení se celý proces zase opakuje.

Strojový cyklus M1 se skládá ze čtyř nebo pěti taktů systémových hodin. Protože každá

instrukce obsahuje vždy cyklus M1, v němž je načtena a dekódována, tak je jasné, že

nejrychlejší instrukce zabere čtyři hodinové cykly (zapisuje se jako 4 T). Pokud běží hodiny na

frekvenci 2MHz, tak budou ty nejrychlejší instrukce prováděny s frekvencí 500kHz (tj. každá

bude trvat 2 mikrosekundy). Nejpomalejší instrukce zaberou 18 taktů (18 T). Informace o tom,

jak je která instrukce „dlouhá“ (tj. kolik T trvá procesoru, než ji zpracuje) je důležitá ve chvíli,

kdy je třeba optimalizovat kód a zrychlit jej.

5.2 Jak komunikovat s okolím?

Intel samo sebou, stejně jako další výrobci mikroprocesorů v té době, vyvinul i podpůrné

obvody, které více nebo méně sofistikovaně poskytovaly funkce, potřebné pro komunikaci

procesorového systému s okolním světem.

Čistý počítač sám o sobě totiž moc parády nenadělá. Mikroprocesor provádí program, uložený

v paměti, manipuluje s daty, uloženými tamtéž, a navenek je pozorovatelné pouze to, že systém

pálí elektřinu. To, co dělá z počítače užitečný stroj, je schopnost komunikovat s okolním světem.

Periferií může být velké množství, jak jsme si řekli už v kapitole o periferiích. Teď sestoupíme

o kousek níž a podíváme se, jak jsou připojeny.

Periferie se nejčastěji připojují na systémovou sběrnici, a to přes oddělovací obvody. Tyto

obvody se starají o to, aby ve správný čas byla na sběrnici připojena správná periferie správným

směrem. Nejjednodušší způsob, jak takové oddělení zařídit, bylo připojit k datové sběrnici

osmibitový jedno- či obousměrný budič s třístavovými výstupy. Na povolovací vstup pak stačilo

připojit dekódovanou adresu…

Dekodér adres

Velmi podstatná součást osmibitového systému je dekodér adres. Systém totiž většinou obsahuje

více druhů paměti (RAM, ROM) a různé periferie. Dekodér adres pak říká, na jaké adrese

v adresním prostoru je připojená jaká periferie či paměť.

Nejjednodušší případ nastává, když máme třeba v systému s procesorem 8080, který má

16bitovou adresní sběrnici, pouhé dva čipy paměti – jeden RAM, jeden ROM, oba 32 kB.

Můžeme je připojit vedle sebe jedna ku jedné a nejvyšší bit adresy (A15) použít jako

dekódovací: pokud bude 0, bude připojena ROM a odpojena RAM, pokud bude 1, bude

připojena naopak RAM a odpojena ROM.

Tím se ROM objeví pro procesor na adresách 0000 – 7FFFh, RAM na adresách 8000h – FFFFh.

Ovšem ne vždy je zapojení takto jednoduché. Často se používalo třeba dělení prostoru na

čtvrtiny, kdy v nejnižších 16 kB sídlila ROM, v následujících pak RAM, a většinou v blocích

(fyzických) po 16 kB. Bylo proto potřeba udělat dekodér 1-ze-4, na jehož vstupy se přiváděly

nejvyšší bity adresy A14, A15, a výstupy pak sloužily jako chip select pro jednotlivé fyzické

paměti.

Nejčastěji (alespoň v československých konstrukcích) se používal obvod 3205. Ten byl původně

navržený Intelem pro procesorovou řadu 3000. V Československu ho vyráběla Tesla, a proto se

používal. Alternativou byl obvod 74138 ze standardní řady TTL 74xx, popřípadě obvod 8205,

navržený právě pro řadu procesorů 8080. Ale výsledek byl shodný – tedy až na to, že 3205 měl

mnohem vyšší spotřebu.

Obvod 3205 má tři adresové vstupy A, B, C, tři povolovací vstupy /E1, /E2 a E3 a osm výstupů

/Y0 až /Y7 (někdy značených i /Q0 až /Q7). Výstupy jsou negované, aktivní v logické 0, což je

výhoda, protože zároveň většina periferních obvodů má povolovací vstupy aktivní v 0.

3205 se používal nejčastěji připojený na horní 2 nebo 3 bity adresní sběrnice procesoru, čímž

umožňoval rozdělit prostor na 4 či 8 částí. Povolovací vstupy se pak připojovaly k signálům

/MEMR, /MEMW apod., popřípadě se připojily k dalším bitům adresy, aby se ještě víc omezil

prostor…

Používal se rovněž pro periferie. Ty mají u procesoru 8080 adresu pouze osmibitovou. Pro

jednodušší sestavu s malým počtem periferií stačilo třeba použít systém „co adresní vodič, to

jedna periferie“ a použít takzvané neúplné dekódování adresy.

Neúplný dekodér fungoval např. tak, že se řeklo, že adresní vodič A0 vybírá periferii X a vodič

A1 vybírá periferii Y, obojí v log. 0. Na adrese FEh (1111 1110b) se pak, logicky, objevila

periferie X, periferie Y pak byla na adrese FDh (1111 1101b). Ovšem nejen tam. Periferie X se

objevovala i na všech možných adresách, které splňovaly pravidlo XXXX XX10b. Tedy na

adrese 02h, 06h, 0Ah, 0Eh, 12h, …

Co když byly oba bity, tedy A0 i A1, nulové? Co se stalo, když jste třeba četli z adresy 00h? Pak

došlo ke kolizi na sběrnici, obě periferie přistupovaly najednou a výsledek byl nepredikovatelný.

Proto bylo lepší používat úplnou adresaci, ale někdy, většinou z důvodů ekonomických, se na

dekodéru šetřilo, a pak bylo na programátorovi, aby použil takovou adresu, která s ničím

nekolidovala…

Paralelní port

Máme tedy procesor, paměti a dekodér adres. Vytvoření jednoduchého paralelního portu pak

není problém. Stačí vzít obvod typu „osmibitový klopný obvod D“, ideálně „s posíleným

výstupem“ a připojit jej na sběrnici. Hodinový vstup připojíte na dekódovanou adresu, a je to!

V praxi se používaly obvody 3212/8212, které jsou osmibitové, ale jednosměrné. Druhá

alternativa byla použít dva obvody 3216, které jsou sice jen čtyřbitové, zato obousměrné.

Paralelní port stačil pro většinu tehdejších periferií – pro klávesnici, pro zobrazovací jednotky

apod. Nevýhoda takto jednoduchého portu ale byla ta, že nenabízel žádný způsob řízení

komunikace, neumožňoval třeba vyvolat přerušení na vnější požadavek atd. Proto se používaly

složitější programovatelné obvody, jako například PPI 8255.

5.3 Vlastní počítač? Jak by mohl vypadat?

Ačkoli byl 8080 široce používaná „klasika“, pro novou konstrukci bych ho nedoporučil –

minimálně kvůli třem napájecím napětím. Sáhl bych po lehce rychlejším a vylepšeném

procesoru 8085, respektive jeho CMOS verzi 80C85 (vyrábělo hned několik výrobců). Procesor

8085 si vystačí s pouhým jedním napájecím napětím (standardních +5 voltů) a nepotřebuje

speciální obvody pro generování hodin (stačí mu obyčejný hodinový puls, nebo dokonce jen

připojit krystal s kondenzátory). Navíc má dva vývody pro sériový vstup a výstup a celkem pět

přerušovacích vstupů – kromě INTR ještě vstup TRAP (nemaskovatelné přerušení) a tři vstupy

RST (RST5.5, RST6.5 a RST7.5).

Ani 8085 nedokáže pracovat úplně bez vnějších obvodů: návrháři totiž kvůli nutnosti vejít se do

pouzdra se 40 vývody sáhli k takzvanému multiplexovanému adresování. Procesor má

vyvedených osm vyšších bitů adresy (A8-A15) a nižších 8 bitů se vede po datové sběrnici

(vývody AD0-AD7). Adresu posílá procesor nadvakrát. K řízení slouží signál ALE (Address

Latch Enable). Pokud je v log. 1, znamená to, že procesor posílá po AD0-AD7 dolních 8 bitů

adresy. Pokud je v log. 0, fungují tyto vývody jako datová sběrnice.

Návrhář systému proto musí zajistit vnější obvod (osmibitový latch), který se postará o to, aby

zachytil spodních 8 bitů adresy. Typicky lze použít třeba obvod 74573 (starší konstrukce

používaly např. dva obvody 7475).

5.4 Vývody 8085

5.5 Vnitřní struktura 8085

Obrázek 22: Architektura 8085

Na první pohled se od 8080A moc neliší – i 8085 má sadu registrů B, C, D, E, H, L, akumulátor

A, Stack pointer SP, programový čítač PC, ALU, řídicí obvody, řadič… Navíc proti 8080 je

rozšířena část řízení přerušení (o vstupy RST a TRAP), část sériového výstupu (SID, SOD)

a zabudovaný generátor hodin.

Dole je vidět zmíněné rozdělení adresní sběrnice na dvě části – samostatných 8 horních bitů

A15-A8, a multiplex pro spodních 8 bitů adresy / 8 bitů dat (AD7-AD0).

Řídicí signály mají následující funkce:

Signál Funkce

A8-A15

(výstup,

třístavový)

Horní část adresy. Během stavů HOLD, HALT a při RESETu je ve stavu vysoké impedance

AD0-AD7

(vstup/výstup,

třístavový)

Nižších osm bitů adresy, popřípadě datová sběrnice

ALE (výstup)

Address Latch Enable. Oznamuje, že na vývodech AD0-AD7 je nižší část adresy (1). Pokud je 0, znamená to, že AD0-AD7

funguje jako datová sběrnice

S0, S1

(výstupy)

Stavová informace. Spolu se signálem IO/M říká, jestli procesor čte instrukci, jestli čte / zapisuje data do paměti, jestli

komunikuje s periferií, jestli obsluhuje přerušení nebo že je zastaven. V jednoduchých konstrukcích se nepoužívají.

IO/M

(výstup)

Oznamuje, jestli procesor hodlá komunikovat s pamětí (0), nebo s periferiemi (1)

Signál Funkce

/RD (výstup,

třístavový)

Pokud je 0, procesor čte data z vnějšího zařízení (paměti, portu). Vnější zařízení musí požadovaná data poslat na datovou

sběrnici.

/WR (výstup,

třístavový)

Pokud je 0, procesor chce zapsat data, co poslal na datovou sběrnici, do portu nebo do paměti.

READY

(vstup)

V dobách, kdy paměti a periferie byly pomalejší než procesor, mohly poslat během cyklu čtení nebo zápisu signál „počkej,

než budou data připravena“. Slouží k tomu právě vstup READY. Pokud je 1, procesor jede na plný výkon. Pokud je 0,

procesor po nastavení signálu /RD či /WR počká, dokud nebude READY zase 1, pak teprve pokračuje dál. My ho klidně

připojíme na 1 a budeme věřit, že moderní paměti jsou dost rychlé…

HOLD

(vstup)

Normálně 0. Pokud je nastaven na 1, procesor dokončí nejnutnější operaci (cyklus čtení nebo zápisu) a odpojí svoji datovou

sběrnici, adresní sběrnici a signály /RD, /WR a IO/M. Odpojením mám na mysli přepnutí do stavu Z (vysoké impedance).

Jakmile je procesor odpojen, potvrdí, že je vše hotovo, signálem HLDA. Jednoduché systémy tento signál nepoužívají,

můžete jej připojit na log. 0

HLDA

(výstup)

Za normálního provozu 0. Pokud byl dán požadavek HOLD, tak se po dokončení nezbytných operací a odpojení sběrnic

tento signál nastaví do log. 1.

INTR (vstup)

Interrupt request, tedy Požadavek na přerušení. Procesor testuje stav tohoto signálu na konci každé instrukce a také ve stavu

HALT (po instrukci HLT) a HOLD. Pokud je 0, nic se neděje, pokud je 1, začne proces obsluhy přerušení. Procesor přečte

z datové sběrnice hodnotu a považuje ji za instrukci, kterou vykoná. Nejčastěji se posílají jednobytové instrukce RST, ale je

možné poslat i tříbytovou instrukci CALL. O poslání instrukce se musí postarat vnější obvody, takzvané řadiče přerušení.

Programem je možné zakázat vyvolání přerušení tímto signálem.

/INTA

(výstup)

Interrupt Acknowledge. Po příchodu požadavku přerušení INTR použije procesor výstup /INTA k načtení výše zmíněné

instrukce (namísto signálu /RD)

RST5.5, RST

6.5, RST 7.5

(vstupy)

Přímé vstupy přerušení. Fungují podobně jako signál INTR, ale nevyžadují celý ten opruz s načítáním instrukce pomocí

/INTA. Místo toho si samy interně zařídí skok na patřičná místa. Stejně jako INTR dokážou „probudit“ procesor ze stavu

HALT a HOLD. Programátor může tyto signály ignorovat pomocí speciální instrukce („maskování přerušení“)

TRAP (vstup) TRAP je podobný signálům RST x.5 s tím rozdílem, že toto přerušení nemůže programátor zamaskovat.

/RESET IN

(vstup,

Schmitt KO)

Vstup nulování. Po startu systému nebo při havárii by měly vnější obvody tento signál, který je normálně v log. 1, přepnout

do log. 0. Tím započne interní proces inicializace: procesor odpojí sběrnice, nastaví programový čítač na adresu 0000h,

ukončí všechny případné čekací cykly a začne pracovat „od začátku“. Tento vstup je vybavený Schmittovým klopným

obvodem, to znamená, že je možné k němu připojit přímo oblíbený obvod s rezistorem a kondenzátorem, který se postará

o RESET při zapnutí napájecího napětí.

RESET OUT

(výstup)

Indikuje, že je procesor ve stavu RESET. Tento signál je synchronizovaný s hodinami a můžete ho použít jako systémový

RESET pro zbytek systému.

X1, X2

(vstupy)

Slouží k připojení hodinového krystalu. Jeho frekvence je interně vydělena dvěma a výsledek dává systémový takt. Vstup X1

může být použit i jako vstup hodinového signálu z externího obvodu.

CLK (výstup)

Systémové hodiny. Jejich frekvence je poloviční proti frekvenci na vstupu X1 (tedy třeba proti frekvenci připojeného

krystalu)

SID (vstup) Sériový vstup. Hodnota na tomto vývodu je načtena do nejvyššího bitu akumulátoru pomocí instrukce RIM.

SOD (výstup) Sériový výstup. Hodnota na tomto vývodu je nastavena nebo nulována pomocí instrukce SIM.

Vcc Napájecí napětí. Nominálně 5 voltů, u CMOS verze může být někde mezi 3 V a 6 V.

GND Zem

V datasheetu (je jich spousta různých od různých výrobců, já bych doporučil datasheet od OKI,

jejich čip nesl název MSM80C85AH) najdete i velmi důležitý graf, který ukazuje průběhy

signálů na sběrnici. Podívejme se na něj spolu:

Obrázek 23: časování 8085

První řádek ukazuje hodinový signál. M1 je první strojový cyklus, T1 až T4 jsou jeho hodinové

takty. Při vyzvedávání instrukce tedy procesor řídí výstupy takto:

T1: Nastaví horní část adresy instrukce na výstupy A8-A15, dolní část na výstupy AD0-AD7,

a zároveň aktivuje signál ALE (Address Latch Enable). Tento signál řídí už zmíněný buffer

mimo procesor, jehož úkolem je zapamatovat si právě spodní část adresy. Zároveň nastavuje

signál IO/M do hodnoty 0, tedy „komunikace s pamětí“. Signály /RD a /WR jsou neaktivní,

stavové signály nás nemusí zajímat. Se sestupnou hranou hodin v čase T1 se deaktivuje signál

ALE a dolní část adresy zůstává zachycena v bufferu.

T2: Procesor přepíná signály AD0-AD7 na vstup dat a aktivuje signál /RD, což informuje okolní

systém, že procesor hodlá číst (/RD) z paměti (IO/M je v log. 0). Paměť je připojena ke sběrnici

a vybrána adresa.

T3: S náběžnou hranou hodin přečte procesor stav na datové sběrnici a začne jej vyhodnocovat

coby instrukci. Poté deaktivuje signál /RD, takže se paměť může opět odpojit.

T4: Procesor dekóduje instrukci.

Dejme tomu, že instrukce potřebuje jeden osmibitový parametr. Ten je uložen, jak bývá zvykem,

na následující adrese. Následuje tedy strojový cyklus M2, během něhož jsou čtena data

z paměti. Když se podíváte zase na schéma, vidíte, že je téměř totožný s cyklem M1, až na to, že

trvá pouhé tři takty – odpadá „dekódovací“ takt.

5.6 Přerušení

U 8085 k práci s přerušením slouží hned tři mechanismy.

První je identický jako u procesoru 8080 – vnější zařízení nastaví signál INTR, procesor si

přečte z řadiče přerušení jednu instrukci a vykoná ji. Nepřekvapivě jde o instrukce skoku do

podprogramu (pro programátory, zvyklé na vyšší jazyky: něco jako vyvolání handleru, volání

funkce atd.) O správné poslání instrukce se musí postarat vnější obvody, většinou specializované

obvody, nazývané řadiče přerušení.

U 8080 šlo tuto složitost zjednodušit pomocí obvodu 8228 – připojením jednoho z vývodů

(INTA) přes rezistor 1 K k napětí 12 voltů se z tohoto obvodu stal jednoduchý „řadič přerušení“,

který po příchodu požadavku na přerušení poslal na sběrnici hodnotu FFh, což je hodnota,

kterou si procesor dekóduje jako instrukci RST 7. (RST 7 uloží aktuální adresu na zásobník

a udělá odskok na adresu 0038h, ale o tom víc později). 8085 tuto vymoženost nemá, takže buď

použijete řadič přerušení, nebo si vystačíte s interními vstupy RSTx a TRAP.

Druhý způsob je použití vstupů RSTx. Jejich funkce je podobná té, co jsem popisoval u obvodu

8228 o odstavec výš – vygenerují si skokovou instrukci samy. Ono to není tak úplně doslova,

protože mechanismus je lehce jiný, ale princip je stejný.

Vstupy RST 5.5 a RST 6.5 (asi klidně můžeme říkat pět a půl a šest a půl) jsou, podobně jako

vstup INTR, pravidelně kontrolovány, a jsou-li ve stavu 1, procesor vyvolá přerušení.

Vstup RST 7.5 má, na rozdíl od předchozích, zabudovaný vnitřní klopný obvod, který reaguje

na vzestupnou hranu. Výhoda je, že stačí jen krátký signál a procesor si jej interně „podrží“ až

do doby, kdy testuje přerušovací vstupy.

Třetí způsob je signál TRAP. Všechny předchozí způsoby přerušení může programátor

zablokovat, „zamaskovat“ pomocí instrukce DI (Disable Interrupt) a povolit pomocí EI (Enable

Interrupt). Pokud jsou přerušení zakázána (DI), procesor signály INTR a RST ignoruje. TRAP je

výjimka, tento signál vyvolá přerušení i tehdy, když jsou zakázána. Proto se mu také říká

nemaskovatelné přerušení.

Co se stane, když přijde naráz víc požadavků na přerušení? Procesor má zabudovaný

jednoduchý mechanismus priorit, viz následující tabulka, a vykoná obslužnou rutinu pro

požadavek s nejvyšší prioritou.

Signál Priorita Adresa, kde je uložena obslužná rutina Vyvoláno pomocí…

TRAP Nejvyšší (1) 0024h Vzestupná hrana nebo log. 1 během testování

RST 7.5 2 003Ch Vzestupná hrana (pozdržená)

RST 6.5 3 0034h Log. 1 během testování

RST 5.5 4 002Ch Log. 1 během testování

INTR Nejnižší (5) Podle poslané instrukce Log. 1 během testování

https://8bt.cz/mag85

5.7 Zapojení centrální procesorové jednotky

Obrázek 24: Alpha CPU

Takto bude vypadat srdce celého počítače. Dovolte jen pár poznámek:

V roli adresového bufferu je obvod IC2 typu 74573 (ať už ve verzi HC, HCT nebo ALS).

Funkčně je shodný s obvodem 74373, až na jeden rozdíl: 373 má vývody přeházené, 573 má

hezky všechny vstupy na jedné straně pouzdra a výstupy na druhé. Hodinový vstup je připojen

na vývod ALE, povolovací vstup OE jsem připojil natvrdo k zemi. Mohl bych ho připojit na

vývod HLDA a zajistit tak odpojení adresní sběrnice ve stavu HOLD, ale tento stav nebude náš

počítač používat.

Nebudeme používat ani HOLD, ani READY, ani přerušení, proto jsou tyto vstupy připojeny na

neutrální úroveň (READY je 1 – stále připraveno, HOLD a přerušení na 0). Z výstupů jsem

nepoužil stavové S0, S1, výstup RESET OUT, a logicky ani HLDA a INTA. Stejně tak

nezapojené zůstalo i sériové rozhraní – vstup SID je připojen k zemi, výstup SOD je volný.

Můžete si k němu připojit LEDku přes rezistor a zkoušet si třeba bliknout…

Vlevo od procesoru jsou dva obvody. Níž je generátor hodinových pulsů s krystalem a dvěma

kondenzátory. Krystal jsem zvolil o frekvenci 3,6864 MHz. Proč? Proč ne 4 nebo, cojávím, 27?

Zaprvé – frekvence nesmí být nižší než 1 MHz. Píšou to v datasheetu. Zadruhé – neměla by být

vyšší než 10 MHz. To tam taky píšou. Ideální je někde okolo 4 MHz, protože procesor pak běží

na příjemně pomalé frekvenci okolo 2 MHz, tedy zhruba tak, jak běžela originální 8080A.

Proč ale 3,6864 MHz? No, protože pak bude procesor běžet na frekvenci 1,8432 MHz, tedy na

poloviční.

Dobře, ale proč ne třeba 4 MHz?

No protože 1843200 Hz / 16 = 115200 a 1843200 Hz / 64 = 28800. Už svítá? Správně, 115200

a 28800 jsou standardní frekvence pro sériovou komunikaci. Z frekvence 1,8432 MHz je

odvodíme bez problémů pomocí dělení celým číslem. Obvod ACIA 6850, který použijeme, umí

dělit buď 16, nebo 64 (nebo také jedničkou, ale to nechme stranou). Kdybychom chtěli tyto

frekvence získat třeba z 4 MHz, museli bychom hodiny dělit koeficientem např. 34,72 nebo

138,88, což moc dobře nejde, takže bychom museli volit nějaký blízký dělitel (asi 32 a 128)

a v přenosu by byly chyby. Takže tady raději oželím trochu výkonu, když vím, že mi to usnadní

další zapojování.

A poslední věc: kondenzátory u krystalu! Jsou důležité k tomu, aby krystal kmital na správné

frekvenci. Jejich kapacitu můžete buď spočítat, nebo vyčíst z datasheetu. Já z datasheetu vyčetl

56 pF, což se mi tedy zdálo jako obrovská kapacita. Nasadil jsem 33 pF, a i to bylo moc.

Nakonec jsem nechal jen jeden kondenzátor 33 pF u vstupu X2. Pak se ukázalo, že 56 pF bylo

z datasheetu CMOS verze a já měl použitou NMOS, kde se doporučují při těchto frekvencích

kapacity okolo 7 pF.

Nad generátorem hodin je obvod pro /RESET. Pomocí kondenzátoru k zemi a rezistoru

k napájecímu napětí je po zapnutí napájení na vstupu /RESET IN logická 0, dokud se

kondenzátor pomalu nenabije. Vhodný poměr odporu a kapacity si můžete buď spočítat, nebo

experimentálně vyzkoušet. Myslím, že rezistorem 10 K a kondenzátorem 10 M nic nezkazíte.

Dejte systému trochu času na start, protože po zapnutí napájení ještě chvíli napětí kolísá. Díky

tomuto triku je v tu dobu procesor stále ve stavu RESET, a když nastartuje, je napětí už ustálené.

Ještě víc vlevo je tlačítko, které připojuje vstup na zem. Je to magické tlačítko RESET, které náš

počítač přivede k rozumu, pokud se náhodou někdy zapomene a skončí třeba v nekonečné

smyčce. Díky kondenzátoru jsou odfiltrované i zákmity…

Procesor tedy máme pořešený. S okolním světem komunikuje pomocí adresní sběrnice, datové

sběrnice, signálů IO/M, /RD, /WR a hodinového signálu CLK. To je opravdu všechno, víc není

pro jednoduchý počítač potřeba.

5.8 Zapojení pamětí RAM a ROM

Samotný procesorový obvod, jak jsme si ho navrhli v minulé kapitole, k ničemu není.

Respektive – můžete ho zapojit, připojit datovou sběrnici přes rezistory (třeba 10k) na zem

a sledovat, jak se na nejvyšším bitu adresy (A15) mění 1 a 0, protože procesor stále dokola čte

celou paměť od 0000 do FFFFh, všude najde operační kód 00 (to jsou ty rezistory připojené

k zemi), ten znamená „nedělej nic a načti další instrukci“, takže se obsah registru PC (Program

Counter) zvýší o 1 a celý cyklus se opakuje. Když si k A15 připojíte LEDku přes rezistor, měla

by bliknout cca 7x za sekundu. To znamená, že celý paměťový rozsah zvládne na dané frekvenci

projít procesor za sekundu sedmkrát.

Právě jste stvořili úžasný 16bitový čítač. Ale to asi nebude to, co chceme. Musíme zajistit, aby

procesor měl co vykonávat. Musíme mu dát paměť, kde bude program a data.

Procesor po spuštění nemá žádný mechanismus, jak třeba vzít program odněkud odjinud

a nahrát ho do paměti. O to se musíte postarat sami. A nejčastější způsob je ten, že použijete

paměť ROM (spíš EPROM či EEPROM / FLASH), v níž je uložený nějaký základní ovládací

program.

Tím programem byl nejdřív takzvaný bootstrap, tedy krátký program (512 byte třeba), který

dokázal načíst data třeba z pásky, ze čtečky karet, z pevného disku, zkrátka odněkud, nahrát je

do paměti a spustit. S podobným postupem se můžeme setkat třeba u Arduina: zde je

v procesoru uložený bootstrap loader, který čeká, jestli náhodou počítač neposílá nějaká

(přesně daná) data. Pokud ano, přepne se do programovacího módu a nahraje přicházející data

do paměti.

Později se z bootstrapu stal Monitor. Monitor byl už o něco větší program, který už

komunikoval s obsluhou a uměl provést jednoduché příkazy, např. pro prohlížení paměti, její

změnu, načtení programu z externích pamětí a jeho spuštění. Pokud pamatujete na počítač

PMD-85 v první verzi, tak se po zapnutí ohlásil právě monitor. Vy jste pomocí MGLD mohli

nahrát do paměti něco z magnetofonu, spustit to pomocí JUMP, nebo z externího rom packu

stáhnout a spustit BASIC G

U některých počítačů, většinou domácích, už se monitor ani nepoužíval, už startoval rovnou

vyšší jazyk (BASIC).

Profesionální počítače, určené třeba pro práci s CP/M, se zase pomalu vrátily k malým

obslužným programům. Neříkalo se jim bootstrap, na to byly příliš velké, a ani Monitor,

protože nekomunikovaly s obsluhou. Ujala se zkratka BIOS podle jedné ze základních částí

CP/M (Basic Input Output System). BIOS je spíš kolekce rutin a programů, která ovládá

hardware konkrétního počítače. Systém nemusí řešit, kde přesně a jak je připojen disk, to ví

právě rutina v BIOSu. Po startu se spustí CP/M loader právě z BIOSu.

U jednodeskových počítačů se používal model „Monitor“. Takový monitor se vešel i do 1 kB

ROM. K tomu nabídl jednodeskáč třeba 1 kB RAM, a bylo!

Chtěl jsem dodržet ducha doby, ale na rovinu přiznávám, že tehdejší paměti, třeba 2 kB EPROM

a 1 kB SRAM, jsou už dnes dílem nesehnatelné, dílem sice sehnatelné, ale zato se s nimi

mizerně pracuje… Opravdu vás nechci nutit shánět ultrafialovou mazačku EPROM!

Proto nepoužijeme EPROM, použijeme EEPROM, tu můžeme vymazat jednodušeji.

I naprogramovat…

5.9 Budič sběrnice

Ale ještě předtím by bylo fajn udělat jednu úpravu. Totiž posílit a oddělit datovou sběrnici.

Procesory obecně nemají příliš silné výstupní obvody, a když na datovou sběrnici připojíte víc

obvodů, přetížíte ji. Se dvěma paměťovými obvody, obvodem ACIA a bufferem na adresu

budeme už na hraně. Proto před tím, než budeme cokoli přidávat, připojíme posilovač.

Mimochodem: Pravidlo pro nízkou spotřebu a malé zatížení sběrnice zní: Používat CMOS kde

to jde. Vyhněte se obvodům TTL (74, 74LS, 74ALS apod.) a hledejte CMOS verze (74HC,

74HCT, 74ACT). Totéž platí i pro periferní obvody – například dále probíraný obvod PIO

8255 lze sehnat i v CMOS verzi 82C55, která má nižší spotřebu a téměř nezatěžuje sběrnici.

CMOS verze bývají většinou plně kompatibilní se svojí předlohou, občas bývají mírně

vylepšené…

Použijeme obvod 74HCT245, což je osmice obousměrných bufferů a budičů. Vstupem DIR se

určuje směr toku dat (0 = z B do A, 1= z A do B), vstupem G se přepíná obvod do stavu vysoké

impedance (pokud je vstup G=1, je obvod odpojen a výstupy A i B ve stavu vysoké impedance).

Spojil jsem vstup G se signálem ALE, díky tomu je ve chvíli, kdy procesor na sběrnici posílá

spodní část adresy, obvod odpojen a neruší. Takže kdyby nějaký periferní obvod chtěl posílat

data ve chvíli, kdy procesor řeší latchování nižší části adresy (ALE=1), je datová sběrnice

oddělená.

Obrázek 25: Alpha, budič sběrnice

Díky tomuto zapojení jsou k datové sběrnici připojeny maximálně dva obvody, a díky signálu

ALE jsou zapojeny „proti sobě“, tedy vždy je aktivní jen jeden z nich. Celá „procesorová“ část

vypadá tedy takto:

Obrázek 26: Alpha, procesor s budičem

5.10 (EEP)ROM

Já vím, není to nic úplně jednoduchého, co by se vám válelo doma, ale doporučuji buď koupit

programátor pamětí EEPROM, nebo si ho postavit z Arduino MEGA. Není potřeba vymýšlet

kolo, návody už existují a většinou stačí jen propojit vývody z MEGY s vývody paměti. Já to

dělám zrovna tak, použiju nepájivé kontaktní pole, to propojím s Arduinem Mega, do pole pak

zasouvám paměti a programuju jako po másle.

https://8bt.cz/eeprog

Použijeme EEPROM o velikosti 32 kB. Tyto paměti se vyrábějí pod označením 28C256 (podle

výrobce např. AT28C256). Jsou dobře dostupné a mají i vhodné pouzdro DIP.

Obrázek 27: Zapojení 28C256

Datové vývody D0-D7 není třeba představovat. A0 až A14 je naše známá sběrnice s adresou

(15 bitů = 32 kB) a tři signály slouží k ovládání paměti. /WE povoluje zápis (my ho v systému

připojíme natvrdo k log. 1 a tím zápis zakážeme – paměť naprogramujeme v programátoru.) /CE

(Chip Enable) říká paměti, že má reagovat na pokyny – pokud je 0, paměť reaguje, pokud 1,

paměť se odpojí. A konečně /OE (Output Enable) povoluje čtení z paměti, tzn. že na výstupech

IO0-IO7 je vystavena hodnota, uložená v paměti na adrese dané adresovými vstupy.

No jo, ale co když budeme potřebovat třeba jen 8 kB ROM? V takovém případě zkrátka

připojíte vstupy A13 a A14 na log. 0 (zem), a v paměti budou tři čtvrtiny prostoru nevyužité.

Takový způsob zapojení se někdy používá i záměrně – v jedné paměti máte např. čtyři

alternativní firmwary, a buď pomocí mechanických přepínačů, nebo pomocí nějaké vnitřní

logiky, si můžete volit, který firmware chcete použít. (I některé počítače to tak měly –

vzpomínáte na ZX Spectrum 128 a jeho dva BASICy?)

5.11 RAM

Paměť RAM použijeme typu 62256. Její vývody jsou rozložené takto:

Letmým pohledem zjistíme, že jsou obě paměti zapojeny naprosto stejně! Až na určité rozdíly

ve značení. Místo /CE (Chip Enable) je signál /CS (Chip Select), ale význam je stejný.

5.12 Paměťový subsystém a adresace

Máme tedy dva kusy paměti, každý s velikostí 32 kB, a jeden procesor s adresním prostorem

64 kB. Úplně se nabízí rozdělit dostupný prostor na dvě poloviny, jedna bude od 0 do 32767,

druhá od 32768 do 65535, v jedné bude ROM, ve druhé RAM. Otázka pro bystré hlavy: Kde

bude která paměť?

Odpověď se skrývá v předchozích odstavcích: procesor po RESETU začne provádět program od

adresy 0000h, takže na téhle adrese by měla být ROM. Ergo ROM bude na adresách 0000h –

7FFFh, RAM na adresách 8000h – FFFFh.

A teď: jak budeme připojovat? Oba obvody připojíme naprosto stejně: datovou sběrnici na

datovou sběrnici procesoru, adresovací signály A0 až A14 na odpovídající vývody procesoru.

Vývod A15 z procesoru necháme zatím stranou, ten použijeme později.

Signál /OE (Output Enable) připojíme na signál /RD. Připomeňme si: Signálem /RD říká

procesor, že bude číst. Vstup /OE u paměti slouží k tomu, že povolí výstup uložených informací

na datovou sběrnici. To je vlastně přesně to, co potřebujeme: když chce procesor číst, pošle

signál /RD, a ten „otevře“ výstup naší paměti.

Analogicky připojíme vstup /WE (Write Enable) u paměti RAM k signálu /WR u procesoru. Jen

u RAM, u EEPROM ne. Asi nechceme, aby náhodná chyba v programu přepisovala obsah

paměti EEPROM…

Obrázek 28: Alpha, zapojení pamětí

Poslední vstup, který zbývá, je Chip Select (/CS, u RAM značen jako /CE, ale funkce je stejná).

To je „univerzální povolovací vstup“. Pokud je neaktivní (log. 1), tak paměť ignoruje vše, co se

na ostatních vývodech děje. Pokud je aktivní (log. 0), vykonává operace čtení a zápisu podle

výše popsaných signálů.

Protože jsme spojili paralelně datové výstupy obou pamětí, bylo by fajn nějak zajistit, aby

v jeden okamžik posílala svoje informace jen jedna paměť. Která? No to záleží na stavu vodiče

A15.

Vodič A15 je v log. 0 tehdy, když procesor přistupuje na adresy 0000h – 7FFFH, v log. 1 pokud

přistupuje na horní polovinu prostoru. Pokud je tedy A15 = 0, měla by být vybrána paměť

EEPROM, pokud je A15 = 1, měla by být vybrána paměť RAM.

Ovšem ne vždy! Jen tehdy, když procesor přistupuje k paměti! Vzpomeňte si – k tomu slouží

signál IO/M. Pokud procesor chce přistupovat k paměti, je tento signál v log. 0.

Tedy shrnuto:

Stav /CE …pokud je

/CE u paměti EEPROM (/ROMCS) aktivní (0) A15 = 0 a zároveň IO/M = 0

/CE u paměti RAM (/RAMCS) aktivní (0) A15 = 1 a zároveň IO/M = 0

Pro paměť EEPROM jde tedy o logickou funkci A15 OR IO/M, pro paměť RAM to je (NOT

A15) OR IO/M. Abychom zbytečně nepoužívali hradla OR a NOT, použijeme jedno pouzdro

74HCT00 – tedy 4 x NAND, a to takto:

/ROMCS = (NOT A15) NAND (NOT IO/M)

/RAMCS = A15 NAND (NOT IO/M)

Jedno hradlo bude invertovat IO/M, druhé bude invertovat A15, třetí vytvoří signál /ROMCS,

čtvrté /RAMCS.

A máme to! Kompletní schéma je zde:

Obrázek 29: Alpha, paměti a dekodér

Můžete si zkusit vytvořit první program, nahrát si ho do EEPROM a nechat blikat LEDku na

výstupu SOD.

Důležité upozornění: Pokud nevíte, jak na to, a slova „assembler“ a „stroják“ vám nic neříkají,

nalistujte si prosím v druhé části knihy kapitolu „Programování v assembleru 8080“

5.13 Oživení zapojeného počítače

Můj kolega Marcel, programátor, občas říkal: „Mám to hotové, teď už to jen naprogramuju…”

Při stavbě Alphy jsme se dostali do stejného bodu: Máme ji hotovou, teď už ji jen postavit!

Dovolte mi pár poznámek a rad ke stavbě, které se budou hodit, ať už zvolíte cestu nepájivého

pole, ovíjení, nebo plošného spoje (na webu naleznete odkaz, kde je možné stáhnout podklady

pro jejich výrobu, a to jak ve formátu pro CAD Eagle, tak i ve formátu Gerber, s nímž umí

pracovat všichni výrobci plošných spojů).

Sám jsem postavil několik prototypů tohoto počítače, udělal jsem spoustu chyb a dopustil se

několika omylů. Teď se s vámi o ně podělím, abyste nemuseli prošlapávat už prošlapanou cestu.

Já jsem, poměrně sebevědomě, nechal vyrobit první plošný spoj. Bohužel stalo se přesně to, co

zná každý autor: po nějakém čase vlastní chyby nevidíme. A tak jsem přehlédl, že u paměti jsou

dva adresní vývody spojené (A6 jsem pojmenoval jako A5 a Eagle jej spojil s reálným A5) a že

místo /RD zapojuju /WR. To se holt stane. Nebo že prohodím RAM a EEPROM. Ony jsou oba

ty obvody stejné, jen u jednoho je zápis připojen na /WR a u druhého neaktivní. A ten první je

vybrán přes /RAMCS, druhý přes /ROMCS. A pak je holt prohodíte. Nevidíte to v tom

schématu a nevidíte, dokud si to celé neproměříte a neřeknete si: „*****!“

Když jsem všechny tyhle chyby napravil, nevhodné spoje proškrábl a chybějící připájel, tak

jsem zjistil, že to už tak trochu funguje, ale vůbec ne tak, jak by mělo. Jako by to provedlo pár

instrukcí, a pak se to zbláznilo… Pomocí analyzátoru jsem sledoval, co se děje na sběrnici, stále

dokola, přemýšlel, uvažoval, hledal… Vypadalo to na chybu v EEPROM – ale ta byla

naprogramovaná správně. Proměřoval jsem patici, jestli jsou všechny signály v pořádku –

a byly! V zoufalství jsem analyzoval znovu a znovu, až jsem při jednom pokusu zapojil sondy

na nožičky EEPROM místo na vývody adresového latche. Najednou se ukázalo, že A5 „visí ve

vzduchu“. A při bližším zkoumání se podezření potvrdilo: na patici signál byl, na nožičce ne,

protože příslušný pin v patici byl nějaký „vymletý“ a neměl kontakt s vývodem. Po lehkém

přiohnutí začalo vše fungovat, jak mělo.

Ostatně i u druhého prototypu, u opraveného plošného spoje, jsem čelil podobné chybě. Ale

nakonec se ukázalo, že při pájení patice do desky jsem vynechal jeden pin. Chybka, co mě stála

dvacet minut hledání.

Ono věřit, že sestavíte vše podle schématu, zapnete a bude to fungovat, je docela odvážné.

Většinou to tak není. Většinou uděláte i při pečlivé práci chybu, buď při návrhu, nebo při

sestavování. Proto je dobré postupovat po částech a hned si ověřovat, jestli vše funguje.

Já začínám připájením patic pro integrované obvody, pak připájím napájecí konektor, piny

a další „mechanické“ součástky. Pak proměřím napájecí vedení – jestli je zem všude tam, kde

podle schématu má být, jestli je napájecí napětí také všude tam, kde má být, a hlavně: jestli mezi

zemí a napájecím napětím není zkrat. Na to mi stačí obyčejný multimetr se zvukovou

signalizací.

V druhé fázi proměřuju sběrnice. Jednu sondu zabodnu do patice datového budiče v místě D0

a měřím: D0 u RAM, D0 u ROM, D0 u sériového obvodu, D0 u PPI. Posunu o jeden pin

a pokračuju s D1 u všech obvodů. Pak si ještě překontroluju, jestli AD0 až AD7 vede od

procesoru k latchi a k budiči. Pak proměřím A0 až A7 mezi latchem, paměťmi a dekodérem.

Pak A8 až A15. Pak jen rychle proměřím ALE, /RD a /WR. A když toto všechno funguje,

pokračuju dál.

Zapájím krystal a kondenzátor. Osadím procesor do patice a poprvé zapnu. Je mi jedno, co bude

dělat, důležité je, jestli generuje správně hodinové signály. To si proměřím na výstupu CLOCK,

nejlépe osciloskopem nebo logickým analyzátorem. Voltmetr ukáže na tomto výstupu něco

kolem 2,5 V – to zhruba odpovídá střídavému signálu se střídou 1:1. Jakmile se ukáže, že vše

kmitá, můžeme pokračovat dál. Ještě si pro jistotu zkontrolujte, jestli obvod pro RESET funguje

správně (a zase pomůže logický analyzátor).

Můžete osadit adresní latch 574, budič 245, obvod NAND 7400, který generuje systémové

signály, a můžete osadit i EEPROM. Když si do ní nahrajete jednoduchý „SOD BLINK“

program bez použití podprogramů, tak i bez zapojené RAM dokážete otestovat, že vše funguje,

že procesor správně čte instrukce a provádí je. (Testovací program si připravíme v další

kapitole.)

V dalším kroku připojte RAM a sériový komunikační obvod (vysvětlíme si později). Díky tomu

můžete už komunikovat s Alphou přes sériové rozhraní z PC. Poslední krok pak bude paralelní

rozhraní a další periferie. Ale k nim se ještě dostaneme.

5.14 První program (pro pokročilé)

Když už víte, jak se takový procesor 8085 programuje, můžeme zkusit naši konstrukci oživit.

Programy budeme psát v assembleru 8085 – pokud nevíte, jak tento jazyk funguje, přeskočte

na další část knihy a pak se sem zase můžete vrátit…

Nejjednodušší program bude obligátní „blikání LEDkou“. Po pravdě řečeno – zatím nemáme

moc jiných způsobů, jak se přesvědčit, že systém funguje, kromě zmíněného připojení rezistorů

k datové sběrnici, simulace instrukce NOP a sledování změn na adresové sběrnici. Ale máme

LED na výstupu SOD!

Zapojte tedy obě paměti k procesoru a zkusíme si naprogramovat první program. Bude to nějak

takto:

inicializace();

while(true) {

SOD = 1;

delay();

SOD = 0;

delay();

}

A máme to, rachota skončila, můžeme pokračovat…

Vlastně ne, teď to teprve začne. Musíme tohle všechno naprogramovat v assembleru. Začneme

inicializací.

.org 0 ; inicializace()

RESET: DI

LXI SP, 0000h

Nejprve řekneme assembleru, že program bude začínat na adrese 0. U procesoru 8080 / 8085 to

tak je, že nula je výchozí bod procesoru po spuštění. Bývá dobrým zvykem si tento bod nějak

pojmenovat – třeba návěštím RESET.

První instrukce je DI. Ta zakáže přerušení. Náš systém sice přerušení nepoužívá, ale je rozumné

na začátku práce, než jsou nastavené všechny potřebné věci, zakázat přerušení. Kdyby nějaké

přišlo dřív, než je nastavený například ukazatel zásobníku, systém by zhavaroval.

Další instrukce nastaví ukazatel zásobníku na konec paměti RAM. Ta u Alphy zabírá paměťový

prostor 8000h – FFFFh. Takže nastavíme SP na hodnotu „o jedna vyšší než poslední volná

adresa“ – tedy FFFFh+1 = 0000h. Instrukce LXI SP poslouží výborně.

Po této inicializaci máme procesor připravený na práci. Nemusíme inicializovat nic víc – ostatně

v našem systému nic víc není. Můžeme tedy napsat tu smyčku:

LOOP:

MVI A, 11000000b

SIM

CALL DELAY

MVI A, 01000000b

SIM

CALL DELAY

JMP LOOP

Nejprve nastavujeme SOD na 1. K tomu slouží instrukce SIM. Připomeňme si: tato instrukce

vezme hodnotu v registru A a podle ní nastaví SOD a masku přerušení (ta nás teď nezajímá).

Pro nastavení musí být druhý nejvyšší bit (D6) roven 1. Pokud tomu tak je, procesor pošle

hodnotu nejvyššího bitu (D7) na výstup SOD.

Následuje volání čekací smyčky. Tu zatím neřešíme, ta bude „někde, nějak, později“. Prostě jen

skočíme na adresu, kde bude čekací rutina, a ta se pomocí instrukce RET zase vrátí zpátky.

Následuje analogicky nastavení SOD na hodnotu 0, opět volání čekací rutiny, a po ní skok zase

na začátek celého procesu.

Tím je jádro programu hotové. Jak na tu čekací smyčku?

K čekání se mohou použít různé způsoby. Například instrukce NOP – zabere 4 takty, což

u našeho systému představuje zhruba 2,17 mikrosekund. Pokud jich použijeme tisíc, bude to

2,17 milisekund, pokud sto tisíc, bude to 217 milisekund, tedy skoro čtvrt sekundy. To by šlo

použít.

Teda, šlo, kdybychom mohli do paměti uložit sto tisíc instrukcí. Nemůžeme. 32768 je

maximum. Co s tím?

Opět použijeme smyčku. Prázdnou, uvnitř se nebude dít nic. Jen budeme odečítat od zadané

hodnoty k nule, a až dojdeme k té nule, smyčka skončí. Nějak takto:

delay() {

unsigned int d = KONSTANTA

do {

d--;

} while (d!=0)

}

Použijeme dvojici registrů D, E. Do ní si uložíme časovací konstantu, a pak budeme jen ve

smyčce snižovat hodnotu DE o 1 a kontrolovat, jestli je výsledek 0. Pokud ano, tak skončíme,

pokud ne, točíme se znovu.

DELAY:

LXI D, KONSTANTA

DLOOP:

DCX D

MOV A,D

ORA E

JNZ DLOOP

RET

Smyčka DLOOP začíná snížením hodnoty ve dvojici registrů D a E – DCX D. Teď musíme

zkontrolovat, jestli je výsledek 0. Bohužel (šestnáctibitová) instrukce DCX nenastaví příznak

zero (to dělají jen instrukce osmibitové). Použije se opět trik, totiž logický součet (OR) hodnot

v registrech D a E. Výsledek bude 0, pokud D i E budou nulové. A protože nemáme takto

obecnou instrukci, musíme si nejprve hodnotu z jednoho registru zkopírovat do akumulátoru

a pak udělat OR s druhým registrem. Instrukce ORA podle výsledku nastaví příznak Z a my

tedy můžeme podle toho skákat – instrukcí JNZ, což je vlastně JUMP if NOT ZERO.

A teď otázka za sto bodů: Jak dlouho ta smyčka bude probíhat? Jasně, záleží to na té konstantě

a bude to přímo úměrné. Ale kolik to bude? Dalo by se to spočítat?

Inu, dalo. Vezměte si k ruce tabulku s instrukcemi a jejich trváním (dám ji do přílohy, nebojte)

a napište si, kolik která instrukce zabere taktů:

DELAY:

LXI D, KONSTANTA ; 10 T

DLOOP:

DCX D ; 6 T

MOV A,D ; 4 T

ORA E ; 4 T

JNZ DLOOP ; 10 T / 7 T – 10 pokud se skáče, 7 pokud se neskáče

RET ; 10 T

Pokud bude konstanta = 1, proběhne tento cyklus přesně jednou. Zabere to tedy 10 + {6 + 4 + 4

+ 7} + 10 = 41 T

Pokud bude konstanta = 2, proběhne tento cyklus takto:

10 + {6 + 4 + 4 + 10} + {6 + 4 + 4 + 7} + 10 = 65 T

Pokud bude konstanta = 3, poběží následujícím způsobem:

10 + {6 + 4 + 4 + 10} + {6 + 4 + 4 + 10} + {6 + 4 + 4 + 7} + 10 = 89 T

Je tedy vidět, že základní čekací doba je 41 T, a pokud zvýšíme konstantu o 1, zvýší to čekání

o 24 T. Vzorec tedy je:

T = 41 + (N – 1) x 24

a z toho: N = (T – 41) / 24 + 1

Pokud bude konstanta rovna 100, bude čekání 41 + 99 x 24 = 2417 T.

Je to logické. První a poslední instrukce (LXI, RET) proběhnou vždy jen jednou (20T). Vnitřní

smyčka jsou čtyři instrukce, a doba jejich provádění se liší podle toho, jestli už se dosáhlo nuly.

Pokud ne, tak instrukce JNZ skáče a trvá 10T. Pokud ano, instrukce JNZ neskáče a trvá jen 7T.

Průchod smyčkou tedy trvá 24T (6 + 4 + 4 + 10), pokud jde o poslední průchod, tak pouze 21T.

Vzorec můžeme samozřejmě zapsat jako T = 24 x N + 17

Co se stane, když bude konstanta rovna 0? No, hned první DCX D odečte jedničku od 0000h,

operace přeteče a výsledek bude FFFFh. Smyčka se tedy vykoná nikoli nula krát, ale 65536krát!

Kolik vlastně taktů potřebujeme takto „propálit“, aby bylo zpoždění třeba půl sekundy? Víme,

že procesor pracuje s taktem 1,8432 MHz, to znamená, že za sekundu vykoná 1 843 200 taktů.

Na půlsekundové zpoždění tedy potřebujeme polovinu, ergo 921600 taktů. Zanedbáme takty,

které zabere volání podprogramu instrukcí CALL, časování není zde úplně kritické.

Magická konstanta N bude tedy:

N = (921600 – 41) / 24 + 1 = 38399 (zaokrouhleně)

A co kdybychom chtěli blikat ještě pomaleji, třeba se sekundovými čekacími smyčkami? No, je

to prosté, použijeme dvojnásobnou konstan… aha! Dvojnásobná hodnota je 76798, a to se nám

do registrů nevejde. Tak zavoláme půlsekundové čekání dvakrát!

Anebo – co když do smyčky mezi DCX D a MOV naházíme několik NOPů? Třeba pět:

DELAY: LXI D, KONSTANTA ; 10 T

DLOOP: DCX D ; 6 T

NOP ; 4 T

MOV A,D ; 4 T

ORA E ; 4 T

JNZ DLOOP ; 10 T / 7 T

RET ; 10 T

Pět NOPů, každý po 4T, to máme 20 T. O tuto hodnotu se zvýší čas nutný k průchodu smyčkou.

Vzorec se tedy změní na:

T = 61 + (N - 1) x 44

Půlsekundové zpoždění s touto rutinou bude vyžadovat konstantu 20945, sekundové pak 41890.

Platíme za to tím, že program zabere v paměti víc místa.

Všimli jste si drobné nevýhody celé rutiny? Pracuje s registry D, E a A. Co když ale v A jsou

nějaké informace, které chceme zachovat? Pak nezbývá než použít PUSH PSW a POP PSW,

tedy uložit registr A a opět ho obnovit.

5.15 Překlad a spuštění

https://www.asm80.com/

Program máme napsaný, teď nastal čas ho přeložit. Spusťte si ASM80 a kliknutím na New file

založte nový soubor. Do něj napište výše uvedené příkazy. Uložte jej pod názvem test.a80 –

přípona .a80 je důležitá, podle ní překladač pozná, že jde o program pro procesor 8080/8085).

Klikněte na Compile.

V seznamu souborů vlevo se objeví dva nové soubory: test.a80.lst a test.a80.hex. První je výpis

programu včetně operačních kódů a umístění v paměti, takzvaný listing:

0000 .ORG 0

0000 ; inicializace()

0000 F3 RESET: DI

0001 31 FF FF LXI SP,0000h

0004 LOOP:

0004 3E C0 MVI A,11000000b

0006 30 SIM

0007 CD 13 00 CALL DELAY

000A 3E 40 MVI A,01000000b

000C 30 SIM

000D CD 13 00 CALL DELAY

0010 C3 04 00 JMP LOOP

0013 WAIT: EQU 38399

0013 DELAY:

0013 11 FF 95 LXI D,WAIT

0016 1B DLOOP: DCX D

0017 7A MOV A,D

0018 B3 ORA E

0019 C2 16 00 JNZ DLOOP

001C C9 RET

Druhý (HEX) je kód, určený k naprogramování paměti. Stáhněte si jej (pravý klik na název,

Download) a použijte k nahrání do paměti EEPROM. Konkrétní postup se liší podle zvoleného

programátoru.

Paměť zapojte zpátky do systému a zapněte napájení. Pokud jste neudělali při zapojení nikde

chybu, měla by dioda po chvilce blikat s frekvencí 1 Hz. Úvodní prodleva je dána velikostí RC

článku na vstupu RESET.

Funguje? Gratuluji, právě jste si postavili vlastníma rukama osmibitový počítač

a naprogramovali ho!

Námět na cvičení: Tato úloha by šla přepsat tak, aby nevyžadovala paměť RAM. Konstrukci

tak můžete oživit jen s třemi IO: procesor, adresový latch a paměť ROM. Stačí místo volání

podprogramu (CALL) zkopírovat čekací rutinu na dané místo. Dvakrát.

5.16 Sériová komunikace

Gratuluji ke zprovoznění počítače. Jen je trošku hloupé, že počítač vlastně umí dělat jen to, co

mu vypálíte do EEPROM, a nemůžete s ním nijak komunikovat. To teď napravíme. Přidáme

první vstupně – výstupní obvod, totiž sériové rozhraní.

Použijeme obvod 6850, přesněji verzi 68B50 (verze B umí pracovat i na frekvenci 2 MHz).

Jedná se o obvod, označovaný ACIA – Asynchronous Communications Interface Adapter. Pod

slovy „asynchronní komunikační rozhraní“ je trochu cudně skryto, že jde o standardní sériové

rozhraní, jaké známe z „COM portů“ a dalších sériových portů na počítači. My k jeho výstupům

připojíme nějaký převodník USB-to-Serial, a tím získáme možnost komunikovat s Alphou přes

terminálový program z počítače.

Při testech se ukázalo, že i verze MC6850, tedy bez „B“, zvládne provoz touto rychlostí, ale

může se to lišit kus od kusu…

ACIA 6850

Obvod 6850 je sériový komunikační obvod. Jeho hlavním úkolem je převést zaslaný bajt na

sériový signál (tj. správně odvysílat start bit, datové bity, případně paritní bit, a nakonec stop bit)

a opačně, tj. načíst správně časovaný sériový signál a připravit ho k předání procesoru.

Asynchronní v popisu znamená, že spolu s daty není přenášen hodinový signál ani není činnost

přesně časována – když přijde bajt, je vyslán, když přijdou vstupní sériová data, jsou načtena.

Synchronizace, tj. to, že bude načteno opravdu to, co načteno být má, zajišťují právě start a stop

bity – podle jejich správného průběhu pozná obvod, že jsou data v pořádku.

Vysílání dat po výstupu TXDATA (Tx = transmit) a příjem na vstupu RXDATA (Rx = receive)

je časován pomocí systémových hodin. U našeho počítače je systémový kmitočet roven 1,8432

MHz. Tento kmitočet je v ACIA vnitřně dělen (dělitel je programově nastavitelný na hodnoty 1,

16 a 64). Použijeme dělení 16, což znamená, že komunikační rychlost bude 1843200 / 16 =

115200 bitů za sekundu (baud).

Obvod 6850 s procesorem komunikuje pomocí osmibitové datové sběrnice (D0-D7), několika

CS vstupů (CS = Chip Select), které určují, kdy se s obvodem komunikuje (CS0 = 1, CS1 = 1,

/CS2 = 0 – ve všech ostatních případech je datová sběrnice odpojena), vstupu E (Enable, obvod

komunikuje jen pokud je E=1), vstupu R/W, který udává, zda se z obvodu čte (1) nebo se do něj

zapisuje (0) a vstupu RS, který udává, jestli se čtou/zapisují data (1), nebo řídicí hodnoty (0).

Kromě těchto signálů nabízí i signál /IRQ (Interrupt Request – požadavek na přerušení). Pomocí

přerušení může ACIA dát vědět procesoru, že například přišla nějaká data po sériovém portu,

nebo že data k odeslání byla odeslána apod. My přerušení nepoužijeme.

Z hlediska programátora se tedy obvod 6850 jeví jako dva registry (vybrané pomocí vstupu RS),

z nichž jeden je datový, druhý „systémový“. Funkci osvětlí tabulka:

VSTUPY REGISTRY

RS R/W TYP REGISTRU FUNKCE

0 0 Zápis Řídicí registr (Control Register, CR)

0 1 Čtení Stavový registr (Status Register, SR)

1 0 Zápis Data k vyslání (Transmit Data Register, TDR)

1 1 Čtení Přijatá data (Receive Data Register, RDR)

Všimněte si, že do řídicího registru je možné pouze zapisovat, nelze z něj číst, naopak stavový

registr lze pouze číst, nelze do něj zapisovat. Není to totiž potřeba. Totéž s datovými registry –

při čtení se čte to, co obvod přijal (a nezajímá nás to, co jsme odeslali). Při zápisu je jasné, že

chceme data vyslat, nedávalo by smysl zapisovat do přijatých dat.

Řídicí registr CR

Osmibitový registr CR řídí čtyři funkce obvodu:

Bity 0 a 1 nastavují dělicí poměr hodin, viz následující tabulka.

CR1 CR0 Dělitel

0 0 1

0 1 16

1 0 64

1 1 RESET

Poslední kombinace nenastavuje dělitele, ale celý obvod resetuje do výchozího nastavení, tj.

vyprázdní registry a nuluje příznaky. My použijeme kombinaci 01, tj. dělení 16. Kdyby bylo

potřeba rychlost snížit, použijeme kombinaci 10, tj. dělení 64, a obvod bude komunikovat

rychlostí 28800 Bd.

Bity 2, 3 a 4 nastavují délku vysílaných a přijímaných dat (sedmibitové nebo osmibitové), zda

se pracuje s paritou a kolik je stop bitů. Tyto informace najdete např. i v nastavení

Hyperterminálu, když půjdete hledat detaily připojení. Pro naše účely použijeme kombinaci 101,

tj. osmibitový přenos, bez parity, 1 stop bit.

Bity 5 a 6 určují, jestli vysílač po odvysílaném bajtu bude žádat o přerušení a v jakém stavu

bude výstup RTS

Bit 7 určuje, jestli přijímač bude vyvolávat přerušení v případě chyby.

Pro bližší popis odkazuju zájemce opět k datasheetu, my použijeme hodnotu 15h (0 00 101 01

binárně), tj. osmibitový přenos, bez parity, přerušení zakázané a přenosová rychlost 115200

Baud (Baud je jednotka „bitů za sekundu“ – včetně start a stop bitů).

Stavový registr SR

Svět není dokonalý, život není fér a asynchronní sériové přenosy nejsou nijak sladěné

s biorytmy našeho procesoru. Pokud pošlu bajt do 6850, začne ho obvod vysílat. Ovšem předtím

je dobré podívat se, jestli už dokončil vysílání toho předchozího. Při příjmu je zase dobré se

podívat, jestli nějaký bajt už načetl, a pokud ho načetl, tak ho zpracovat, aby se uvolnilo místo

pro další bajt. Popřípadě získat informaci o tom, jestli nedošlo k chybě. Tyhle informace jako

když najdete ve stavovém registru SR.

Pokud načtete bajt ze SR, tak vás jednotlivé bity informují o následujícím:

Bit 0 – Receiver Data Register Full (RDRF). Pokud je nastaven na 1, znamená to, že obvod

načetl bajt po sériové lince do přijímače a bylo by záhodno ho zpracovat. Jakmile procesor

přečte stav datového registru, je bit RDRF nastaven na 0. Nula znamená, že žádný nový bajt

nepřišel.

Bit 1 – Transmitter Data Register Empty (TDRE). Jakmile zapíšete do datového registru bajt,

nastaví se TDRE na 0 a obvod začne bajt vysílat po sériové lince. Jakmile ho vyšle, nastaví

tento bit na 1. Programátor by si měl před tím, než nějaký bajt pošle, zkontrolovat, že může –

tedy že bit TDRE = 1.

Bity 2, 3 pracují s řídicími signály CTS, DCD, a já je tady s klidným svědomím opomenu.

Bit 4 – Framing Error (FE) znamená, že přijatá data byla špatně časována, např. že nepřišel

požadovaný STOP bit.

Bit 5 – Receiver Overrun (OVRN). Overrun, neboli hezky česky přeběh, je stav, kdy přijímač

přijal bajt, ale procesor ještě nezpracoval předchozí přijatý. Ten nově přijatý je tedy zahozený

(protože jej není kam dát, žádný vnitřní buffer není) a nastaví se OVRN na 1, aby bylo jasné, že

došlo k chybě.

Bit 6 – Parity Error (PE). Pokud využíváme přenos s paritou, zkontroluje 6850 paritní bit. Pokud

byl chybný, nastaví příznak PE.

Bit 7 – Interrupt Request (IRQ) říká, že obvod požádal o přerušení z nějakého závažného

důvodu. Buď byl přijat bajt a je povolené přerušení při přijetí dat, nebo byl odeslán bajt a je

povoleno přerušení při odeslání, nebo vypadla nosná (DCD).

6850 a OMEN ALPHA

Jak připojit tento obvod k naší konstrukci? Tak, je jasné, že datová sběrnice přijde na datovou

sběrnici procesoru. Co se vstupy CS, R/W a RS?

Vstup E povoluje obvodu komunikovat s procesorem (v logické 1). My budeme chtít tento

obvod připojit jako periferii, tedy vstupně-výstupní obvod. Vývod IO/M shodou okolností říká

právě to, jestli procesor chce pracovat s pamětí (0), nebo s periferií (1). Můžeme ho tedy přímo

připojit na vstup E, tím se zajistí, že obvod ACIA bude reagovat jen na požadavky pro zápis

a čtení do / z periferií a bude ignorovat operace s pamětí.

R/W určuje, jestli se bude zapisovat (0) nebo číst (1). V našem systému má podobnou funkci

signál /WR – je 0, pokud procesor hodlá zapisovat, jinak je 1, takže může sloužit jako signál

čtení (i když není /RD aktivní). Je to v pořádku, stačí to?

Podívejme se na to: Pokud bude procesor chtít zapisovat, pošle správný signál, ve všech

ostatních případech bude číst. Nevadí to něčemu? Nevadí, protože bude odpojený od sběrnice

díky vstupům CS a E.

Jenže moment: Podívejte se pořádně na průběhy signálů – signál IO/M je nastaven dřív, než

proběhne cyklus ALE, a /WR je přitom neaktivní (=1). Takže ACIA začne číst a posílat

hodnoty po datové sběrnici, takže by teoreticky mohl ovlivnit latchování adresy. Teď oceníme

oddělovač sběrnice ze začátku této kapitoly.

Odpověď tedy zní: Nestačí to! Měli bychom signál E držet neaktivní, pokud ALE=1, protože

obvod nemá oddělené povolovací vstupy pro zápis a čtení (jako mají třeba paměti). Popřípadě

použít /CS2 pro ALE. Ale díky oddělovači to není třeba řešit.

Pracovat se s 6850 bude tedy pomocí instrukcí IN a OUT. Ty používají osmibitovou adresu,

takže se teď ještě musíme postarat nějak o to, aby obvod správně z adresy poznal, že procesor

komunikuje s ním. Navrhuju, pokud proti tomu nic nemáte, použít vstupy CS0, CS1 a /CS2

a připojit je na adresní vodiče A7, A6 a A5 takto:

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

CS0 CS1 /CS2 - - - - RS

Obvod bude vybraný pouze tehdy, pokud budou nejvyšší tři bity adresy rovny 110. Na stavu

ostatních bitů nebude záležet. Jakákoli adresa, která splní masku „110x xxxx“ vyhoví. Vyhovují

tedy adresy C0h – DFh.

Na nejnižší bit A0 jsem připojil vstup RS. Ten vybírá mezi datovým (1) a řídicím / stavovým

registrem (0). Adresy, které budou mít v nejnižším bitu 1, budou přistupovat k datovému

registru (C1h, C3h, C5h, … DDh, DFh). Ostatní adresy budou přistupovat k řídicímu či

stavovému registru (C0h, C2h, C4h, … DCh, DEh). Programátor si může vybrat kteroukoli

z nich, jsou ekvivalentní.

Přesto doporučuju použít ty adresy, které mají v bitech A1-A4 logické 1. Do budoucna to ušetří

případné mrzení s připojováním dalších periferií.

Proto si zapište – ACIA v počítači OMEN Alpha je zapojena takto:

Adresa Zápis Čtení

0DEh Řídicí registr Stavový registr

0DFh Data k odeslání Přijatá data

Musíme také přivést hodinový signál na vstupy RXCLK a TXCLK. Oba spojíme, protože

chceme vysílat stejnou frekvencí jako přijímat. Připojíme je na vývod CLK z procesoru. Signál

/RTS budeme ignorovat, vstupy /CTS a /DCD, sloužící k řízení přenosu, připojíme na zem.

Vývody RXDATA (vstup) a TXDATA (výstup) jsou už to sériové rozhraní… připojte je

k převodníku USB-to-UART, samo sebou kříženě (TxD na vstup RXDATA, RxD na výstup

TXDATA). Počítač je připraven komunikovat, stačí ho jen naprogramovat!

Obrázek 30: Alpha, sériové rozhraní

5.17 Další rozšíření

Omen Alpha je hezký jednodeskový počítač, použitelný se sériovým rozhraním. Ovšem něco

tomu chybí…

Už vím! Chybí tomu takový ten feeling jednodeskového stroje. Chybí tomu tlačítková

klávesnice a displej ze sedmisegmentovek. Můžeme je připojit?

Pro připojení dalších periferií můžeme použít třeba podobný způsob jako u adresového latche –

tedy osminásobné buffery, třístavové budiče apod. Já zvolil o něco mocnější způsob, totiž

komplexní obvod pro řízení paralelních portů, známý jako PIO (Parallel Input/Output) 8255

(někdy se značí i jako PPI – Programmable Parallel Interface). Jde o obvod z rodiny podpůrných

obvodů Intel 82xx, což jsou podpůrné obvody pro procesory z řady 80xx (vzpomeňte na

zmiňované obvody 8228, 8224 nebo 8251).

5.18 PPI 8255

Obvod 8255 je notoricky známý, protože se používal v nejrůznějších počítačích i domácích

konstrukcích paralelních portů. Počítač PMD-85 používal několik takových obvodů (pro řízení

portů, pro přístup k periferiím i pro přístup k paměťovému modulu), v počítači PMI-80 řídil

tento obvod displej a klávesnici, v počítači Didaktik Gama se přes tento obvod řešilo

stránkování paměti i připojování joysticku, v nejrůznějších konstrukcích modulů a portů pro

domácí počítače byl tento obvod… Jeho výhodou tehdy bylo, že byl snadno dostupný i v ČSSR.

Naštěstí je dobře dostupný dodnes, a co je ještě lepší: je dostupný ve verzi CMOS (82C55).

Původní verze totiž měla neskutečně velkou spotřebu, až 120 mA. CMOS verze má spotřebu

desetinovou a menší.

Pro srovnání: procesor 8080A v původní (NMOS) verzi odebíral v průměru 60 mA napětí +5

V, 40 mA z napětí +12 V, procesor 8085A požadoval v maximech 135 mA, CMOS verze

80C85 odebírá 10-20 mA. Není divu, že československé počítače s procesorem 8080A

a dvěma obvody 8255 potřebovaly zdroje dimenzované na jednotky ampérů, když jen procesor

a periferie spotřebovaly (a protopily) dobrého půl ampéru.

Obrázek 31: Struktura PPI 8255

Obvod 8255 nabízí tři osmibitové vstupně-výstupní paralelní porty, značené jako A, B a C (či

častěji jako PA, PB, PC). K procesoru se připojuje pomocí datové sběrnice, dvou vstupů /RD

a /WR, které říkají, jestli se z obvodu čte nebo do něj zapisuje, a pomocí dvou adresních vstupů

A0 a A1. Ty říkají, jestli se přistupuje k některému z portů nebo k řídicímu registru. Nechybí

samozřejmě vstup /CS.

A1 A0 /RD /WR /CS Funkce

0 0 0 1 0 Čtení PA

0 1 0 1 0 Čtení PB

1 0 0 1 0 Čtení PC

1 1 0 1 0 Čtení řídicího registru

0 0 1 0 0 Zápis do PA

0 1 1 0 0 Zápis do PB

1 0 1 0 0 Zápis do PC

1 1 1 0 0 Zápis do řídicího registru

X X X X 1 Datová sběrnice odpojena

X X 1 1 0 Datová sběrnice odpojena

Poslední řídicí vstup je RESET. Logická 1 na tomto vstupu vynuluje řídicí registr a nastaví

všechny porty jako vstupní.

Připojení k našemu systému je tedy jasné – datová sběrnice na datovou sběrnici, RESET na

RESET, /WR a /RD jsou taky jasné, A0 a A1 připojíme k adresním vodičům A0, A1. Porty

připojíme k nějakým vhodným konektorům. Zbývá vyřešit jen jeden zásadní problém, totiž co

se vstupem /CS.

Na rozdíl od obvodu sériového rozhraní 6850 má obvod 8255 jen jeden vstup Chip Select, a my

přitom potřebujeme, aby obvod reagoval na kombinaci hned několika signálů:

Signál IO/M je ve stavu 1

Bity A7-A5 v adrese jsou jiné než 110 (tuto kombinaci už má sériové rozhraní).

Můžeme říct, že CS bude vybrán tehdy, když IO/M=1 a zároveň A5=1. Tím se obvod objeví na

adresách, které mají tvar XX1X XXXX. Naštěstí nám k tomu stačí jedno jediné hradlo NAND.

Naneštěstí žádné volné nemáme. Nakonec jsem si řekl, že použiju obvod 74138, tedy dekodér 1-

z-8. Tento obvod má tři vstupy pro data a tři povolovací vstupy (jeden neinvertující, dva

invertující). Připojil jsem jej tak, že povolovací vstupy jsou připojené na signály IO/M, A7

a A6 – IO/M na neinvertující vstup, adresní signály na invertující. Obvod je tedy vybraný tehdy,

když procesor komunikuje s periferií na adresách 00XX XXXX. Hexadecimálně 00h – 3Fh.

Datové vstupy A, B, C jsem připojil na adresní signály A5, A4 a A3. Jednotlivé výstupy /Y0 –

/Y7 jsou tedy adresované takto:

A5 (A) A4 (B) A3 (C) Aktivní vývod Adresu

0 0 0 /Y0 00h – 07h

0 0 1 /Y4 08h – 0Fh

0 1 0 /Y2 10h – 17h

0 1 1 /Y6 18h – 1Fh

1 0 0 /Y1 20h – 27h

1 0 1 /Y5 28h – 2Fh

1 1 0 /Y3 30h – 37h

1 1 1 /Y7 38h – 3Fh

Pro první obvod 8255 jsem použil výstup /Y0. Obvod se tak objevuje na adresách 0000 0XXX

(binárně). Případný další periferní obvod lze adresovat dalšími výstupy. Teoreticky můžeme

k některému vývodu Y připojit i sériový obvod z předchozích kapitol. Ovšem můžeme to

samozřejmě nechat tak, jak to je.

Obrázek 32: Alpha, paralelní porty

Obvod 8255 se tedy objevuje na osmi adresách:

Registr 8255 Adresy

Port A 00h, 04h

Port B 01h, 05h

Port C 02h, 06h

Řídicí registr 03h, 07h

Opět použijeme ty vyšší, kde jsou bity X rovny 1, tedy 04 – 07h.

Programování 8255

Před prvním použitím obvodu 8255 musí procesor říct, jak se mají které porty chovat – které

mají být vstupní, které výstupní, popřípadě jestli mají mít ještě nějakou funkci navíc. Slouží

k tomu řídicí slovo, které je potřeba nejprve nahrát do řídicího registru. Má následující formát:

Bity Funkce

7 Vždy 1

6,5 Režim brány A (00 = základní, 01 = jednosměrný strobovaný, 1x = obousměrný strobovaný)

4 Směr brány A (0 = výstup, 1 = vstup)

3 Směr horní poloviny brány C – bity C7 až C4 (0 = výstup, 1 = vstup)

2 Režim brány B (0 = základní, 1 = strobovaný)

1 Směr brány B (0 = výstup, 1 = vstup)

0 Směr dolní poloviny brány C – bity C3 až C0 (0 = výstup, 1 = vstup)

Pokud některou z bran nepoužijete, je lepší nechat ji jako vstup (případný zkrat výstupů pak

nezpůsobí problémy). Řídicí slovo pro nastavení všech bran jako vstupů je binárně 1001 1011,

neboli hexadecimálně 9B.

Brány A a B se dají nastavit jako vstup / výstup pouze jako celek, ne po jednotlivých bitech.

Bránu C lze nastavit nezávisle pro horní či dolní polovinu. Základní režim funguje tak, jak by

člověk očekával – co pošleme na výstupní bránu, objeví se na výstupech a obráceně.

Máme-li brány nastavené na vstup a do základního režimu, pak hodnoty na nich čteme

z příslušných registrů. Pokud jsou nastavené na výstup, zapisujeme požadované hodnoty rovněž

do registrů bran. U Alphy to bude tedy tak, že zapíšeme hodnotu 9Bh na port 07 (=řídicí slovo)

a pak hodnoty na branách A, B, C čteme z portů na adresách 4, 5 a 6.

Pomocí řídicího slova 10001011 (8Bh) nastavíme port A jako výstupní. Když pak začneme

posílat hodnoty 00h a FFh na port 4, bude se měnit úroveň na všech výstupních vodičích brány

Druhý typ řídicího slova umožňuje nezávisle nastavovat a nulovat jednotlivé bity portu C. Má

následující formát:

Bity Funkce

7 Vždy 0

6, 5, 4 Ignorují se

3, 2, 1 Číslo nastavovaného / nulovaného bitu

0 Hodnota, která se zapíše do daného bitu

Pomocí řídicího slova 0E (binárně 0000 1110) se nastaví sedmý bit brány C (C7) na hodnotu 0.

Řídicím slovem 0Fh se nastaví tentýž bit na hodnotu 1. Což se hodí třeba pro simulaci sběrnice

SPI nebo pro nějaké řízení toku dat.

Obvod 8255 umožňuje použít porty A a B v takzvaném „strobovacím režimu“. V praxi to

znamená, že se k osmibitovému portu přidá část bitů z portu C, která slouží jako signály

STROBE, ACK a INTR („Data připravena“, „Data přijata“ a „požadavek na přerušení“).

U obousměrného režimu (pouze port A) jsou tyto signály zdvojeny (pro směr „dovnitř“ a pro

směr „ven“). Těmito režimy se ale nebudu zabývat, v případě potřeby jejich popis najdete

v literatuře nebo datasheetech.

Já se rozhodl nasadit 8255 do Alphy proto, abychom mohli snadno připojovat další periferie.

Například displej, klávesnici nebo SD kartu (teoreticky jde přes tento obvod připojit i Compact

Flash karta). Vše si ukážeme v následujících kapitolách.

5.19 Displej ze sedmisegmentovek

Pokud bychom chtěli udržet řádného retro ducha, tak nasadíme sedmisegmentový displej. Stačí

šest sedmisegmentovek s budiči a dva výstupní porty obvodu 8255. Ale upřímně: Je s tím

spousta zapojování a pájení…

Lepší by bylo využít hotových modulů. Jsou k dispozici jako samostatné destičky s osmi

sedmisegmentovkami a ovládají se jednoduchým sériovým rozhraním pomocí dvou či tří

vodičů – jeden hodinový, druhý datový, případně vybavovací. K jejich ovládání nám postačí dva

či tři bity, a já bych doporučil použít port C z obvodu 8255, protože u portu C lze velmi

jednoduše přepínat hodnoty na jednotlivých pinech. Ale i na jiných portech to bude fungovat,

jen musíme bity měnit složitěji – buď posílat všech 8 bitů najednou, což může ovlivnit případné

další periferie na témže portu, nebo načítat aktuální hodnotu, XORovat ji a zase posílat zpět.

Standardem u podobných modulů bývá obvod MAX7219. Existuje pro něj spousta knihoven, je

dobře dokumentovaný a jeho ovládání je jednoduché.

Obvod MAX7219 dokáže ovládat až 64 segmentů / LED. Používá se pro ovládání maticových

displejů 8x8 nebo pro ovládání až osmi sedmisegmentovek (sedmisegmentovka má samozřejmě

osm segmentů, to je jak s těmi třemi mušketýry… Osmý segment je desetinná tečka).

Data se přenášejí po šestnácti bitech od nejvyššího. Na datový vstup pošlete nejvyšší bit

a vzestupná hrana hodinového vstupu jej zaznamená do interního posuvného registru. Takto

pošlete 16 bitů a vzestupnou hranou na vstupu CS (to je ten vybavovací, někdy se značí LOAD)

se přenese celé řídicí slovo do obvodu.

Takových modulů můžete za sebe zapojit víc, protože obvod MAX7219 má kromě sériového

vstupu i sériový výstup, takže když máte dva takové moduly za sebou, pošlete zkrátka dvakrát

16 bitů, ony se propíšou přes první obvod i do druhého a signálem CS pak najednou provedou.

Formát šestnáctibitového řídicího slova je následující:

Bity Obsah

15-12 Ignorováno

11-8 Adresa registru

7-0 Osmibitová data

Na MAX7219 se tedy můžeme dívat jako na obvod s šestnácti osmibitovými registry. Jejich

funkce je:

Registr Funkce

0 Žádná

1 Pozice 0

2 Pozice 1

3 Pozice 2

4 Pozice 3

5 Pozice 4

6 Pozice 5

7 Pozice 6

8 Pozice 7

9 Dekódovací režim (pro každou pozici, 0=přímé ovládání segmentů, 1=BCD)

10 Intenzita svitu (0-15)

11 Scan (počet ovládaných pozic – 1)

12 Shutdown (0=vypnuto, 1=zapnuto)

15 Display test (0 = normální operace, 1=vše rozsvítit)

Pro přímé ovládání zvolte dekódovací režim 0, intenzitu svitu klidně 10, Scan limit 7 (všechny

pozice), shutdown = 1 a test = 0. Bez dekódování ovládají bity 7 až 0 přímo segmenty

v sedmisegmentovce.

7 6 5 4 3 2 1 0

DP A B C D E F G

5.20 LCD displeje 16x2, 20x4

Podobný postup můžeme zvolit i pro známé znakové LCD displeje 16x2 nebo 20x4

(označované též jako 1602 a 2004).

Tyto displeje mají osmibitovou datovou sběrnici (D0-D7), signál Chip Select (zde E jako

Enable), signál Read/Write a signál Register Select. Nepřipomíná vám to něco? Správně: je to

téměř identické s řídicími signály u periferních obvodů PPI, ACIA apod. Pomocí signálu RS

určujete, jestli se zapisuje do datových nebo řídicích registrů, E aktivuje periferii a R/W říká,

jestli se bude zapisovat, nebo číst.

Pokud připojíme takový displej přímo na datovou sběrnici, RS připojíme na A0, R/W třeba na

/WR a E na nějaký vhodný volný výstup adresního dekodéru 74138, můžeme k displeji

přistupovat jako k dalšímu zařízení.

Druhá možnost je využít toho, že tyto displeje umí pracovat i ve čtyřbitovém režimu. Pak

potřebujeme celkem 4 datové + 3 řídicí signály, a to v pohodě obsloužíme jedním jediným

portem obvodu 8255. Pokud oželíme čtení a nebudeme potřebovat přepínat data na vstup

a výstup, tak můžeme použít klidně port A nebo port B ve výstupním módu.

5.21 Klávesnice 5x4

Každý správný jednodeskový počítač měl klávesnici, co vypadala jako (a někdy i doopravdy

byla) z kalkulačky. 16 tlačítek pro hexadecimální znaky, a k tomu několik „funkčních“ kláves,

kterými se vyvolávaly základní funkce ovládacího programu.

Počítač KIM-1 měl tlačítek 24 (7 funkčních + jeden přepínač pro krokování), počítač PMI-80

jich měl 25 (hlavní důvod byl ten, že stejnou klávesnici používala i nějaká kalkulačka od

stejného výrobce), počítač Heathkit ET-3400 si vystačil s šestnácti (a RESETem).

U šestnáctitlačítkového ET-3400 byl použitý takový fígl, podobný zadávání příkazů u ZX

Spectra: po RESETu či ukončení příkazů měly tlačítka 0-9 a A-F význam příkazu (B = Back,

F=Forward, D = Do apod.)

Ať už bylo tlačítek kolik chtělo, platilo snad bez výjimky, že byly uspořádané do matice M

řádků x N sloupců. Procesor postupně vybíral jeden řádek po druhém a četl hodnoty na vodičích

sloupců. Ty byly zvedány pull-up rezistory k log. 1, takže v klidu jste přečetli samé jedničky.

Nejjednodušší by tedy bylo připojit řádkové vodiče k výstupnímu portu 8255, sloupcové vodiče

ke vstupnímu portu, v klidu nechat na výstupech samé 1 a testovat řádek po řádku posláním log.

Pokud bychom udělali klávesnici 5x4, tak bychom potřebovali pět řádkových vodičů a čtyři

sloupcové. To je docela nešťastné, protože si tím zaplácneme přinejmenším jeden a půl portu.

Na druhou stranu se nabízí opět stejný fígl jako u periferií, totiž vybavit klávesnici obvodem

74138 – dekodérem 1-z-8. Pro řádek teď budeme potřebovat tři vodiče, pro sloupce 4, takže

celou klávesnici obsloužíme jediným portem C (spodní půlku necháme na čtení sloupců, horní

polovinu uděláme jako výstup, kterým budeme vybírat řádek).

Stejný princip používaly i další počítače, jen s větší maticí. Sinclairy měly matici 5x8, ovšem

fyzicky uspořádanou jako 10 tlačítek ve 4 řadách. Commodory měly matici 8x8, ale fyzicky

uspořádanou úplně jinak. S našim řešením bychom mohli ovládat až 8x4 = 32 kláves. Na plné

QWERTY to je málo, ale kdybychom použili větší dekodér (1-z-16, 74HCT154), tak získáme

16x4=64 kláves. A s tím už se dá nadělat víc parády – a přitom všechno jen přes jeden port.

Samozřejmě je vždy otázka, co je lepší přístup a jestli zvolit o jeden obvod navíc, což jsou

nějaké náklady a zvýšení složitosti, nebo jestli obětovat dva porty.

5.22 Systémový konektor

Pokud jste měli nějaký osmibitový počítač, pravděpodobně pamatujete na to, že měl hned

několik konektorů, a ten největší a nejzajímavější se jmenoval „systémový“. U Sinclairů to byl

hranový konektor, respektive jen část plošného spoje, u jiných měl podobu třeba konektorů FRB

nebo patice pro zasouvání rozšiřujících modulů…

Bez ohledu na mechanické zpracování měly tyto konektory společné některé základní rysy:

Připojovaly se přes ně další periferie (různá rozhraní u Spectra, paměť u ZX-81, cartridge

s programy nebo periferiemi u Atari, …), a proto obsahovaly obousměrnou datovou sběrnici,

adresní sběrnici (alespoň část), řídicí signály /RD, /WR, napájení a někdy i další signály

(hodiny, RESET, přerušení atd.) U ZX Spectra byly na systémovém konektoru vyvedené

všechny signály mikroprocesoru Z80, u PMD-85 pouze datová sběrnice, část adresní a některé

systémové signály.

Díky takové sběrnici se snadno rozšíří systém o nové periferní obvody. Základní deska tak může

zůstat malá, kompaktní, nemusíte kvůli nově vymyšlené periferii celý počítač předělávat,

a navíc – pokud dodržíte formát sběrnice, můžete kdykoli změnit samotný počítač, a periferie

budou beze změny fungovat dál.

Jen je potřeba dávat pozor na to, že podobný systém nelze nafukovat donekonečna. Že brzy

narazí na elektrické limity – rychlé změny signálů na dlouhých vedeních postihne útlum

a rušení, napájecí vodiče neutáhnou velký odběr… V takovém případě je lepší změnit koncepci

a místo „počítače s moduly“ navrhnout systém stylem „backplane“.

„Backplane“ počítače byly v osmdesátých letech oblíbené především v průmyslovém

a poloprofesionálním nasazení. Tvořila je skříň, která měla na dně desku se sběrnicí a konektory.

Ty měly navzájem spojené odpovídající vývody a do nich se zapojovaly jednotlivé desky.

Někdy byly pozice zaměnitelné, některé systémy měly ale například levou pozici vyhrazenou

pro procesorovou desku a mezi touto pozicí a zbytkem pozic byly zapojené budiče sběrnice. Na

této zadní desce (proto „backplane“) byl často i napájecí zdroj. Při vypnutém systému pak šlo

zapojit další rozšiřující moduly či stávající odpojit.

Obrázek 33: Backplane

Samozřejmě to nebylo bez problémů, někdy se spolu dvě desky „popraly“ o adresy či o signály

a nešlo je dohromady použít, někdy se praly „jen tak“ a řešení bylo lehce magické, třeba jako

„funguje to, pokud je deska A zasunutá vlevo od desky B“. Tedy přesně to, co zdravý rozum

vyloučí jako první: „To na to přeci nemůže mít vliv!”

Nedá mi to a na tomto místě opět připomenu legendární počítač IQ-151. On nebyl nějak

významně špatný, chybně navržený nebo tak něco. On byl koncepčně dobrý, ale zlikvidovalo

ho provedení. Jednak úplně strašlivá klávesnice, tuhá a nespolehlivá, a jednak

poddimenzované diody ve zdroji, které v prvních sériích nedokázaly dodat dostatek proudu

pro víc modulů, takže jste zapojili BASIC a VIDEO, počítač fungoval, ale další periferii jste

už nezapojili. A pokud ano, stalo se, že se ze zdroje zakouřilo a diody vlivem velkého proudu

odešly. Ale v pozdějších sériích, s posíleným zdrojem a vylepšenou konstrukcí, už šlo

o zajímavý systém. Bohužel pro něj přišel příliš pozdě.

I u Alphy jsem navrhl podobný konektor. Vyvedl jsem datovou sběrnici, tři adresní signály,

sedm signálů z dekodéru 138 (na osmý je připojen obvod 8255 PPI), signály /RD, /WR, hodiny,

RESET, přerušovací vstup a napájení. Díky tomu mohu snadno připojit třeba rozhraní pro CF

kartu, o němž se ještě pobavíme, nebo další periferní obvody, pro něž není vhodné paralelní

rozhraní.

Terminologická vsuvka: Takovému konektoru by se mělo říkat aplikační, nikoli systémový

(nemá všechny systémové signály).

5.23 Programové vybavení

Neustálé vytahování a zasouvání pamětí EEPROM a jejich přeprogramovávání nesvědčí ani

elektronice, ani konstruktérově psychice. Pojďme si tedy napsat nějaký základní ovládací

program, který umožní snazší nahrávání.

Takovým základním programům se dnes říká například firmware, ale v duchu osmibitových dob

ho nazvěme Monitor.

S velkým písmenem, prosím, abychom jej odlišili od zobrazovacího zařízení…

Monitor můžete znát možná z počítačů PMD-85 nebo IQ-151. Monitor se nazýval i obslužný

program jednodeskových počítačů. Monitor poskytuje několik jednoduchých příkazů, pomocí

nichž se počítač ovládá. Příkazy obvykle zahrnují změnu obsahu paměti, někdy i práci s registry

a ladicí příkazy, a také pokyn pro spuštění uživatelských programů (respektive skok na zadanou

adresu).

Příkazy se zadávaly buď z klávesnice, nebo přes sériové rozhraní. Obvykle sestávají z jednoho

znaku, např. M je pro změnu paměti (Memory), G pro skok na zadanou adresu (Go to…) apod.

U Monitorů, které umí pracovat i se sériovým rozhraním, se často objevoval příkaz pro načtení

HEX souboru. Důvtipný trik je, že Monitor implementuje příkaz “:” – což je počáteční znak

u každého řádku HEX souboru. Pak načte jeden bajt délky, dva bajty adresy, jeden bajt typu

záznamu a pak čte zadaný počet bajtů a ukládá je do paměti.

Takže vlastně stačí takový program napsat, nahrát do EEPROM, a zasunout zpátky do Alphy.

Tím máte na dlouhou dobu po starostech – programy překládáte tak, aby fungovaly od adresy

8000h, a do Alphy je nahrajete tím, že soubor HEX pošlete přes sériové rozhraní.

Monitor zabere s trochou dobré vůle jeden kilobyte. Když budete hodně plýtvat, tak dva. Co

s těmi zbývajícími třiceti? Já si třeba připravil interpret jazyka BASIC, přeložil jsem ho od

adresy 1000h a nahrál taky do EEPROM. Stačí mi zadat příkaz G1000 a spustí se BASIC.

Zdrojové kódy mého Monitoru a Monitoru MON85 najdete na GitHubu:

https://github.com/osmibity/alpha.

Ale BASIC není jediný jazyk, který můžeme s Alphou použít – můžeme použít de facto cokoli,

k čemu jsou dostupné zdrojové kódy pro 8080 / 8085. Nabízí se třeba FORTH…

Monitor Alpha MONv3

V době, kdy píšu tuto knihu, je aktuální Monitor na GitHubu MONv3. Tento Monitor

komunikuje s obsluhou po sériovém portu (115200 Bd, 8 bitů, bez parity, 1 stop bit). Příkazy

jsou jednoznakové:

 M (Memory) – změna / prohlížení obsahu paměti

 G (Go) – spuštění uživatelského programu

 D (Dump) – výpis obsahu paměti

 R (Registers) – výpis obsahu registrů

 X (Breakpoint) – nastavení bodu přerušení

 C (Continue) – pokračování po přerušení.

 : (Colon) – začátek dat ve formátu Intel HEX (vysvětlíme si později)

Příkazy M, G, D a X požadují zadání adresy. Adresa se zadává hexadecimálně, tedy pomocí

znaků 0-9, a-f a A-F. Jakmile zadáte jiný znak, je vkládání adresy ukončeno. Monitor bere jen

poslední čtyři znaky jako platné. Proto můžete překlep ignorovat a zadat adresu znovu

a správně. Ze sekvence „112312331234“ si Monitor vezme jen poslední znaky: 1234.

U příkazu M zadáte adresu a Monitor ukáže obsah na této adrese. Nyní můžete buď zadat nová

data (opět pomocí hexadecimálních znaků, platné jsou poslední dva) nebo ponechat původní.

Stiskem Enter se posunete na další adresu, stiskem Backspace na předcházející a mezerou

vkládání ukončíte.

Příkaz G spustí program od zadané adresy. Po ukončení běhu by měl program vrátit řízení zpět

na adresu 0.

Příkaz D vypisuje paměť po větších blocích než příkaz M. Opět se pomocí Enter posouváte

k dalším adresám, pomocí Backspace k nižším a mezerníkem ukončujete.

Dvojtečka slouží k nahrávání větších programů ve formátu HEX. Tento formát si představíme za

chvíli. Je to jednoduchý datový formát, který rozděluje data do krátkých bloků, nejčastěji po

šestnácti bajtech. Každý blok začíná znakem dvojtečka, pak následují servisní údaje (adresa,

počet bajtů, typ záznamu), pak samotná data, kontrolní součet a znak konce řádku. Většina

sériových terminálů umí poslat text po sériové lince, takže stačí pouze poslat HEX soubor přes

terminál, a Monitor jej správně zpracuje a uloží do paměti.

Pomocí příkazu X nastavíte bod přerušení (breakpoint) na určitou adresu. Monitor si na tuto

adresu uloží speciální instrukci. Jakmile na ni procesor při provádění programu narazí, zavolá se

opět Monitor, který oznámí, že program je zastaven a vrátí na danou adresu původní obsah. Teď

si můžete pomocí příkazů D a M prohlédnout obsah paměti, popřípadě ho změnit. Pomocí

příkazu R si můžete prohlédnout nebo změnit obsah registrů. Když chcete pokračovat, zadáte

příkaz C.

6 Základy programování

v assembleru 8080

6 Základy programování v assembleru 8080

Ve světě mikroprocesorů nejsou žádné příkazy známé z vyšších

programovacích jazyků. PRINT tu nenajdete. Jediné, co procesor umí, je

vzít z paměti číslo – operační (strojový) kód instrukce – a podle něj provést

nějakou činnost, třeba přesunout hodnotu odněkud někam nebo sečíst dvě

čísla. Jediné, čemu mikroprocesor rozumí, je tedy číslo. A protože

hovoříme o osmibitových mikroprocesorech, je přirozené, že ta nejčastěji

používaná čísla budou právě osmibitová, tedy v rozsahu 0 až 255,

hexadecimálně 00h až FFh.

Platí tedy. že každý osmibitový procesor zná přesně 256 instrukcí? Ani

náhodou! Některé jich znají mnohem míň (třeba procesor 8080), takže

některé operační kódy nemají žádnou přiřazenou instrukci. Jiné naopak

mají mnohem víc instrukcí (Z80) a řeší to tím, že některé instrukce mají

operační kód vícebajtový.

Program se skládá z instrukcí, které procesor vykonává po řadě tak, jak

jdou po sobě v paměti, s výjimkou skoků. Program je zapsaný třeba takto:

21h 55h 3Ah

Tyto tři bajty jsou procesorem 8080 interpretovány tak, že do registrů H a L

uloží hodnoty 3Ah a 55h. U procesoru Z80 mají tato tři čísla stejný efekt

(protože Z80 je s 8080 na úrovni strojového kódu kompatibilní).

U procesoru 6502 mají zcela jiný význam – vezme se obsah registru X,

k němu se přičte číslo 55h, výsledek se ořízne na osm bitů a dostaneme

adresu. Z paměti na téhle adrese se vezme jeden bajt, z paměti na adrese

o jedničku vyšší druhý bajt. Tyto dva bajty dají dohromady 16bitovou

adresu v paměti, kam procesor sáhne pro číslo, a nakonec provede operaci

AND mezi hodnotou v registru A a tímto číslem (výsledek uloží do registru

A). No a pak následuje prázdná instrukce (3Ah).

Různé procesory mají tedy odlišné vnímání stejných kódů, což je důvod,

proč nelze vzít program pro jeden z nich a spustit bez úprav na druhém.

Jazyk symbolických adres (JSA) slouží k tomu, aby si programátor nemusel

pamatovat tyhle číselné kódy (což o to, většinou si je stejně pamatují), a aby

u složitějších programů nemusel počítat adresy, tj. na jaké adrese v paměti

je která instrukce. Proto zavádí jednak symbolická návěští (takže se

zapisuje nikoli JUMP 1234h, ale třeba JUMP START), a jednak zavádí

symbolická jména pro instrukce. Takže třeba u procesoru 8080 nemusí

programátor zapisovat zmíněný skok jako kód C3h, ale symbolicky: „JMP“

(jako že jump, rozumíme si…)

Assembler je nástroj, který překládá program, zapsaný v těchto

symbolických jménech, do konkrétních kódů jednotlivých instrukcí.

Co to znamená, když se řekne „Program je napsaný v assembleru“? Ve

skutečnosti to, že program je napsaný v jazyku symbolických adres.

Zkrátka se stalo, že se tomuhle jazyku začalo říkat „assembler“, i když

správně je assembler vlastně ten překladač.

A když někdo řekne, že napsal program „ve strojáku“? Pravděpodobně ho

napsal v tom symbolickém jazyce a přeložil assemblerem do strojového

kódu. „Stroják“ je takové označení, které se taky přeneslo na jazyk

symbolických adres. Ale mohlo se stát, že je dotyčný hardcore programátor

a opravdu z hlavy nadiktoval instrukční kódy…

6.1 Assembler ASM80

Dovolte mi, abych si na tomto místě přihřál trošku své vlastní polívčičky.

Totiž: pro to, abyste mohli napsat a přeložit program v assembleru,

potřebujete dvě věci. Zaprvé: textový editor, a zadruhé: překladač.

Překladačů existuje velké množství. Pro každý typ procesoru hned několik.

Navzájem se od sebe v některých detailech liší, především co do pohodlí

zápisu nudného kódu – někde musíte vše vypisovat, jiné assemblery mají

makra, co vám pomůžou. Každý si tak zkrátka může najít ten svůj oblíbený

assembler.

Já jsem už před časem přemýšlel, že bych udělal univerzální assembler pro

osmibitové procesory. Abych mohl překládat programy pro nejznámější

stroje, a nemusel přitom řešit, že assembler pro jeden procesor funguje jen

ve Windows 95, druhý zase pod Linuxem, třetí potřebuje Javu, každý má

jinou syntax ovládání…

Proto jsem napsal webové IDE (Integrované vývojářské prostředí), které

v době psaní této knihy umí překládat programy pro osm různých

procesorů. Mám rád webová řešení – nemusíte se starat o aktualizace,

nemusíte nic instalovat…

V IDE máte k dispozici pracovní prostor (workspace) – obdoba „projektů“

z jiných IDE. Pracovní prostor sídlí ve vašem prohlížeči. Pokud chcete

pracovat se svými pracovními prostory z různých počítačů, přihlaste se

(můžete k přihlášení využít účet u Google, GitHubu, Facebooku či

Twitteru) a vaše pracovní prostory se budou synchronizovat všude tam, kde

budete přihlášeni.

V assembleru tvoří program většinou jeden nebo několik málo souborů.

Jejich přípona se liší podle požadovaného typu procesoru – pro procesor

8080 to je .A80, pro procesor Z80 to je .Z80, pro procesor 6502 to je .A65

apod.

Díky tomu, že se jedná o online nástroj, není, jak už jsem psal, nutné

kamkoli cokoli instalovat. Jen píšete a překládáte.

Pro větší pohodlí vývojářů je v IDE zabudovaný i debugger, kde můžete

programy pomocí zabudovaného emulátoru testovat, krokovat apod. Navíc

je k dispozici několik simulátorů reálných počítačů (PMD-85, PMI-80,

SAPI-1, ZX Spectrum apod.)

Všechny programy, které budou uvedené v této knize a doprovodných

materiálech, používají právě syntax pro překladač ASM80. Neměl by být

problém je upravit pro váš oblíbený překladač, pokud dáváte nějakému

jinému přednost.

Příkazový řádek?

Vím, že online nástroje nejsou mezi programátory příliš oblíbené. Proto

jsem vzal jádro překladače a udělal z něj nástroj pro příkazovou řádku.

K běhu používá prostřední Node.js. Stačí toto prostředí nainstalovat

(existuje pro nejrůznější OS) a pomocí nástroje npm (je součástí Node.js)

nainstalovat překladač:

npm i -g asm80

Po instalaci můžete překladač volat tak jako ostatní: pomocí asm80

[parametry] jméno_souboru

Formát HEX

Výstupem assembleru jsou soubory ve formátu .HEX. Jedná se o formát,

standardizovaný Intelem. V zásadě jde o binární data, ovšem v textové

podobě, vždy s informací o tom, kam se mají v paměti umístit. Například

takto (kód je uložen od adresy 0100h):

:10010000ED52898EDD8E05CE21ED7AFD29DD09DDEA

:10011000850010FDDDE9D7CD3602CD1101ED5EE39E

:0301200008FDE3F4

:00000001FF

Každý řádek začíná znakem dvojtečka a končí znakem „konec řádku“.

První dvě číslice za dvojtečkou říkají, kolik je na řádku dat. Zde to je 16 (10

hexadecimálně). Třetí řádek je kratší, obsahuje pouze 3 bajty dat, a poslední

řádek s nulami je speciální ukončovací řádek.

Další čtyři číslice zapisují adresu, kam se mají data uložit. Na prvním řádku

je to 0100h, na druhém 0110h, na třetím 0120h.

Dvě číslice po adrese udávají typ řádku. 00 jsou obyčejná data, 01 je

terminátor, ukončovací řádek.

Pak následuje domluvený počet bajtů, každý vždy jako dvojice znaků.

Poslední je kontrolní součet.

Procesory od Motoroly používají podobný formát, nazývaný Motorola

S format.

Většina programátorů pamětí umí s daty ve formátu HEX pracovat. Stejně

tak i některé systémy nebo zabudované monitory u některých

jednočipových počítačů umí přímo tento typ souborů číst a ukládat do

paměti. Dalo by se říct, že se jedná do jisté míry o standard ve světě

programovatelné elektroniky. Ostatně i výstupem překladačů pro jednočipy

AVR, PIC apod. je právě soubor s daty v HEX formátu.

S tímto formátem umí většinou pracovat i obslužné programy, Monitory.

Pak stačí poslat HEX soubor po sériové lince a Monitor jej uloží do paměti.

6.2 Základy assembleru

Ano, já vím, terminologicky to není správné označení, ale mí čtenáři mu

rozumí. Půjde o Jazyk symbolických adres, všeobecně (a nesprávně)

nazývaný assembler.

Procesor, jak jsme si už řekli, zpracovává instrukce tak, že čte z paměti

jejich strojový kód po bajtech, ty dekóduje a podle nich provádí

požadované činnosti. Zápis programů v číselných hodnotách by byl velmi

nepohodlný, proto se používá zápis pomocí mnemotechnických názvů

instrukcí. Takovému zápisu se říká „jazyk symbolických adres“ (JSA), nebo

(nesprávně, ale všeobecně srozumitelně) „zápis v assembleru“ (anglicky

assembly language).

Program se v JSA zapisuje jako v jiných jazycích do textového souboru po

řádcích. Řádky mají přesně definovaný formát a skládají se z následujících

prvků:

 Návěští: řetězec znaků [A-Z, 0-9, podtržítko], který nezačíná číslicí.

Některé překladače rozlišují jen prvních 6 znaků, jiné prvních 8, další pak

všechny. Návěští je zakončeno dvojtečkou.

 Instrukce: mnemotechnická zkratka instrukce, popřípadě pseudoinstrukce

(direktivy)

 Parametry: Některé instrukce a direktivy vyžadují další údaje, se kterými

musí instrukce pracovat. Zapisují se za mnemotechnické označení

instrukce, od které se oddělí mezerou (nebo mezerami). Pokud je

parametrů víc, oddělují se od sebe čárkami.

 Poznámka: Cokoli, co si potřebujete poznamenat. Na začátku je znak

středník (;), vše, co je za tímto znakem, překladač ignoruje.

Některé assemblery měly ještě přísnější pravidlo: cokoli začínalo

v prvním sloupci, to bylo návěští. Pokud na řádku žádné návěští nebylo,

musel takový řádek začínat tabelátorem nebo mezerou.

Ukažme si různé typy řádků.

Prázdný řádek překladač prostě ignoruje.

Řádek, kde je jen poznámka: Pokud je prvním znakem na řádku (mezery

nepočítáme) znak středník, bere se zbytek řádku jako poznámka a překladač

jej ignoruje.

Řádek s instrukcí: Na řádku je uvedena existující (pseudo)instrukce,

popřípadě její parametry, má-li nějaké. Překladač ji přeloží na odpovídající

operační kód. Za parametry může být ještě poznámka, kterou překladač

ignoruje

Řádek s návěštím: Libovolný typ výše uvedených řádků může ještě

začínat návěštím, tj. řetězcem ukončeným dvojtečkou. V takovém případě

překladač přiřadí tomuto řetězci adresu, která odpovídá internímu počítadlu

adres. (K tomu se ještě vrátím.)

Podívejme se na ukázku kódu:

1) ;Program začíná

2) .ORG 8000H; nastavíme počátek kódu

4) ZACATEK:

5) NOP

6) NOP

7) NAVEST: NOP

8) NOP

V tomto kódu najdete řádek s komentářem (1), prázdný řádek (3), řádky

s instrukcemi (5, 6, 7, 8) i řádky s návěštím (4, 7).

Použil jsem jen jednu instrukci, totiž instrukci NOP, kterou znají snad

všechny procesory a její význam je prostý: Nedělej nic. Možná se vám zdá

zbytečné mít instrukci, která nedělá nic, ale ona se docela dobře hodí – když

potřebujete někde „chvilku počkat“, nebo když si chcete někde nechat místo

pro budoucí změnu. U procesorů 8080 / Z80 je její kód 0, u procesoru 6502

je to 0EAh.

Instrukce „.org“ není instrukcí v pravém slova smyslu. Nemá totiž žádný

operační kód. Pouze říká překladači: Teď se chovej tak a tak. Patří tedy

mezi pseudoinstrukce (nebo taky „direktivy“). Org je zkratka pro „origin“,

tedy počátek. Tady říká překladači: Ber to tak, že tady, jak jsem já, bude

nějaká konkrétní adresa, a následující instrukce tedy ukládej od té adresy

dál.

Pseudoinstrukce .org má jeden parametr – totiž tu adresu. Tady je zapsaná

v hexadecimální podobě.

Jak lze zapsat konstanty v assembleru?

Máme následující možnosti:

Hexadecimální zápis

 Pomocí číslic 0-9 a znaků A-F. Číslo začíná vždycky číslicí a je ukončeno

znakem H (h). Takže: 1234h, 00AAH, 23beh, 0cfh, 18H, …

 Pomocí číslic 0-9 a znaků A-F, před kterým je znak $. Takže: $1234,

$00AA, $23be, $cf, $18, …

 Některé překladače umožňují i zápis v „céčkové“ syntaxi „0x…“

Binární zápis

 Řetězec znaků 0,1 ukončený písmenem „b“

 Řetězec znaků 0,1, před kterým je znak „%“

Desítkové číslo

 Zapisujte tak, jak jsme zvyklí.

Znaková konstanta

 Znak zapsaný v apostrofech nebo uvozovkách. Hodnotou je ASCII kód

daného znaku. Např. „@“ = 64 = 40h

Tady je na místě připomenout, že konkrétní syntaxe jednotlivých

překladačů se může lišit. V dalším popisu budu vycházet z tvaru, jaký jsem

implementoval v překladači ASM80. Totéž platí i pro pseudoinstrukce –

někde je správný zápis „org“, u jiného překladače je to důsledně „.org“

s tečkou. ASM80 povoluje oba tvary. Původní assemblery braly zápis bez

tečky.

Listing – výpis přeloženého programu

Když si vezmete výše zapsaný kód a zkusíte ho přeložit překladačem –

např. výše zmíněným ASM80 – získáte na výstupu jednak binární podobu

(která nebude moc zajímavá), jednak takzvaný listing, což je výpis

programu spolu s adresami a instrukčními kódy.

0000 ;Program začíná

8000 .ORG 8000H; nastavíme počátek kódu

8000

8000 ZACATEK:

8000 00 NOP

8001 00 NOP

8002 00 NOP

8003 00 NAVEST: NOP

8004 00 NOP

_PC 8004

ZACATEK 8000

NAVEST 8003

Každý řádek začíná adresou, na jaké je daná instrukce uložena. Vidíte, že na

prvním řádku ještě překladač neví, kde chceme program mít, a tak počítá

s tím, že bude uložený od adresy 0. Na druhém řádku pseudoinstrukcí .org

říkáme, že program bude v paměti uložen od adresy 0100h. Překladač si

proto nastaví interní počítadlo adres (_PC) na hodnotu 0100h. Třetí řádek je

„prázdný řádek s návěštím“. To znamená, že do tabulky návěští je zařazeno

návěští se jménem ZACATEK a je mu přiřazena hodnota interního

počítadla adres, tedy 0100h.

Čtvrtý řádek obsahuje konečně nějakou reálnou instrukci. Je to instrukce

NOP, je přeložena na operační kód (00) a ten bude uložen na adrese 0100h.

Počítadlo se posune na následující adresu, tedy 0101h.

Pátý řádek: NOP, kód je zase 00, je uložen na adrese 0101h a počítadlo se

posouvá…

Šestý řádek: NOP, kód je zase 00, je uložen na adrese 0102h a počítadlo se

posouvá…

Na sedmém řádku je návěští NAVEST. Je mu tedy přiřazena hodnota

interního počítadla adres (0103h). Na tomtéž řádku je i instrukce. Její

operační kód je uložen na tuto adresu a pokračujeme dál…

Na samotném konci listingu vidíte výpis všech návěští. _PC je interní

počítadlo adres (které skončilo na hodnotě 0104h), no a návěští ZACATEK

a NAVEST mají ty hodnoty, jaké jsme si popsali výše.

Základy jsou tedy jasné, pojďme na skutečné programování v assembleru.

6.3 První program v assembleru 8080

Napíšeme si první program. Nelžu, opravdu první program v assembleru

pro procesor 8080!

Nebude to Hello world, bude to něco sofistikovanějšího. Sečteme dvě čísla.

Třeba 18H a 23H. (Výsledek je 03BH, kdo nevěří, ať tam běží.) Nebojte se

toho, že nezačínám od základů, že ještě žádnou instrukci neznáte (ne, znáte

jednu, z minulé kapitoly víte o NOP) ani že neřeknu hned všechno (třeba

zamlčím existenci „registru“ M). Jen si odskočíme, abyste viděli, jak se

v assembleru pracuje, a už v příští lekci to budeme brát systematicky

instrukci po instrukci…

Ale teď: Jak sečíst dvě čísla v assembleru? Asi už tušíte, že to nebude

prosté jako napsat „18+23“. Procesor 8080 totiž nic takového jako „sečti

dvě čísla, která ti sem napíšu“ neumí. Co umí?

Umí sečíst dvě čísla, to je v pořádku. K sečtení slouží instrukce ADD, se

kterou se seznámíme v dalších lekcích. ADD má jeden parametr, a tím je

jméno registru. Vzpomeňte si na kapitolu o architektuře 8080: máme

k dispozici registry B, C, D, E, H, L a akumulátor A. Instrukce ADD má

symbolický tvar „ADD r“ (kde „r“ je právě to jméno registru) a její funkce

je následující: Vezme obsah registru A, přičte k němu obsah zadaného

registru a výsledek uloží zase do A. Nějak takhle:

INSTRUKCE FUNKCE

ADD B A = A + B

ADD C A = A + C

ADD D A = A + D

ADD E A = A + E

ADD H A = A + H

ADD L A = A + L

ADD A A = A + A

Postup bude tedy následující: Do jednoho registru si uložíme první číslo,

tedy 18H, do druhého registru druhé číslo (23H), a pak je pomocí instrukce

ADD sečteme. Protože ADD vyžaduje, aby jeden ze sčítanců byl v registru

A, ušetříme si práci tím, že jedno z čísel umístíme rovnou do A, druhé třeba

do B.

Jak do registrů nahrajeme nějaké číslo? Použijeme k tomu instrukci MVI

(Move Immediate). Tato instrukce má dva parametry – první je jméno

registru, druhý je hodnota 0-255, tedy 1 bajt. Symbolicky zapsáno je to

„MVI r, n8“ (n8 se označuje osmibitové číslo). Všimněte si, že pořadí

parametrů je podobné jako ve vyšších jazycích, tedy vlevo je to, KAM se

ukládá, vpravo CO se tam má uložit. V našem případě použijeme dvojici

instrukcí „MVI A, 23H“ a „MVI B, 18H“.

Nakonec výsledek uložíme do paměti na vhodnou adresu. Která to je? No,

na adresách 0000h až 7FFFh je ROM, tam nelze zapisovat. Od adresy

8000h bude náš přeložený program. Ideální adresa je tedy „hned za

programem“. Nevýhoda je, že pokud k programu něco přidáte, tak se tato

adresa změní.

Poslední krok je návrat do monitoru. Aniž bych teď podrobněji vysvětloval

důvod, tak řeknu, že použijeme instrukci JMP 0.

Celý program bude vypadat takto:

ORG 8000h

MVI A,023h

MVI B,018h

ADD B

STA VYSLEDEK

JMP 0

VYSLEDEK: DS 1

Direktiva DS na posledním řádku znamená: „Tady nechej prostor

o velikosti X bajtů“ – v tomto případě 1 bajt. Tím jsme si udělali místo na

uložení výsledku.

Co se tam děje? Nejprve říkáme překladači, ať si nastaví adresu 0, od té

adresy se budou ukládat instrukce do paměti. Pak je instrukce, která do

registru A uloží hodnotu 23h, pak do registru B uložíme 18h, a pak

vykonáme ADD B, což je, jak už víme, ekvivalent „A = A + B“. Výsledek

uložíme do paměti na adrese VYSLEDEK a skočíme zpět do Monitoru.

Ukažme si ještě listing – z něj, mimo jiné, zjistíme, která že adresa je ten

VYSLEDEK:

8000 .ORG 8000h

8000 3E 23 MVI A,023h

8002 06 18 MVI B,018h

8004 80 ADD B

8005 32 0B 80 STA VYSLEDEK

8008 C3 00 00 JMP 0

800B VYSLEDEK: DS 1

Instrukce MVI zabírá vždy dva bajty. První bajt je kód instrukce (3Eh =

MVI A; 06h = MVI B), druhý bajt je hodnota, která se má do registru

nahrát. Instrukce ADD je jednobajtová, STA a JMP jsou tříbajtové – vždy

operační kód (1 bajt) a adresa (2 bajty). A konečně magický VYSLEDEK –

bude uložen do paměti na adresu 800Bh, což je adresa následující za

poslední instrukcí.

Tak, to by bylo. A teď otázka nejdůležitější: Bude to fungovat? Bude.

V tuhle chvíli vám nezbývá nic jiného, než mi věřit. Anebo si to vyzkoušet.

Buď použijte svůj oblíbený assembler, spusťte si kód na svém počítači

Alpha – no a nebo využijte ASM80, kde si můžete kód napsat, přeložit

a odladit v emulátoru, a to všechno přímo v prohlížeči (tedy, pokud máte

aspoň trošku modernější prohlížeč)!

Náš program nic moc nedělá. Když si ho spustíte, proběhne bleskurychle

a uloží výsledek na adresu 800Bh. Pomocí Monitoru si můžete ověřit, že

výsledek odpovídá očekávání…

Program můžete přenést do Alphy například tak, že pomocí příkazu

M8000 začnete měnit obsah paměti od adresy 8000h a ručně budete

zadávat jednotlivé hodnoty (vždy ukončené ENTERem): 3E 23 06 18 …

Nebo si necháte vygenerovat HEX soubor a pošlete jej po terminálu do

počtíače.

Pomocí příkazu D8000 si ověříte, že program je v paměti tak, jak má být.

Příkazem G8000 jej spustíte.

Poté, co doběhne, zadejte opět M800B a prohlédněte si výsledek.

Ale co, Řím taky nepostavili za den!

6.4 Instrukce 8080 – adresní módy a registry

Jak instrukce ví, kde má vzít data, se kterými pracuje?

Některé instrukce (jako už zmíněný NOP) nevyžadují žádné parametry

a nepracují s žádnými daty. Tam je to jasné. Ovšem většina instrukcí něco

dělá, to znamená, že potřebuje odněkud vzít nějaké údaje, někam je uložit

atd. Procesor 8080 má čtyři různé způsoby, jak říct, kde se data nacházejí.

Přímý operand

Tímto způsobem zapíšeme přímo hodnotu do kódu a procesor ji použije.

S přímým operandem pracuje např. instrukce MVI, kterou jsme si ukázali

v minulé kapitole. Součástí instrukce je přímo hodnota, která je použita.

Přímé adresování

Je podobné předchozímu. I v tomto případě je součástí instrukce hodnota,

která ale není použita tak, jak je, ale je brána jako adresa (v paměti nebo

vstupně-výstupní brány). Například instrukce „LDA 554Ah“ používá právě

tento typ adresování. Procesor udělá to, že hodnotu 554Ah vezme jako

adresu místa v paměti, přečte z něj jeden bajt a ten uloží do registru A.

Adresování registrem

Součástí instrukce je v takovém případě jméno registru, registrového páru

nebo dvojice registrů, se kterými se operace provádí.

Nepřímé adresování registrem

Instrukce bere hodnotu v dvojici registrů (BC, DE, HL) nebo v registru SP

jako adresu do paměti. Pracuje pak s obsahem na této adrese.

Některé instrukce pracují s tzv. „implicitním operandem“, což znamená, že

operand (jeden z operandů) je daný už samotnou instrukcí. Například

zmíněná instrukce ADD používá dva operandy – jeden je vždy A a druhý je

určen parametrem.

6.5 Registry

U osmibitových instrukcí můžeme použít libovolný osmibitový registr –

tedy A (akumulátor), B, C, D, E, H, L a M.

Moment! Registr M? Nikde jsem se o něm nezmínil… Není to nějaký

renonc?

Není. „Registr M“ (memory) je ve skutečnosti buňka v paměti na adrese,

která je uložena v registrech H a L. Pokud je v registru H hodnota 12h

a v registru L hodnota 34h, bude instrukce, která pracuje s „registrem M“,

pracovat ve skutečnosti s obsahem paměti na adrese 1234h. Instrukce ADD

M přičte k obsahu registru A hodnotu z paměti na adrese 1234h.

Všimněte si, že nelze přímo přistupovat k registru F. Ono to většinou není

k ničemu dobré, ale kdybyste opravdu potřebovali znát jeho hodnotu, dá se

to obejít takovým trikem, který si popíšeme později.

Pokud instrukce pracuje s šestnáctibitovou hodnotou, využívá

šestnáctibitový registr SP nebo dvojice registrů B, D, H. „Dvojregistr“ B

jsou vlastně registry B a C, v B je vyšší bajt, v C nižší. Obdobně pro D a H.

Instrukce pro práci se zásobníkem používají „šestnáctibitový registr“ PSW,

což je ve skutečnosti dvojice registrů A a F (A vyšší byte, F nižší).

Nezapomeňte: Procesory Intel, Zilog Z80 i 6502 používají zápis

vícebajtových čísel ve formátu „Little Endian“. Znamená to, že na nižší

adrese je méně významná část čísla. Příklad: Na adresu 0100h uložíme

naši obligátní hodnotu 1234h. Paměť je organizovaná po bajtech, hodnota

je dvoubajtová (16 bitů), jak to tedy uložit? Použijeme dvě buňky paměti,

0100h a 0101h. Na tu nižší přijde nižší část čísla (34h), na tu vyšší zase

vyšší část (12h). V paměti to tedy bude vypadat nějak takto:

0100h: 34h

0101h: 12h

Některé procesory (z těch známějších především procesory od Motoroly)

používají opačný způsob („Big Endian“), kdy se části čísla zapisují do

paměti od nejvýznamnějšího bajtu.

6.6 Přesuny dat

První skupina instrukcí, kterou si probereme, přesouvá data. Z registrů, do

registrů, i z paměti a do paměti…

Až budete psát programy v assembleru, zjistíte, že nejvíc kódu nezabírají

nějaké hyper super složité výpočty, ale přesouvání dat odněkud někam.

V podstatě většina činností, které mikroprocesorový systém navenek dělá,

je z valné části přesouvání dat. Samotného počítání je minimum. Takže je

jen logické, že začneme právě u těchto instrukcí.

MOV

Univerzální instrukce pro kopírování obsahu z jednoho registru do druhého.

Instrukce má dva operandy – názvy osmibitových registrů. Jako první se

uvádí cílový, jako druhý zdrojový. MOV A,B tedy vezme obsah registru B

a zkopíruje ho do registru A. MOV A,C zkopíruje obsah z registru C do

registru A. MOV C,A přesně naopak – z registru A do registru C.

Ptáte se, kolik je kombinací? No všechny dostupné – tedy 8 x 8 = 64. Čímž

neříkám, že jsou všechny smysluplné či funkční. Instrukce MOV A,A je

samo sebou platná, zkopíruje obsah z registru A do registru A, ale upřímně:

k čemu to je?

Znovu připomínám, že M je „pseudoregistr“, který ve skutečnosti odkazuje

na místo v paměti s adresou, která je uložená v dvojici registrů H, L. Takže

MOV A,M znamená „vezmi obsah z paměti na adrese, která je v registrech

H,L, a zkopíruj ho do registru A“. MOV M,E znamená „vezmi obsah

registru E a zkopíruj ho do paměti na adresu, která je v registrech H,L“. No

a MOV M,M – to je výjimka, a docela nebezpečná. Taková instrukce

neexistuje. Její operační kód zaujímá instrukce HLT, která zastaví procesor.

Opravdu. Procesor pak čeká až do chvíle, kdy přijde přerušení nebo

RESET.

MVI

Tato instrukce vloží do osmibitového registru přímo zadanou hodnotu.

LXI

Tato instrukce vloží do registrového páru B, D, H nebo registru SP přímo

zadanou šestnáctibitovou hodnotu.

LDA

Instrukce má jeden parametr – šestnáctibitovou adresu. Obsah paměti na

téhle adrese zkopíruje do registru A

STA

Protipól předchozí instrukce – ukládá hodnotu z registru A do paměti na

adresu zadanou jako operand.

A nyní si prosvištime nektera sloviška a cele fěty – pardon, zkusíme si, jak

tyhle instrukce pracují.

8000 .ORG 8000h

8000 3E 0A MVI A,10

8002 06 14 MVI B,20

8004 21 40 80 LXI H,8040h

8007 77 MOV M,A

8008 3A 03 80 LDA 8003h

800B 32 41 80 STA 8041h

Kód přeložte a spusťte emulaci (pokud používáte ASM80). První instrukce

je MVI A, 10. Po provedení prvního kroku bude tedy v registru

A hodnota… aha! Je tam 0Ah. Emulátor totiž ukazuje všechny hodnoty

hexadecimálně, zatímco v kódu je zapsaná konstanta 10, bez H na konci,

takže je to tedy desítková hodnota, a 10 desítkově je v šestnáctkové

soustavě 0A.

U reálného počítače můžete postupovat takto: nahrajte kód do paměti.

Pomocí příkazu X8002 nastavte bod přerušení (breakpoint) na adresu

8002h. Spusťte program příkazem G8000. Procesor provede první

instrukci na adrese 8000h, a na adrese 8002h narazí na breakpoint. V tu

chvíli se opět zavolá Monitor, který oznámí, že běh programu byl

zastaven na adrese 8002h. Příkazem R si teď můžete prohlédnout obsah

registrů.

Takže tedy znovu: První instrukce uloží do registru A hodnotu 0Ah (=10),

druhá instrukce uloží do registru B hodnotu 14h (=20). Třetí instrukce je

LXI H, číslo– mrkněte se o kousek výš… jasně! Tahle instrukce uloží

zadané číslo do dvojice registrů HL. Tady je to 8040h, takže do H půjde

vyšší (80h) a do L nižší (40h) část čísla.

Na dalším řádku je instrukce MOV M,A. Z toho, co o ní víme, by se mělo

stát následující: Obsah registru A (což je teď těch 0Ah) se zkopíruje do

paměti na adresu, která je uložená v registrech HL. Tak schválně –

v registrech HL je uložena hodnota 8040h, takže by se v paměti na adrese

8040h měla objevit hodnota 0Ah. Zkuste si sami – vidíte, že vlevo nahoře,

v oblasti nadepsané MEMORY, se na adrese 8040h objeví právě ta hodnota

0Ah.

Bystřejší si všimli, že od adresy 8000h jsou v paměti nějaká čísla. Ti, co

jsou ještě bystřejší, už vědí: To je přeci ten náš program! A právě do té

oblasti sáhne další instrukce – LDA 8003h vezme obsah paměti na adrese

8003h, což je zrovna shodou okolností číslo 14h (které je součástí instrukce

MVI B, 20) a uloží ho do registru A.

Poslední instrukce pak uloží obsah registru A na adresu 8041h, takže od

adresy 8040h budete mít vedle sebe hezky 0Ah a 14h. Máte? Skvělé,

pojďme na další instrukce!

LDAX

Tak jako LDA vezme hodnotu z paměti na adrese, kterou mu zadáme,

a uloží ji do A, tak i LDAX vezme hodnotu z paměti a uloží ji do A.

Adresu, se kterou se bude pracovat, najde v registrovém páru B nebo D

(tedy v registrech B, C, resp. D, E).

STAX

Jako má LDA svoje STA, tak má LDAX svůj STAX. Funguje stejně jako

LDAX, jen přenos dat probíhá v opačném směru.

LHLD

Tahle instrukce opět pracuje s dvojicí bajtů. Jako parametr dostane adresu

a vykoná následující: Do registru L zkopíruje hodnotu z paměti na dané

adrese a do registru H zkopíruje hodnotu z paměti na adrese o 1 vyšší.

SHLD

Už to tak je. Instrukce Lněco mají svou obdobu v podobě Sněco. Tam, kde

L z paměti čte (load), tam S do paměti zapisuje (store). Takže SHLD uloží

obsah registru L na zadanou adresu, obsah registru H na adresu o 1 vyšší.

Všimněte si, že LHLD i SHLD dodržují pravidlo „malého indiána“ – na

nižší adresu jde méně významný bajt.

XCHG

Poslední instrukce pro přesun dat je tak trošku výjimka. Nemá žádné

operandy – to, s čím pracuje, je dáno implicitně (jsou to dvojregistry D

a H). A na rozdíl od předchozích instrukcí, které kopírovaly hodnoty, tato

instrukce je vyměňuje. XCHG vymění obsah registrů D a E za obsah

registrů H a L. Tedy to, co bylo v D, bude teď v H – a naopak. Kdybychom

udělali třeba MOV H,D a MOV L,E, dosáhli bychom něčeho jiného obsah

registrů D a E by se nevyměnil, ale ZKOPÍROVAL, takže by bylo v D

totéž, co v H, a v E totéž, co v L.

Pokud chceme vyměnit údaje ve dvou registrech, musíme použít pomocný

registr. Například výměnu obsahu registrů B a C zařídíme takto:

MOV A,B

MOV B,C

MOV C,A

Tedy přes registr A. Jeho původní hodnotu samozřejmě ztratíme…

A opět drobná ukázka. Až si pohrajete, můžete si zkusit jedno cvičení. První

samostatný program. Poslyšte zadání, je jednoduché: Program prohodí

obsah registrů BC a HL.

6.7 Příznaky a zásobník

Procesor potřebuje vědět, jak dopadla ta která instrukce, a občas si

potřebuje nějaká data odložit na později.

Příznaky

O registru F jsem se už zmiňoval. Je to takový lehce mystický registr, do

kterého se nedá přímo zapisovat a ze kterého se nedá přímo číst. Psal jsem,

že v něm jsou uložené takzvané příznaky. Co to je?

Některé instrukce, převážně ty, co něco počítají, mohou dát najevo, že

výsledek je v určitém formátu. Například že je nulový, záporný, jakou má

paritu, nebo že při výpočtu přetekl výsledek z rozsahu 0-255. A přesně tyto

informace ukládá jako příznakové bity do registru F.

U procesoru 8080 je příznakových bitů 5 a jsou v registru uloženy takto:

BIT 7 6 5 4 3 2 1 0

PŘÍZNAK S Z 0 AC 0 P 1 CY

 S (sign) informuje o znaménku výsledku. Je-li výsledek kladný, je to 0,

je-li výsledek záporný, je to 1

 Z (zero) je roven 1 v případě, že výsledek je nula. Pokud je nenulový, je

Z = 0

 AC (auxiliary carry) je roven 1, pokud při operaci došlo k přenosu přes

polovinu bajtu (mezi nižší a vyšší čtveřicí)

 P (parity) je nastaven vždy tak, aby doplnil počet jedniček ve výsledku na

lichý (tedy je roven 0, je-li počet jedniček lichý, 1, je-li sudý)

 CY (carry) je 1, pokud dojde k přenosu z nejvyššího bitu.

Termín „přenos“ je možná nejasný, pojďme si ho upřesnit. Co se stane,

když budu sčítat čísla 0FAh a 0Ah (250 a 10) v osmibitovém registru?

Výsledek je 260, hexadecimálně 104h – a to je číslo, které má devět bitů.

Devátý (nejvyšší) bit se do registru nevejde, tam zůstanou jen bity 0-7 (tedy

osm bitů). Pokud taková situace nastane, je příznak CY nastaven na

jedničku.

Tento příznak je velmi užitečný, pokud sčítáte vícebajtová čísla. Sečtete

nejprve čísla na nižších řádech, a pokud je náhodou větší než možný rozsah,

přenesete si jedničku do vyššího řádu.

Tentýž příznak funguje i pro odčítání – zde zase funguje jako označení

„výpůjčky“ do nejvyššího řádu v případě, že výsledek je menší než 0. Když

od čísla 04h odečteme číslo 05h, bude výsledek 0FFh (nezapomeňte, že

hodnoty jdou za sebou a po nule je 0FFh). Příznak CY bude nastaven

(„půjčili“ jsme si jedničku), příznak S bude nastaven (výsledek je záporný).

Ve skutečnosti je -1 a 255 jedno a totéž číslo a je jen na nás, jestli se na něj

díváme jako na číslo se znaménkem, nebo na číslo bez znaménka. -2 je 254,

-3 je 253 atd. Pokud chceme v binární soustavě převést číslo na jeho

zápornou hodnotu, uděláme bitovou negaci (zaměníme 0 za 1 a opačně)

a přičteme jedničku (procesor na to samo sebou má vhodnou instrukci).

8000 .ORG 8000h

8000 3E FA MVI a,0FAh

8002 06 0A MVI b,0Ah

8004 80 ADD b

8005 06 05 MVI b,5

8007 90 SUB b

8008 00 NOP

A k čemu jsou příznaky dobré? Jednak pomáhají s výpočty, a jednak se

můžete podle výsledků rozhodovat a provádět podmíněné skoky a volání

podprogramů.

Zásobník

Občas procesor potřebuje, jak jsem už psal, nějaká data „odložit“ na

později. Ať už to jsou data, co si potřebuje uložit programátor, nebo třeba

adresa, kam se má program vrátit z podprogramu. Používá k tomu strukturu

zvanou zásobník (stack). Stack je struktura typu LIFO (Last In – First Out,

tedy co se poslední uloží, to se první vrátí). Implementace zásobníku je

jednoduchá: V paměti si vyhradíte oblast, a adresu jejího konce +1 uložíte

do registru SP (Stack Pointer). Zásobník je připravený.

Do zásobníku se vždy ukládají dva bajty, tedy buď adresa, nebo celý

registrový pár. Pokud na zásobník uložíme pár HL, stane se toto: Procesor

sníží SP o 1, na tuto adresu uloží obsah registru H, pak zase sníží SP o 1

a na tuto adresu uloží obsah registru L. Teď uložíme třeba pár BC: Procesor

sníží SP o 1, na tuto adresu uloží obsah registru B, pak zase sníží SP o 1

a na tuto adresu uloží obsah registru C.

Když teď vyzvedneme hodnotu ze zásobníku – třeba do registrů DE –

procesor vezme obsah z adresy SP, uloží ho do registru E, SP zvýší o 1,

vezme obsah z adresy SP, uloží ho do registru D a opět zvýší SP o 1. SP teď

ukazuje na předchozí položku a v DE máme tu poslední uloženou. Což

byla, shodou okolností, zrovna hodnota z registrů B a C – nikde není psáno,

že se musí údaje vybrat do téhož registru, z jakého byly uloženy.

Zásobník se tedy posouvá od vyšších adres k nižším. Proto se umisťuje na

konec RAM, aby měl dost prostoru kam růst. Což s sebou nese riziko, že

pokud uložíte do zásobníku příliš mnoho hodnot, klesne SP až tak, že další

uložená data můžou přepsat váš program (tomuto stavu se říká přetečení

zásobníku, stack overflow). Pokud umístíte zásobník POD program, může

se zase stát, že poklesne až třeba do oblasti, kde je ROM. Oba stavy jsou

chybné, znamenají téměř stoprocentně pád programu a většinou nastávají,

když se program dostane do nekonečné smyčky, ve které se odskakuje nebo

ukládá.

PUSH a POP

K uložení obsahu registrů do zásobníku slouží instrukce PUSH s jedním

parametrem, a tím je jméno dvojice registrů (B, D, H), nebo „PSW“ –

o kterém jsem se už zmiňoval. PSW (Program Status Word) je dvojice

registrů A a F. Pro vybrání hodnot ze zásobníku slouží instrukce POP

(a stejné parametry). Pojďme si zaexperimentovat: nastavíme si zásobník do

paměti a budeme do něj ukládat a zase vybírat data.

8000 .ORG 8000h

8000 3E 11 MVI a,011h

8002 01 33 22 LXI b,2233h

8005 11 55 44 LXI d,4455h

8008 21 77 66 LXI h,6677h

800B 31 40 80 LXI sp,8040h

800E ;ukládáme

800E F5 PUSH psw

800F C5 PUSH b

8010 D5 PUSH d

8011 E5 PUSH h

8012 ;vybirame

8012 C1 POP b

8013 E1 POP h

8014 D1 POP d

8015 3E 00 MVI a,0

8017 F1 POP psw

Všimněte si nejprve toho, jak se do paměti ukládají data, když se vykonává

instrukce PUSH. Později, při načítání zpět, je načítáme v jiném pořadí,

takže registry nemají původní obsah.

Na konci minulé kapitoly jsem zadal úkol: vymyslet způsob, jak prohodit

obsah registrových párů BC a HL. Předpokládám, že jste napsali něco

takového:

MOV A,B

MOV B,H

MOV H,A

MOV A,C

MOV C,L

MOV L,A

Což je správně, ale přijdeme tím o obsah, který je v registru A. Pokud nám

to nevadí, není co řešit. Ale pokud by nám to vadilo, dáme na začátek

PUSH PSW a na konec POP PSW. Samozřejmě, spoléháme na to, že

zásobník je správně nastavený, ale vzhledem k tomu, jak často je

používaný, tak je to jedna z prvních věcí, co slušný programátor udělá.

No a s informacemi z této lekce můžete stejné zadání vyřešit třeba takto:

PUSH B

PUSH H

POP B

POP H

SPHL

Tato instrukce naplní registr SP obsahem dvojice registrů HL. Tedy SP =

HL. Ptáte se, jak se zařídí opak, tedy jak zjistíte hodnotu registru SP

a uložíte ji do HL? Tipujete instrukci HLSP? Ne, žádná taková není. Musíte

použít konstrukci LXI H,0 a DAD SP (o instrukci DAD si řekneme víc

v další kapitole, zde jen zmíním, že přičte k dvojici registrů HL obsah jiné

dvojice registrů, popřípadě, jako zde, obsah registru SP).

XTHL

Další instrukce, která vyměňuje hodnoty dvojic registrů. XTHL vymění

hodnotu dvojice registrů HL s „poslední uloženou hodnotou na zásobníku“.

Tedy: poslední hodnota, uložená na zásobníku, se ocitne v HL, a hodnota

HL bude poslední hodnota na zásobníku.

6.8 Aritmetické operace

Je to počítač, ne? Tak to má taky počítat!

Procesor samo sebou není živ jen přesouváním dat tam a zpátky. Občas taky

musí něco spočítat. K tomu mu slouží aritmetické instrukce pro sčítání,

odčítání a porovnání. (Kde je násobení, dělení a hyperbolický sinus?

Dozvíte se později!)

ADD

Instrukce ADD r vezme obsah v osmibitovém registru r (tedy A, B, C, D, E,

H, L nebo M, což je ve skutečnosti obsah paměti, ale to už jsem psal asi

pětkrát…) a přičte ho k registru A. Výsledek sčítání uloží do registru A.

Pokud vám připadá, že se registr A používá nějak často, tak se vám to

nezdá, je to opravdu tak, a protože se k němu vztahují skoro všechny

aritmetické i logické instrukce, tak se mu říká „akumulátor“.

Po sčítání nastaví patřičně příznaky S, Z, AC, P a CY – viz popis funkce

příznaků v minulé kapitole.

Pojďme se podívat na pár příkladů sčítání a toho, jak ovlivní příznaky.

Všechna čísla budou hexadecimálně.

Sčítanec

Výsledek S Z AC CY POZNÁMKA

03 05 08 0 0 0 0 Nic zvláštního, vešli jsme se dokonce do jedné pozice

09 08 11 0 0 1 0

Při sčítání bylo třeba přenést jedničku z nejnižší pozice

do vyšší

FF 01 00 0 1 1 1

Výsledek je 0 (Z), přetekl rozsah registru (CY)

a přenášela se jednička mezi čtveřicemi bitů (AC)

F0 05 F5 1 0 0 0

Pokud používáme aritmetiku se znaménkem, tak je

výsledek záporný (S)

Se znaménkem…?

Jak to vlastně je, když chceme použít místo čísel bez znaménka (0-255)

čísla se znaménkem (-128 až 127)? Kde to dáme procesoru najevo?

Odpověď zní: Nikde! Procesoru to je úplně jedno. Vezměme si poslední

řádek z předchozí tabulky. Pokud se bude jednat o čísla bez znaménka, tak

sčítáme hodnotu 240 (F0h) a 5. To je dohromady 245, tedy hexadecimálně

F5h. Když je budeme vnímat jako čísla se znaménkem, tak sčítáme -16

(F0h) a +5. Výsledek je -11, což je hexadecimálně F5h.

Předposlední řádek je podobný: při sčítání bez znaménka je

FFh+01h=100h, což se do osmi bitů nevejde, máme tedy výsledek 00

a nastavený přenos (1). Pokud sčítáme se znaménkem, sčítáme -1 (FFh)

a +1 a výsledek je – opět nula!

To, jestli pracujeme s čísly se znaménkem nebo bez znaménka, si musíme

určit coby programátoři sami. Procesor je zpracovává stále stejně a je jen na

nás, jak je interpretujeme. Jen je důležité je interpretovat vždy stejně.

ADI

Často potřebujeme přičíst nějakou předem známou konstantu. Pomocí ADD

bychom si ji museli nejprve uložit do některého registru, a ten pak přičíst.

Naštěstí to jde rychleji, pomocí jedné instrukce ADI. Ta má jediný

parametr, a tím je osmibitová konstanta. Tu přičte k registru A. Zbytek, tedy

nastavování příznaků apod., platí stejně jako u instrukce ADD.

ADC

Funguje stejně jako instrukce ADD, ale k výsledku přičte ještě hodnotu

příznaku CY. Hodí se to například při sčítání větších čísel. Představme si, že

máme dvě šestnáctibitová čísla, jedno v registrech BC, druhé v registrech

DE, a chceme je sečíst a výsledek uložit do registrů BC. Takhle jednoduše

to nejde, žádnou instrukci na to nemáme, takže to musíme udělat krok po

kroku. Nejprve si sečteme čísla na nižších pozicích (C + E) a výsledek

uložíme do C. Ovšem pokud součet těchto číslic bude větší než 255, tak

musíme při sčítání vyšší pozice přičíst (přenesenou) jedničku! Což je bez

problémů, protože, jak víme: ADD nastaví správně příznak CY, a ADC ho

dokáže započítat. Součet tedy naprogramujeme třeba takto:

MOV a,c

ADD e

MOV c,a

MOV a,b

ADC d

MOV b,a

Naštěstí instrukce MOV nijak neovlivňuje příznaky, takže stav příznaku CY

tak, jak ho nastaví instrukce ADD, se až do provedení instrukce ADC

nezmění.

Funguje to? Ověříme v emulátoru! Sečteme si čísla 1000 a 2000 (03E8h

a 07D0h), výsledek by měl být 3000 (0BB8h)… Všimněte si, že při součtu

nižších řádů (E8h+D0h) je nastaven bit přenosu, protože výsledek je větší

než FFh.

8000 .ORG 8000h

8000 01 E8 03 LXI b,1000

8003 11 D0 07 LXI d,2000

8006 79 MOV a,c

8007 83 ADD e

8008 4F MOV c,a

8009 78 MOV a,b

800A 8A ADC d

800B 47 MOV b,a

ACI

Jako má ADD své ADI, tak má ADC své ACI. K registru A přičte zadanou

konstantu a hodnotu příznaku CY.

SUB, SUI

Instrukce SUB od hodnoty v registru A odečte hodnotu zadaného registru

a výsledek uloží do A. SUI dělá totéž, ale s osmibitovou konstantou. Pokud

je výsledek menší než 0, tak se pokračuje od FFh dolů (-1 = FFh, -2 = FEh,

…) a je nastaven příznak CY, který má tentokrát význam „výpůjčky“

(borrow).

SBB, SBI

Totéž jako SUB, SUI, ale tentokrát od výsledku odečte 1, pokud je nastaven

příznak CY.

CMP, CPI

Tyto instrukce porovnají obsah registru A s jiným registrem (CMP) nebo

konstantou (CPI) a nastaví příznakové bity takto:

POROVNÁNÍ S Z CY

A=n 0 1 0

A>n 0 0 0

A<n 1 0 1

Podmíněné instrukce skoku se pak mohou podle těchto hodnot rozhodnout.

Zajímavost: Instrukce CMP a CPI vnitřně dělají totéž jako instrukce SUB,

SUI, tedy odečtou od A hodnotu parametru, nastaví příznaky, ale výsledek

neuloží do A, ale zahodí ho.

INR, DCR

Velmi častá operace je zvýšení hodnoty o 1 nebo naopak odečtení 1. Vyšší

jazyky, které vyšly z jazyka C, na to mají i operátory „++“ a „–“. INR přičte

k registru 1, DCR odečte 1. Instrukce ovlivní příznaky S, Z, AC a P, CY

ponechá tak jak je (v tom se liší od ADI 1 / SUI 1)

INX, DCX

INR a DCR pracují s osmibitovým registrem, INX a DCX pracují s dvojicí

registrů, jako by byl jeden šestnáctibitový. Parametrem může být B, D, H

nebo SP.

DAD

Sčítání v šestnácti bitech. K obsahu registrů HL přičte BC, DE, HL nebo

SP.

A jak se tedy násobí a dělí? Dostaneme se k tomu, nebojte, ale teď si

odskočíme. Jump!

6.9 Skoky

Kdyby nebyly skoky, tak by program prostě jen jel, jel, jel… a na konci by

jel zase od začátku. Něco jako flašinet.

Předpokládám, že znáte nějaký vyšší jazyk. Pravděpodobně ten jazyk

obsahuje příkaz, kterému se vyhýbáte jako čert kříži, i když tam z nějakého

důvodu je. Pokud jste mladší ročníky a začali jste s nějakým moderním

jazykem, tak před vámi možná dokonce existenci toho příkazu úplně

zatajili. Každopádně vám řekli, že to je zlo, nesystémovost, vede to ke

špatným věcem a vůbec – pokaždé, když použijete GOTO, tak Bůh zabije

koťátko.

Vítejte ve světě, kde je GOTO tím hlavním nástrojem.

Totiž, aby bylo jasno: V assembleru nejsou objekty, třídy, metody…

Dokonce tam nejsou ani řídicí struktury. Není tam cyklus FOR, WHILE,

není ani IF / ELSE. Ba co hůř – nejsou ani datové typy. Zapomeňte na

řetězce, zapomeňte na datové struktury, jediné, co máte, je číslo. Zapomeňte

na lokální proměnné. Nic z toho v assembleru nedostanete. Je to tvrdý

svět – člověk proti křemíku. Nic vám neodpustí, nic za vás nedomyslí. Ale

zase má jiné výhody: můžete program optimalizovat do nejmenších

podrobností a detailů a za týden práce máte vymazlený program, co byste

ve vyšším jazyce psali jedno odpoledne. Možná je rychlejší, možná je

kratší, každopádně v něm můžou číhat velmi zákeřné chyby, které nemáte

ve vyšším jazyce šanci udělat.

„Ale jak tedy udělám smyčku? Jak cyklus? Jak vnořím podmínky? Vždyť

bez těchto základních konstrukcí nelze programovat!“ To si povíme za

chvíli, teď si ukážeme, co máme k dispozici.

JMP

To je ono, to zlé GOTO. Tady se jmenuje JMP (jako že „jump“) a má jeden

parametr. Tím je šestnáctibitové číslo – adresa, na kterou se skočí, tj. ze

které bude procesor číst další instrukci. Vnitřně funguje tak, že to

šestnáctibitové číslo, které je součástí instrukce, uloží do registru PC. Ten

obsahuje adresu, ze které se čte aktuální instrukce. Když tedy do PC

uložíme číslo 0123h, bude se další instrukce číst z adresy 0123h.

Když takový program píšete, musíte znát adresu, kde bude ta cílová

instrukce uložena. Naštěstí si to nemusíte počítat, to za vás dělá překladač.

Vy jen překladači řeknete, kde bude ležet první instrukce (.org,

vzpomínáte?), a zbytek adres si dopočítá za vás. Vy si můžete jednotlivé

body pojmenovat symbolickými názvy a překladač je za vás správně

vyhodnotí. Nějak takhle:

8000 .ORG 8000h

8000 3E 01 COLD: MVI a,1

8002 3C LOOP: INR a

8003 C3 07 80 JMP skip

8006 3D DCR a

8007 SKIP:

8007 C3 02 80 JMP loop

Což je samo sebou zcela smyšlený příklad, ve skutečnosti by ho takhle

nikdo nenapsal, ale je hezky vidět, jak instrukce JMP skáčou dopředu

i dozadu. Zkuste si ho chvíli krokovat a uvidíte…

CALL, RET

Víte, nebyl jsem tak úplně upřímný. GOTO není jediné, co máte

k dispozici. Ještě můžete použít GOSUB / RETURN. Pokud znáte BASIC,

víte, co tyto instrukce dělají – volají podprogram. Ve vyšších jazycích je to

něco jako procedura / funkce, ale opravdu jen velmi vzdáleně: nejsou žádné

lokální proměnné, nejsou parametry, nejsou návratové hodnoty. Je tedy

konvence, která říká, že podprogram, pokud něco vrací, tak by to měl vracet

v registru A nebo HL, ale není to vůbec nezbytné – když na to přijde, tak

váš podprogram může vrátit údaje v registru E, B a návdavkem ještě

v příznaku CY.

Pokud v podprogramu změníte hodnotu registru, zůstane změněná i po

návratu do hlavního programu. Musíte s tím počítat, a pokud si nechcete

přepisovat hodnoty v registrech, tak si nezapomeňte na začátku

podprogramu potřebné hodnoty uložit na zásobník (PUSH) a před návratem

zase ze zásobníku vybrat (POP). Ale pozor! Vždycky musíte vybrat přesně

tolik údajů, kolik jste jich uložili, protože jinak se stanou strašlivé věci.

Jaké? Hned si ukážeme.

Jak taková instrukce CALL funguje? CALL má jeden parametr, kterým je

šestnáctibitová adresa, jako u instrukce JMP. CALL nejprve vezme adresu

následující instrukce (říká se jí „návratová adresa“), tu uloží na zásobník,

a pak provede skok na zadanou adresu, stejně jako JMP. Instrukce RET

vezme hodnotu ze zásobníku (měla by tam být ta návratová adresa, kterou

tam uložila instrukce CALL) a skočí na ni. provádění programu tak

pokračuje za tou instrukcí CALL, která volala podprogram.

Pokud si v podprogramu uložíte obsah registru (třeba HL pomocí PUSH H),

bude na zásobníku HL a pod ním návratová adresa. Před návratem tedy

musíte HL zase odebrat (nejčastěji pomocí POP něco), aby se RET vrátila

tam, kam má. Pokud byste hodnotu neodebrali, RET by obsah zásobníku, tj.

uloženou hodnotu registrů HL, považovala za návratovou adresu a skočila

by tam. Naopak pokud byste si ze zásobníku vyzvedli víc údajů, než jste do

něj vložili, byla by mezi nimi i návratová adresa, takže RET by se vrátila

úplně někam jinam.

Ano, OBČAS se takové triky dělají, ale upozorňuju dopředu: dělají je

programátoři, kteří vědí, co dělají a proč. Mají své místo ve chvíli, kdy

hledáte, jak ušetřit nějaký ten bajt / nějaký ten takt procesoru, ale v naprosté

většině případů je přebývající POP nebo PUSH chyba, která povede k pádu

celého systému.

8000 .ORG 8000h

8000 31 60 80 LXI sp,8060h

8003 LOOP:

8003 CD 0C 80 CALL neco

8006 CD 0C 80 CALL neco

8009 C3 03 80 JMP loop

800C 3C NECO: INR a

800D 05 DCR b

800E C9 RET

PCHL

Prosím, nečíst P-Ch-L (podle vzoru Pche!), ale P-C-H-L. Když to přečtete

správně, napoví vám, jak funguje. Do registru PC uloží obsah HL (PC=HL).

Je to tedy něco jako JMP na adresu, uloženou v HL.

RST

RST je taková zkratka pro CALL na některé oblíbené adresy. Instrukcí RST

je 8, číslovaných 0-7, a skáčou na adresu 8*N (kde N je to číslo). RST 0 je

tedy totéž co CALL 0, RST 1 je CALL 8, RST 2 je CALL 16 (CALL

0010h) a tak dál… až RST 7 je totéž jako CALL 0038h. Oproti instrukci

CALL, která zabírá 3 bajty (1 bajt instrukční kód 2 bajty adresa) má

instrukce RST jen 1 bajt, navíc se provede rychleji než CALL. V mnoha

systémech jsou proto na těchto adresách připravené často používané

podprogramy. Namátkou ZX Spectrum používá RST 2 (v mnemonice

procesoru Z80 označená jako RST 10h) pro vypsání znaku s ASCII kódem,

který je v registru A, na výstup (obrazovku).

V Monitoru V3 slouží RST 0 pro návrat do monitoru, RST 1 pošle znak

z registru A na sériovou linku, RST 2 čeká na znak ze sériové linky a vrátí

ho v registru A, RST 3 jsou obecná systémová volání a RST 4

implementuje mechanismus ladicích bodů (breakpoint).

Podmíněné skoky

Je hezké, že program skáče jako srnka, ale mnohem lepší a užitečnější by

bylo, kdyby mohl nějak reagovat na to, co se počítá. K tomu slouží

podmíněné instrukce Jcond, Ccond a Rcond. „Cond“ je označení podmínky,

která se má testovat. Vždy se testuje hodnota některého příznaku S, Z, CY

nebo P.

COND PROVEDE SE, POKUD…

C CY = 1

NC CY = 0

Z Z = 1

NZ Z = 0

M S = 1

P S = 0

PE P = 1

PO P = 0

Podmínky mají i své mnemotechnické názvy: Carry, Not Carry, Zero, Not

Zero, Minus, Plus, Parity Even, Parity Odd.

Podmíněné skoky, odvozené od JMP, jsou tedy JC, JNC, JZ, JNZ, JM, JP,

JPE a JPO. Pracují tak, že otestují příslušný podmínkový bit. Pokud platí

podmínka, provede se skok, pokud není splněna, pokračuje se dál.

Například instrukce JZ 0123h zkontroluje nejprve, jestli je příznak Z=1.

Pokud ano, skočí na adresu 0123h, pokud ne, pokračuje dál.

Ano, takhle nějak funguje IF cond THEN GOTO x. „Pokud je splněno,

skoč tam a tam.“ V praxi budete chtít často zapsat něco jako „Pokud je

výsledek 0, udělej ještě to a to…“ (tedy chování obdobné známé konstrukci

IF) V assembleru to vyřešíte tak, že zapíšete „Pokud výsledek není 0, tak

přeskoč až za blok příkazů“.

; IF (CY) {INC A, DEC D}

JNC navesti ; Pokud podmínka neplatí, přeskoč

INC A ; blok příkazů

DEC D

navesti: ; a tady se pokračuje dál.

; IF (NZ) {INC A, DEC D} else {DEC A, DEC E}

JZ else ; Pokud podmínka neplatí, přeskoč

INC A ; blok příkazů

DEC D

JMP endif ; bez toho by se provedl i blok ELSE

else:

DEC A

DEC E

endif: ; a tady se pokračuje dál.

Takto tedy funguje konstrukce IF – THEN a IF – THEN – ELSE.

Podobně jako jsou podmíněné instrukce skoku JMP, tak můžeme vytvořit

podmíněné skoky do podprogramu (Ccond – CZ, CNZ, CC, CNC, CM, CP,

CPE, CPO) a podmíněné návraty (RZ, RNZ, RC, RNC, RM, RP, RPE,

RPO). Fungují stejně jako CALL a RET, ale provedou se pouze pokud je

splněná podmínka.

While

Dobře, ukážeme si jednu konstrukci z vyššího jazyka, přepsanou do

assembleru. Představte si takový počítaný cyklus WHILE:

while (--B) {

A = ctiKlav();

pisObr(A+1);

}

Tedy dokud je hodnota B vyšší než 0, tak od něj odečti 1, zavolej funkci

ctiKlav, výsledek ulož do A, a zavolej funkci pisObr s parametrem v A.

Řekněme si na rovinu – nic takového jako „výsledek ulož do registru A“

nemáme. Je na autorovi podprogramu ctiKlav, aby vrátil požadované

v registru A. Stejně tak nemůžeme podprogramu pisObr předávat nějaké

parametry – pokud podprogram očekává nějakou hodnotu v registru A, je

na nás, abychom ji do toho registru připravili. Nemluvě o tom, že budeme

používat registr B jako počítadlo průchodů, takže pokud nám ho některý

z podprogramů přepíše, tak algoritmus nebude fungovat.

Proto je, a to vám kladu na srdce, dobrým zvykem u každého

podprogramu napsat do dokumentace, ve kterém registru očekává

parametr, ve kterém vrací hodnotu, a zmínit, pokud nějaký registr přepíše,

ať s tím může ten, kdo ten podprogram použije, správně naložit.

(Kdysi jsem četl historku o tom, jak se kdosi v 80. letech bál použít

podprogramy monitoru, protože v dokumentaci u nich psali poznámky

jako: Ničí registry D, E. Čímž autor samo sebou myslel, že přepíše

hodnoty v nich uložené, ovšem nebohý juniorní programátor se bál toho

výrazu ničí – počítač je tak drahý stroj, tak si přeci nevezme na svědomí,

aby se vevnitř něco zničilo.)

Tak jak tedy to výše zmíněné přepsat do assembleru? Řešení:

while:

DCR B ; --B

JZ endwhile ; je už 0? Skok na konec…

CALL ctiKlav ; volání

INR A ; A = A + 1

CALL pisObr ; volání

JMP while ; další průchod smyčkou

endwhile:

Budete používat nejrůznější varianty této konstrukce – s podmínkou na

konci (do {…} while()) nebo s podmínkou uprostřed, ale vždy to bude plus

mínus něco podobného.

Ony totiž všechny ty konstrukce, které znáte a máte rádi (for, while apod.),

jsou nakonec často přeloženy do strojového jazyka, a to nějakým

způsobem, který je velmi podobný tomuto. Tedy samé IF…THEN GOTO

a GOTO.

GOTO!

6.10 Rotace

„Cože? Rotace? Proč ne něco Opravdu Důležitého?“ – ale ony jsou docela

důležité, věřte mi, a když je správně použijete, tak ušetří spoustu času.

Procesor 8080 oplývá sadou instrukcí, která dokáže provádět takzvané

bitové rotace registru A. Co to znamená?

Představme si registr A jako osm bitů, očíslovaných (od nejnižšího) 0-7.

Představme si je napsané vedle sebe.

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

To je on. S ním budeme teď pracovat a jako první si ukážeme operaci

„rotace vlevo“:

RLC

Instrukce RLC posune bity o 1 doleva. To znamená, že bit 0 se přesune na

pozici 1, bit 1 na pozici 2, bit 2 na pozici 3 a tak dál, a bit 7, který nám

vypadne zleva ven, se zase vrátí zprava na pozici 0. (A právě proto, že

takhle „krouží“, se té operaci říká „rotace“. Kdyby vypadl a byl zahozen,

byl by to „posuv“ – ale takové instrukce 8080 nemá). Bit 7 je zároveň

zkopírován do příznaku CY.

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

RLC Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 7 Bit 7

RRC

Instrukce RRC posune bity o 1 doprava. To znamená, že bit 7 se přesune na

pozici 6, bit 6 na pozici 5, bit 5 na pozici 4 a tak dál, a bit 0, který tentokrát

vypadne vpravo, se vrátí zleva na pozici 7, a návdavkem je zkopírován do

příznaku CY.

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

RRC Bit 0 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

RAL

Další dvě instrukce berou v úvahu i obsah příznaku CY. RAL funguje stejně

jako RLC, ale s jedním rozdílem – bit 7, který zleva vypadne, je zapsán do

příznaku CY, a hodnota z CY je přesunuta do pozice 0 v registru A.

Graficky to vypadá nějak takto:

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

RAL Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY Bit 7

RAR

RAR je obdoba předchozí funkce RAL, jen směr je opačný – bity se

posouvají doprava, bit 0 jde do CY a „staré CY“ jde na pozici 7.

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

RAR CY Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

Víc rotací procesor 8080 nemá.

Jaké mají tyto operace smysl? Když se nad tím zamyslíte, je to analogické

jako u desítkové soustavy: když máte číslo (123) a posunete ho o jednu

pozici doleva (a zprava doplníte nulou), dostanete jeho desetinásobek

(1230). Když ho posunete doprava, dostanete celočíselný výsledek dělení

deseti. U dvojkové soustavy platí totéž – posun doleva je totéž jako

vynásobit dvěma, posun doprava je dělení dvěma.

Trochu tam hapruje to rotování kolem dokola, ale to lze obejít pomocí

vhodného domaskování nebo tím, že si předem nastavíte příznak CY na

požadovanou hodnotu.

Dají se použít ještě na spoustě dalších míst – ale to si ještě ukážeme.

STC, CMC a jak nastavit příznak CY?

Přiznám se, že jsem váhal, kam zařadit instrukce STC a CMC, a nakonec je

zařadím sem. Instrukce STC nastaví CY na 1, instrukce CMC neguje jeho

hodnotu. Pokud chcete CY nastavit na nulu, musíte buď udělat STC

a CMC, nebo (pokud vám nevadí, že přijdete o hodnotu v příznacích S, Z,

P) zkusit třeba CMP A – tato instrukce porovná registr A se sebou

samotným. Výsledek je, nepřekvapivě, „hodnota se sobě rovná“, takže

instrukce nastaví Z na 1 a S a CY nuluje.

Rotace 8080 – souhrn

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

RLC Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 7 Bit 7

RRC Bit 0 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

RAL Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY Bit 7

RAR CY Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

6.11 Násobení

Když se sejdou tři sobi, tak se radost násobí…

Už jsme si řekli, že násobení nepatří mezi základní operace, kterými

procesor 8080 oplývá. A rovnou můžu prozradit, že to ani u Z80, ani u 6502

není v tomto směru o moc lepší. Po pravdě si nevzpomínám kromě 6809

a jednočipů 8051 na žádný další osmibitový procesor z té doby, který by

měl instrukci pro násobení. Neříkám, že neexistoval, jen si na něj

nevzpomínám.

Pokud chceme násobit, a taková potřeba na každého někdy přijde, musíme

si vystačit s tím co máme a známe. A taky trošku zavzpomínat na základní

školu.

Násobení poprvé – naivní

Víme, že 3 krát 5 je vlastně 5 + 5 + 5. Třikrát se sečte pětka. Mohlo by to

vypadat nějak takhle – násobíme obsah registru B obsahem registru C

a výsledek ukládáme v A:

8000 .ORG 8000h

8000 0E 05 MVI C,5

8002 06 03 MVI B,3

8004 3E 00 MVI A,0

8006 81 LOOP: ADD C

8007 05 DCR B

8008 C2 06 80 JNZ loop

Rovnou upozorňuju, že to je jeden z nejzoufalejších kódů, co tu budou

zveřejněné. Je špatný z mnoha důvodů. Zaprvé – když násobím dvě

osmibitová čísla, může být výsledek až šestnáctibitový (prostý test: 255 *

255 = 65025 (FE01h)). Já tu sčítám hodnoty v registru A, který je

osmibitový a přeteče už u čísla 255. Což, to by se dalo napravit snadno –

místo sčítání v registru A můžu použít registry HL, přičítat k nim číslo

z registrů DE a bude to… Nějak takto (opět násobíme B * C, výsledek jde

do HL):

8000 .ORG 8000h

8000 0E 05 MVI C,5

8002 06 03 MVI B,3

8004 21 00 00 LXI H,0

8007 54 MOV D,H

8008 59 MOV E,C

8009 19 LOOP: DAD D

800A 05 DCR B

800B C2 09 80 JNZ loop

Teď už můžeme násobit v plném rozsahu, tenhle problém jsme vyřešili, ale

je tu jiný problém. Totiž ten, že násobení trvá dlouho. Představte si, že B

bude třeba 250 a C dvě. Budeme 250krát přičítat dvojku, stále dokola –

ostatně zkuste si to v emulátoru nasimulovat, uvidíte sami. Co s tím?

Můžeme čísla na začátku prohodit (místo „250x přičti dvojku“ udělat „2x

přičti 250“), ale to je řešení na půli cesty. Vlastně ne na půli cesty, ve

skutečnosti na pytel! Správný postup je zahodit tenhle algoritmus a jít na to

jinak.

Násobení podruhé – rafinované

Spousta lidí tváří v tvář dvojkové soustavě strne a očekává, že přestanou

fungovat postupy, které znají ze soustavy desítkové. Ale ony fungují docela

dobře. Třeba to násobení se dá obstojně zařídit stejně, jako jsme se to učili

ve třetí třídě ZŠ, když jsme násobili na papíře dvojciferná čísla pod sebou.

Pamatujete?

* 34

------

104 (4 * 26)

+ 78 (3 * 26)

======

884

Postup popíšu slovy. Začneme od nejnižšího řádu druhého činitele (4). Tím

vynásobíme prvního činitele (4*26) a dostaneme první mezivýsledek (104).

Ten platí pro nejnižší řád (je zapsaný úplně vpravo, zarovnaný s tím řádem,

který právě zpracovávám). Pokračuju k vyššímu řádu druhého činitele.

Vida, je to 3. Postup opakuju: vynásobím tím číslem první činitel (3*26)

a druhý mezivýsledek (78) si zapíšu na pozici desítek, tedy o řád výš než

předchozí. A takhle budu pokračovat, dokud nepronásobím všechny řády

druhého činitele. Nakonec mezivýsledky sečtu.

Tak. A jde to tak i ve dvojkové soustavě? Zkusíme to. Kolik je dvojkově 13

* 9?

1101 13

0 1001 9

---------

1101 1 * 1101

+ 0000 0 * 1101

+ 1101 1 * 1101

=========

1110101 117

Postup je naprosto stejný – taky násobíme a posouváme o řád, ovšem

situaci máme o mnoho jednodušší: Protože pracujeme ve dvojkové

soustavě, tak násobíme vždy jen buď jedničkou (tedy mezisoučet je roven

prvnímu činiteli), nebo nulou (a mezisoučet je 0). Mezisoučty postupně

posouváme doleva a přičítáme.

Tak, s touhle vědomostí by určitě šlo napsat násobící algoritmus, který

nemá tu nectnost, že by závisel na hodnotě činitele. Jeho hlavní smyčka

proběhne tolikrát, kolik má druhý činitel bitů. Ale předtím, než se do něj

pustíme, si řekneme ještě pár tipů.

K posunu registru o jeden bit doleva můžeme samozřejmě použít instrukci

rotace. Ovšem tady budeme rotovat rovnou dva registry najednou.

Nejjednodušší způsob bude použít instrukci DAD H. Ta, jestli si

vzpomínáte, přičte k registrovému páru HL hodnotu svého parametru – tedy

HL. Sečíst HL a HL znamená vlastně udělat 2*HL, a z hlediska bitového je

to totéž jako posunout obsah registru doleva o 1 bit a zprava doplnit nulou.

Tedy přesně to, co se děje v tom algoritmu výše.

Troufnete si napsat algoritmus, který vynásobí obsah registrů D a E

a výsledek uloží do HL? Zkuste to…

Řešení je následující:

8000 .ORG 8000h

8000 31 80 80 LXI sp,8080h

8003 16 0D MVI d,13

8005 1E 09 MVI e,9

8007 CD 0D 80 CALL mul8

800A C3 00 00 JMP 0

800D MUL8:

800D 21 00 00 LXI h,0

8010 06 08 MVI b,8

8012 4A MOV c,d

8013 54 MOV d,h

8014 MUL8LOOP:

8014 79 MOV a,c

8015 0F RRC

8016 4F MOV c,a

8017 D2 1B 80 JNC Mul8Skip

801A 19 DAD d

801B MUL8SKIP:

801B EB XCHG

801C 29 DAD h

801D EB XCHG

801E 05 DCR b

801F C2 14 80 JNZ Mul8Loop

8022 C9 RET

Může vám připadat trošku zmatené, ale nebojte, hned si to projdeme.

Na začátku nastavím zásobník na rozumnou pozici. Připravím si do registrů

D a E hodnoty, které budeme násobit (13 a 9). Mohl bych použít LXI D,

0D09h, ale pro názornost je to takhle rozepsané. Pak volám podprogram

Mul8 – jako že „Multiplication, 8 bits“.

V podprogramu si nejdřív vynuluju registry HL. Tam se budou průběžně

sčítat mezivýsledky. Do B si připravím hodnotu 8 – to je počítadlo, kolikrát

provedu hlavní smyčku. Budu ji provádět osmkrát, pro každý řád jednou,

tak proto ta osmička. Teď bych potřeboval, aby v DE byl jen druhý činitel

(tedy v D 0 a v E to, co tam je). Přesunu si tedy obsah D do registru C

(mám teď činitele v registrech C a E) a registr D si vynuluju. A teď může

začít vlastní kouzlo…

Podívám se, jakou hodnotu má nejnižší bit registru C, a posunu si ho

o jednu pozici doprava (v příštím průchodu tak budu kontrolovat pozici 1,

pak pozici 2 atd.) To ale nemůžu udělat přímo, takže si jej musím nejprve

přesunout do registru A, tam provést RRC a pak uložit zpátky do C.

Instrukce RRC dělá obě věci, co potřebuju, najednou – uloží nejnižší bit (do

příznaku CY) a rotuje o jednu pozici doprava.

Podle hodnoty nejnižšího bitu (mám ho teď v CY) se rozhodnu, jestli

mezisoučet (DE) přičtu k celkovému výsledku (pokud je 1), nebo nepřičtu

(CY=0). Použiju podmíněný skok: Pokud není CY (JNC), tak skoč dál.

Pokud je CY, pokračuj a přičti DE k HL (HL=HL*DE)

Tím mám jeden krok skoro za sebou. Teď už jen musím posunout

mezisoučet v DE o jednu pozici doleva. Vyřeším to tak, že ho přičtu k sobě

samotnému (tedy DE = DE + DE). A protože na to instrukci nemáme, tak si

pomocí XCHG na chvíli prohodíme DE a HL a provedeme HL = HL + HL.

Pak už jen snížím počet průchodů smyčkou (DCR B), a pokud ještě nejsme

na nule, tak to celé provedeme znovu.

A věřte nebo ne, na tomhle principu je založena naprostá většina

softwarových násobiček.

Násobení dvaapůlté – optimalizované

Můžeme u předchozího algoritmu ušetřit pár bajtů, dva registry a nějaký ten

čas, a to tím, že druhý činitel umístím do registru H, zatímco mezisoučet

bude neustále v HL. Zní to divně? Divné to teprve začne být!

Ve skutečnosti při tomto postupu nepůjdeme od nejmenšího bitu, ale od

nejvyššího. Náš postup nebude ten, že při každém průchodu přičteme první

činitel, patřičně posunutý doleva (*2), ale při každém průchodu naopak

vynásobíme mezisoučet dvěma a případně přičteme první činitel.

Matematicky místo (A * 2

* b

) + (A * 2

* b

) + (A* 2

) + … (A je první

činitel, b

-b

bity druhého činitele) budeme provádět (((A*b

)*2+

(A*b

))*2+(A*b

))*2…

Pro zájemce doporučím nastudovat něco, čemu se říká Hornerovo

schéma. (Náš učitel programování tomu říkal tvrdošíjně „Hornerovo

šéma“ – ale on říkal taky místo while cosi, co znělo jako [hwajl]…)

Využijeme toho, jak se chová instrukce DAD H. Už jsme si řekli, že udělá

HL = HL + HL, tedy HL * 2. Tedy vlastně posune obsah HL o jednu pozici

doleva. Zároveň nastaví příznak CY, pokud hodnota přeteče – v tomto

případě přeteče, pokud je nejvyšší bit registru H = 1… takže jako by

zkopíroval ten nejvyšší bit do příznaku CY.

Takže jednou instrukcí tu máme:

 posun hodnoty v registru H o jeden bit doleva (tedy můžeme jít bit po

bitu od b

po b

 při každém posunu udělá vlastně jeden bit prostoru pro mezisoučet v HL

(to, že H v průběhu výpočtu ve vyšších bitech obsahuje nějaký zmatek, to

nevadí, protože „zmatek“ se postupem času odsune pryč),

 vynásobí mezisoučet dvěma.

Tolik dobra za jednu cenu, že?

8000 .ORG 8000h

8000 31 80 80 LXI sp,8080h

8003 16 13 MVI d,0x13

8005 1E 09 MVI e,0x9

8007 CD 0D 80 CALL mul8

800A C3 00 00 JMP 0

800D MUL8:

800D 62 MOV h,d

800E 2E 00 MVI l,0

8010 06 08 MVI b,8

8012 55 MOV d,l

8013 MUL8LOOP:

8013 29 DAD h

8014 D2 18 80 JNC Mul8Skip

8017 19 DAD d

8018 MUL8SKIP:

8018 05 DCR b

8019 C2 13 80 JNZ Mul8Loop

801C C9 RET

Vyšší dívčí? Nebojte se, vpravíte se do toho. V očích vám teď vidím otázku:

Zešílels? Tohle přeci není normální!

Takže: Ano, zešílel, ale to s tím nijak nesouvisí, a ne, v assembleru je tohle

naprosto normální. Když chcete, hrajete o každý bit v registru, takt

procesoru, bajt v paměti… A někdy ani nechcete, ale musíte!

Násobení potřetí

V assembleru má optimalizace vždycky dvě fáze. V té první vyhazujete

instrukce, které jste napsali zbytečně – program bude kratší i rychlejší. V té

druhé si musíte vybrat: Chcete kratší kód? Musíte dělat triky, co vás budou

stát nějaký ten čas. Chcete kód rychlý? Musíte obětovat prostor.

I u algoritmu násobení stojíte před stejným rozhodováním: rychleji? Bude

to něco stát…

Úplně nejrychlejší algoritmus by byl takový, který by měl v paměti

výsledky všech možných kombinací pro násobení (v případě osmibitových

činitelů by jich bylo 65536) a prostě by si jen sáhnul tam, kam potřebuje.

Taková tabulka by ale zabrala spoustu paměti a pro vlastní program by

v adresním prostoru běžného osmibitového procesoru zůstalo… ehm…

přesně 0 bajtů. Naštěstí existují kompromisní řešení, kdy si do tabulky

uložíme jen pár konstant (třeba 1024) a zbytek dopočítáme. Je to opět

kompromis mezi rychlostí a velikostí.

6.12 Logické instrukce

– „Milý autore, tvá kniha je zmatená a nemá žádnou logiku! Logika v něm

chybí! Tvůj čtenář.“

– „Milý čtenáři, logika tu nechybí. Logika je tu právě teď! Tvůj autor.“

Protože předpokládám, že všichni, co to čtete, jste už nějaký programovací

jazyk zvládli, tak si nemusíme, doufám, vysvětlovat, co je to AND, OR

a XOR. Nebo aspoň naznačím: &, | a ^.

ANA, ANI

Provede operaci AND mezi registry A a vybraným registrem (ANA), nebo

mezi registrem A a zadanou osmibitovou konstantou (ANI). Hezky bit po

bitu, a výsledek jde zpátky do A. Pokud se na parametr budeme dívat jako

na masku, kterou je třeba aplikovat na registr A, tak vězte, že kde má maska

1, tam zůstane A nedotčeno, kde má 0, tam bude vynulováno. Instrukce

ovlivňují všechny příznaky.

ORA, ORI

Provede operaci OR mezi registry A a vybraným registrem (ORA), nebo

mezi registrem A a zadanou osmibitovou konstantou (ORI). Hezky bit po

bitu, a výsledek jde zpátky do A. Pokud se na parametr budeme dívat jako

na masku, kterou je třeba aplikovat na registr A, tak vězte, že kde má maska

0, tam zůstane A nedotčeno, kde má 1, tam bude nastaveno na 1. Instrukce

ovlivňují všechny příznaky.

XRA, XRI

Provede operaci XOR mezi registry A a vybraným registrem (XRA), nebo

mezi registrem A a zadanou osmibitovou konstantou (XRI). Hezky bit po

bitu, a výsledek jde zpátky do A. Pokud se na parametr budeme dívat jako

na masku, která se bude aplikovat na registr A, tak vězte, že kde má maska

0, tam zůstane A nedotčeno, kde má 1, tam bude změněna hodnota

příslušného bitu v A. Instrukce ovlivňují všechny příznaky.

CMA

Vezme obsah registru A a zneguje ho, tj. všechny 1 prohodí za 0

(a obráceně). Instrukce nijak neovlivní příznaky.

Praktické použití

Takhle odsud to možná vypadá jako nějaká zajímavost pro nerdy, ale věřte,

že v assembleru budete tyhle instrukce používat často. Například pro

nastavení konkrétního bitu použijete ORI 01h (02h, 04h, 08h, 10h, 20h,

40h, 80h). Pro vynulování bitu použijete AND, ale v negované podobě –

tam, kde chcete bit nastavit na 0, nechte 0, všude jinde 1. Chcete-li

vynulovat bit 3 (To je on: „….3…“), použijete konstantu, která má všude 1,

s výjimkou pozice 3: „11110111“. Tedy F7h.

Operace XOR slouží krom změny hodnot bitů i k jednomu hezkému fíglu:

pokud potřebujete vynulovat registr A a nezáleží vám na tom, že se změní

hodnota příznaků, použijte XRA A. Taková instrukce zabere jen jeden bajt

a je i proti MVI A,0 rychlejší.

Instrukce CMA má efekt stejný jako XRI FFh – ale nemění příznaky

a zabere jen jeden bajt.

Teď jsme se dostali do bodu, kdy zbývá probrat už jen šest instrukcí

procesoru 8080, takže je opět vhodná chvíle na drobné odbočení, ať to

máme pestřejší…

6.13 Instrukce a operační kód

… a když na vás o půlnoci zakřičím: „C3h!“, tak vy vyskočíte!

Jistě jste se v předchozích kapitolách dívali na to, jaké kódy patří k jakým

instrukcím a zaujalo vás, že „MVI A, něco“ má vždycky první bajt 3Eh.

(Cože? Nevšimli? Nezaujalo? A zvážili jste, že byste se místo assembleru

učili třeba Javu?)

Nebo taková instrukce MOV – ať už je jakákoli, je její kód vždycky mezi

40h a 7Fh. Má to svoji logiku. Schválně, podívejte se sami (ten program je

naprosto nesmyslný, proto se nedívejte, co dělá, ale jak je přeložený!)

0000 40 MOV b,b

0001 41 MOV b,c

0002 42 MOV b,d

0003 43 MOV b,e

0004 44 MOV b,h

0005 45 MOV b,l

0006 46 MOV b,m

0007 47 MOV b,a

0008 48 MOV c,b

0009 50 MOV d,b

000A 58 MOV e,b

000B 60 MOV h,b

000C 68 MOV l,b

000D 70 MOV m,b

000E 78 MOV a,b

Dá se v tom vypozorovat určitá pravidelnost, že? Instrukce MOV obecně

vypadá totiž po jednotlivých bitech takto:

0 1 d d d s s s

Trojice bitů D a S kódují jednotlivé registry (D = cílový, S = zdrojový).

Registry jsou kódované následujícím způsobem:

R2 R1 R0 REGISTR

0 0 0 B

0 0 1 C

0 1 0 D

0 1 1 E

1 0 0 H

1 0 1 L

1 1 0 M

1 1 1 A

Dva nejvyšší bity jsou 0 a 1. Pokud má instrukce nejvyšší dva bity takto

nastavené, ví dekodér instrukcí, že jde o MOV, že se bude přesouvat

z registru do registru, a informaci o tom, ze kterého do kterého najde

v bitech 5-3, resp. 2-0. (Ano, je tu výjimka – přesun z registru M do registru

M není možný a operační kód, který by taková instrukce měla (76h) je

vyhrazen pro jinou instrukci.)

Co třeba instrukce s takovýmto bitovým obrazem?

0 0 d d d 1 1 0

Možné kódy jsou 06h, 0Eh, 16h, …, 3Eh. Tato bitová kombinace říká

dekodéru, že se jedná o instrukci MVI, tedy přesun následujícího bajtu do

některého z registrů. Který registr to bude, to je opět zakódované

v operačním kódu – jsou to ty tři bity „d“.

A co takováto instrukce?

0 0 d d d 0 1 0

Možné kódy jsou 04h, 0Ch, 14h, …, 3Ch. Tentokrát se jedná o instrukci

INR a v operačním kódu je opět určeno, o jaký registr půjde.

Když se podíváte do tabulky instrukcí, zjistíte, že instrukce nejsou

rozmístěny nahodile. V první čtvrtině (00-3Fh) jsou nejrůznější přesuny,

rotace, inkrementace a dekrementace. Druhá čtvrtina (40h-7Fh) patří

přesunům (MOV), třetí třetina (80h-BFh) obsahuje aritmetické instrukce,

které pracují s registry (ADD, ADC, …) a poslední čtvrtina (C0h-FFh)

obsahuje převážně skoky, operace s přímým operandem a operace se

zásobníkem.

Takováto výstavba instrukcí je dána potřebou mít co nejjednodušší dekodér.

Později, až se podíváme na operační kódy procesorů 6502 nebo 680x,

zjistíme, že jsou v dodržování tohoto principu mnohem důslednější a že

i přes své zdánlivé limity nabízejí programátorovi mnohem větší svobodu.

6.14 Pseudoinstrukce

A jestli vám vadí to „pseudo“, nemáte rádi věci, co jsou jen „jako“ a raději

chcete mít vše jasně nařízené, tak to nazývejte třeba „direktivy“.

Překladač (správně nazývaný assembler, ale už jsme si vysvětlili, že tohle

slovo se tak nějak přemigrovalo i na Jazyk Symbolických Adres, a já

tentokrát potřebuju zdůraznit, že mám na mysli ne ten jazyk, ale opravdu

překladač) plní hlavně dva úkoly:

1. Překládá instrukce, zapsané v mnemotechnickém tvaru, tj. v podobě

nějakých snadno zapamatovatelných názvů, na jejich instrukční kódy

(MOV B, C = > 41h).

2. Počítá pozici v paměti a dovoluje je nazvat nějakým lidským jménem,

abychom mohli napsat „CALL podprogram“ a nemuseli přemýšlet, na

jaké že adrese ten podprogram je.

Kromě těchto instrukcí („pravých“ instrukcí) pracuje překladač ještě

s takzvanými pseudoinstrukcemi. „Pseudo-“ proto, že se zapisují jako

instrukce, ale ve skutečnosti je procesor nezná. Zná je překladač a nějak se

podle nich zachová. Některé už jsme si ukázali.

org adresa

Oznámí prohlížeči, že toto místo programu bude na dané adrese a další

instrukce se uloží za něj. Díky tomu si překladač správně spočítá adresy.

db číslo [,číslo, …]

Uloží do výsledného kódu bajt (nebo bajty). Místo čísla můžeme zapsat

i řetězec do uvozovek – překladač s ním naloží jako se seznamem ASCII

kódů.

dw číslo [,číslo, …]

Uloží do výsledného kódu šestnáctibitové číslo jako dva bajty. Pokud je víc

parametrů, uloží víc dvojbajtových hodnot.

ds počet

Řekne překladači, že má vynechat určitý počet bajtů. Používá se

v případech, že chceme nechat nějaký prostor volný (např. pro buffer) a je

nám jedno, jaký bude jeho obsah na začátku, stačí, když bude N bajtů

dlouhý.

návěští equ hodnota

Přiřadí jménu návěští nějakou hodnotu. Třeba takto:

HELLO EQU 8000h

Od této chvíle už nemusíme řešit, jestli jsme nespletli adresu – prostě

napíšeme LXI H, HELLO a překladač zjistí, že jsme HELLO nadefinovali

takovouto hodnotu, tak ji použije.

Poznámka k návěštím

Každé jméno návěští je unikátní. To znamená, že pokud použijete stejné

jméno znovu k označení nějaké pozice v paměti, nebo pokud už

nadefinovanému jménu budete přiřazovat hodnotu pomocí EQU, překladač

vám vyhodí chybové hlášení. Je to logické – kdybyste si definovali dvakrát

stejný název, překladač by nevěděl, jaká adresa platí…

Následující pseudoinstrukce jsou popsané tak, jak je implementuje

překladač ASM80. V jiných překladačích se jejich syntax může lišit.

.include jméno-souboru

Na místo této instrukce vloží obsah zadaného souboru, jako byste ho tam

vložili pomocí copy-paste. Ale asi není potřeba vysvětlovat víc. Všimněte si

tečky na začátku pseudoinstrukce… Správně by se měla psát u všech

pseudoinstrukcí (je to taková docela užitečná konvence), ale z historických

důvodů se u těch výše zmíněných nepoužívá.

.if výraz – .endif

Překladač vyhodnotí výraz, a pokud je nenulový, pokračuje v překladu.

Pokud je nula, vynechá všechny řádky až do nejbližšího .ENDIF – obdoba

podmíněných bloků třeba u preprocesoru jazyka C.

.ifn výraz – .endif

Stejná konstrukce, jen obrácená podmínka: následující instrukce až do

.ENDIF se překládají, pokud je výraz nulový!

Aktuální seznam pseudoinstrukcí naleznete v dokumentaci k ASM80.

6.15 BCD a přerušení

Kód BCD (Binary Coded Decimal) je způsob zápisu desítkových čísel

v šestnáctkové soustavě tak, že se místo znaků 0-F používají jen znaky 0-9

a když k 09h přičtete jedničku, nedostanete 0Ah, ale 10h. Odborné

vysvětlení si můžete přečíst na Wikipedii, já se přiznám, že mi to z tamního

popisu moc jasné nebylo. Vezmu to tedy „vlastními slovy“.

Někdy se hodí vypsat číslice takovým způsobem, jakému rozumějí

normální smrtelníci. Ti, jestli si ještě vzpomínáte, považují za číslice jen ty

znaky od nuly do devítky, a kdybyste na ně vyrukovali s tvrzením, že A až

F jsou taky číslice, tak vám nebudou rozumět. A ačkoli se někteří

programátoři (pohříchu často vyrostlí na assembleru) domnívají, že člověk

se má buď naučit rozumět počítačům tak, jak je přirozené strojům, nebo na

ně nešahat a jít pracovat do marketingu, je převažující postoj opačný. Takže

ani v tom assembleru nezaškodí čas od času nasimulovat starou dobrou

desítkovou soustavu.

Jestli jste si zkusili převést strojově osmibitové číslo na desítkovou

hodnotu, dáte mi zapravdu, že to není úplně procházka růžovou zahradou.

Dokonce ani počet bitů na číslici není vždy stejný… Proto vznikl kód BCD,

kde se do jednoho osmibitového čísla vejde desítkové číslo z rozsahu 0 –

99. Pokud je číslo v kódu BCD, tak 99h (1001 1001) neznamená 153

desítkově, ale 99 desítkově.

Což, jako vyjádření čísla dobré, ale teď – jak se s tím pracuje? Procesor na

to má nástroj.

Představte si, že sečtete dvě čísla, řekněme 13h a 28h. To máme 3Bh (je to

totiž desítkově 19 + 40 = 59). A přesně to nám spočítá následující kód:

MVI A, 13h

ADI 28h

Pokud budeme obě čísla považovat za čísla v kódu BCD, tedy vlastně

třináct a dvacet osm, budeme očekávat, že výsledek bude 41 – v BCD kódu

41h. Jak tedy sečíst dvě čísla v kódu BCD? Zcela normálně: sečteme je

běžnou instrukcí ADD/ADI, a po ní použijeme instrukci DAA.

DAA

Zkratka znamená „Decadic Adjust after Addition“, neboli Desítková úprava

po sčítání. Tahle instrukce vezme příznakové bity (zejména bit AC, který se

nikde jinde nepoužívá) a pomocí nich upraví výsledek (3Bh) tak, aby byl

v kódu BCD (41h).

Při odčítání platí

Požadavek na přerušení!

V procesorových systémech se občas stane něco významného

a důležitého, na co je potřeba okamžitě zareagovat. Třeba někdo zmáčkne

klávesu na klávesnici. (Aspoň vidíte, co je ve světě procesorů Opravdu

Důležité – kdyby se náhodou vzňal a hořel, bylo by mu to jedno, ale

zmáčknutý čudlík zasluhuje okamžitou reakci!) Nebo přijdou nějaké údaje

ze sériového rozhraní a je třeba je přečíst, než tam někdo pošle další

a tenhle se ztratí. Nebo se stane to, že uplyne nějaký předem nadefinovaný

čas – tedy něco jako minutka na vaření vajíček. V takovém případě

požádá to zařízení, ve kterém nastala ona výjimečná událost, procesor

o přerušení. Ten všeho nechá, odskočí si do podprogramu, který obslouží,

co je potřeba, a pak se zase hezky vrátí zpátky k tomu, co měl rozdělané.

KONEC PŘERUŠENÍ!

… totéž jako při sčítání. Stačí použít instrukci DAA, která upraví výsledek

tak, aby zase obsahoval číslo v kódu BCD.

Po pravdě řečeno – s instrukcí DAA se člověk moc nesetkává. Kupodivu

i spousta algoritmů na převod čísel z desítkové do šestnáctkové soustavy

a zpátky se bez téhle instrukce obejde. Proto je to takový docela

otloukánek, většinou ho vysvětlují všichni až na konci, kromě špatných

knih o programování v assembleru x86, které probírají instrukce ne podle

jejich složitosti nebo funkce, ale podle abecedy. Tam se totiž ta samá

instrukce jmenuje AAA! Představte si, co byste říkali, kdybych na vás jako

první instrukci vytáhnul právě DAA a BCD kód!

Požadavek na přerušení!

Přerušení je něco jako telefonát – taky vás zaskočí v nejnevhodnější chvíli

a vy se mu musíte hned teď věnovat. Proto je dobré, aby jeho obsluha

byla co nejkratší („Ano, pane řediteli! – Jistě pane řediteli! – Tak to jste

asi magor, pane řediteli! – Ano, na personální si dojdu zítra ráno!

Nashledanou!“) Vyřídit to nezbytné, ať se můžeme vrátit k poctivé práci.

KONEC PŘERUŠENÍ!

BCD kód bych, s dovolením, považoval tímto za probraný, víc už asi nemá

smysl na tomto místě probírat. Namísto toho se vypořádáme s přerušením…

DI, EI

Jak přerušení vypadá, to jste názorně mohli vidět v předchozím textu.

Naštěstí existují instrukce DI (ta přerušení zakáže) a EI (ta ho opět povolí).

DI použijeme ve chvíli, kdy procesor potřebuje dodělat svou práci a je to

důležitější než obsloužit periferie – třeba něco časově kritického. V zásadě

by mohl mít zakázané přerušení neustále (a některé systémy to tak mají),

ale zase na druhou stranu, když zůstanu u alegorie s telefonem: Nikdo se

vám nedovolá!

Teď tedy používám jedno virtuální DI, aby už další výklad žádné přerušení

nerušilo, a řekneme si, jak to vlastně funguje.

Procesor má vstup INT. U 8085 má i vstupy RST5.5, RST6.5, RST7.5,

které slouží k témuž. U jiných procesorů se jmenují ještě jinak (IRQ třeba),

ale princip je stejný. Za normálních okolností by na takovém vstupu měla

být klidová hodnota, a taky tam je. (U 8080 a vstupu INT je to 0, u vstupů

RST nebo IRQ to je 1, záleží na procesoru) Pokud některá část počítače

(klávesnice, sériový port, časovač, …) požaduje přerušení, nastaví příslušné

obvody tento vstup na hodnotu opačnou. Procesor dokončí aktuální

instrukci a zkontroluje stav tohoto vstupu. Když je klidová, pokračuje dál,

pokud je ale aktivní, a zároveň je přerušení povolené, udělá následující

kroky:

 Zakáže přerušení

 Potvrdí, že požadavek převzal (tj. ve stavovém slovu pošle informaci

INTA – Interrupt Acknowledge)

 Přečte z datové sběrnice kód instrukce, kterou má vykonat. Je to jedna

z instrukcí RST 0 – RST 7, nebo instrukce CALL.

 Načtenou instrukci pak provede.

Všimněte si, že jsem nepsal, že ji čte „z paměti“, ale „ze sběrnice“. Je na

systému, aby v takovém stavu připravil procesoru tu správnou instrukci.

Asi nejjednodušší způsob, který lze dosáhnout zapojením jednoho rezistoru,

je ten, že vždy, když procesor vyšle INTA a čeká na instrukci, tak mu

pomocný obvod 8228 vrátí RST 7. Vzpomeňte si, co jsme si říkali

o instrukci RST n: Je to volání podprogramu na adrese 8*n. RST 7 tedy

zavolá podprogram na adrese 38h a tam by měla proběhnout obsluha

přerušení.

Tuto metodu jsem zmiňoval už při představení architektury systémů

s procesorem 8080.

Složitější způsoby, které využívají třeba obvod 8214, dokážou obsloužit

osm různých požadavků podle jejich priorit a adekvátně k nim zavolat

různé instrukce RST. Specializované řadiče přerušení (8259) dokážou

například cyklicky měnit priority nebo volat ne osm pevně daných

instrukcí, ale pomocí instrukce CALL zavolat libovolnou adresu.

Ale u těch jednodušších systémů je většinou vše zapojeno tak, že INT

znamená vykonání instrukce RST 7.

Obslužná rutina by měla být co nejkratší a nejrychlejší. Nezapomeňte na

konci zase povolit přerušení instrukcí EI, jinak obsluha proběhne jen

jednou. A pokud náhodou budete psát obsluhu přerušení pro různé RST,

uvědomte si, že na to máte jen osm bajtů – nejčastěji ty první tři použijete

pro JMP a pět zůstane volných.

HLT

Víte, co dělá procesor v počítači většinu času? Čeká. Čeká, až mu něco

řeknete, pak to chvíli zpracovává, a pak zase čeká. Mezi zmáčknutím kláves

čeká. Když zmáčknete dvě klávesy za sekundu, tak za tu dobu provede

8080A rovné dva miliony taktů. Obsluha každého zmáčknutí zabere, no, ať

nežeru, i třeba 500 taktů! Procesor tedy 1000 taktů pracoval a 1 999 000

taktů jen čekal, jestli se nestane něco zajímavého. Váš den, kdybyste byli

procesor, by vypadal tak, že byste 43 sekund dělali něco zajímavého,

a zbývajících 23 hodin 59 minut a 17 sekund by se nedělo nic. Vůbec nic.

(A tohle jim děláme neustále, mimochodem! Skoro pořád na nás s něčím

čekají!)

Instrukce HLT zastaví procesor. Stojí na místě, neděje se nic, žádné

instrukce neprovádí, zkrátka stojí. Stojí a stojí. Nic nedělá. Šmitec, šlus,

finito. Z téhle letargie ho probudí buď RESET, nebo právě požadavek na

přerušení. Představte si, jak ten procesor zpracovává instrukci HLT, stojí

stále na místě, jakoby v nekonečné smyčce, když v tom přijde požadavek na

přerušení. Procesor udělá ty kroky, které jsem popsal, a provede (třeba)

instrukci RST 7. Ta vykoná nějaké operace a vrátí se za instrukci HLT.

Program tak může pokračovat. Často se tenhle fígl používá např. k tomu, že

si nastavíme časovač (onu „minutku“) a procesor pomocí HLT zastavíme.

Až doběhne požadovaný časový interval, přijde přerušení, a to nás vyvede

ze stavu HALT.

Sledujte: HLT!

(Jo a taky je dobrý nápad si před tím, než uděláme to HLT, zkontrolovat,

jestli jsme nezapomněli povolit přerušení…)

6.16 Práce s periferiemi

Pracovat s pamětí je fajn, ale pro uživatele je paměť neviditelná. Uživatel

ocení třeba nějaké to písmeno na displeji, nějaký ten zvuk, chce zmáčknout

tlačítko, zakvrdlat joystickem či tak něco…

Počítačové periferie jsou „všechno co není procesor nebo paměť“. Takže

třeba ty klávesnice, výstupní zařízení, magnetofony, reproduktory, … Ty se

nějakým způsobem připojují do systému (jakým přesně, to záleží na tvůrci

systému) a procesor s nimi komunikuje.

Některé procesory (6502 například) nerozlišují periferie od paměti. Zkrátka

a dobře určité adresy z adresního rozsahu neobsadí paměť, ale periferie.

„Pošli znak 12 sériovou linkou“ je pro ně stejná operace jako „ulož znak 12

do paměti na konkrétní adresu“. Má to svoje výhody, ale i nevýhody.

Procesor 8080 (nebo Z80) naproti tomu mají speciální vývody, které říkají:

Teď se nepřistupuje do paměti, ale ke vstupně-výstupnímu zařízení,

k periferii. Paměť může zůstat neaktivní a adresa čtení nebo zápisu se

vztahuje na periferní zařízení (je pro to takové slovo „port“ – „přistupujeme

na porty“ třeba). U procesoru 8080 může být až 256 periferních zařízení,

protože pro tyto operace používá osmibitovou adresu.

IN, OUT

Procesor 8080 má dvě instrukce pro práci s periferiemi. IN slouží ke čtení,

OUT k zápisu. Obě instrukce mají jeden přímý parametr, a tím je

osmibitová adresa periferie. Instrukce IN F8h přečte bajt z periferie na

adrese F8h a uloží ho do registru A. OUT 23h vezme obsah registru

A a pošle ho na periferii na adresu 23h.

Víc k těmto instrukcím asi nelze říct. Jsou opravdu tak jednoduché, jak

vypadají. Konkrétní adresy už jsou na tvůrci toho kterého systému.

Například v počítači PMI-80 je na adresách F8h-FBh připojen obvod 8255,

který slouží jako programovatelný obvod pro řízení vstupů a výstupů.

Tentýž obvod v PMD-85 sídlí na adresách F4h-F7h (a tam obsluhuje

klávesnici, LED a reproduktor), další stejného typu je na adresách F8h-FBh

(a tam se stará o načítání dat z ROM modulu), no a na adresách 1Eh a 1Fh

je připojený obvod 8251, který pro změnu slouží pro komunikaci

s kazetovým magnetofonem.

RIM, SIM

Instrukce, které jsme si ukazovali až dosud, fungují v procesoru 8080

i v procesoru 8085. Oba procesory jsou kompatibilní nejen na úrovni

zdrojového kódu, ale i na úrovni binárního kódu (to znamená, že všechny

instrukce mají stejné operační kódy).

Procesor 8085 přidává k instrukční sadě oficiálně dvě další instrukce, totiž

RIM a SIM. Tyto instrukce v procesoru 8080 nefungují, nejsou

implementovány…

Instrukce SIM vezme obsah registru A a podle něj nastaví přerušovací

subsystém a sériový výstup. Takto:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SOD SDE … R7.5 MSE M7.5 M6.5 M5.5

Bit D7 určuje hodnotu, která se má zapsat na výstup SOD (Serial Output

Data). Bit D6 (SDE, serial data enable) říká procesoru, jestli má bit D7

ignorovat (0), nebo jestli má podle něj změnit stav SOD.

Bit D5 je ignorovaný.

Bit D3 (MSE – Mask Set Enable) říká, jestli procesor má změnit maskování

přerušení. Pokud je 0, ignoruje se, pokud je 1, nastavuje se podle bitů D2-

D0.

Bity D2 – D0 maskují vstupy RST 7.5, RST 6.5 a RST 5.5. Pokud je

odpovídající bit v 1, procesor přerušení z příslušného vstupu ignoruje,

pokud je bit 0, procesor s přerušením pracuje.

Bit D4 nuluje klopný obvod na vstupu RST 7.5. V kapitole o přerušení

procesoru 8085 jsem psal o tom, že tento vstup má v sobě klopný obvod,

který se krátkým pulsem nastaví, a procesor pak může ve chvíli, kdy

kontroluje stav přerušení, správně zareagovat. Pomocí instrukce SIM s D4

v logické 0 se tento klopný obvod opět vynuluje a je připraven na další

příchod přerušovacího signálu.

MVI A, 0

SIM

Tato dvojice instrukcí nastaví klopný obvod u vstupu RST 7.5 do výchozího

stavu.

MVI A, 11000000b

SIM

Tato dvojice nastaví výstup SOD na log. 1.

Instrukce RIM naopak čte stav přerušení a sériového vstupu:

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SID I7.5 I6.5 I5.5 IE M7.5 M6.5 M5.5

Bit D1 odpovídá stavu na vstupu SID (Serial Input Data).

Bity D6 – D4 říkají, jestli na příslušných vstupech RST čeká na obsluhu

nějaké přerušení.

Bit D3 informuje, jestli jsou přerušení povolena instrukcí EI (1) nebo

zakázána instrukcí DI (0)

Bity D2 až D0 jsou ekvivalentní stejným bitům u instrukce SIM.

6.17 Ahoj světe!

Konečně! Konečně jsme se dostali do bodu, kdy si vypíšeme ono známé

a populární AHOJ SVĚTE, a pak už nás nic nezastaví!

Použijeme k tomu, jak jinak, OMEN Alpha a vypisovat nebudeme přímo na

obrazovku (ona taky žádná není), ale na sériové rozhraní. Jako sériové

rozhraní nám slouží obvod 6850 a jeho programování jsme si už popisovali.

Nyní tedy doopravdy – jak s ním budeme pracovat?

Jak pracovat s 6850?

Na začátku musíme nastavit řídicí registr 6850 tak, jak potřebujeme. Už

jsme si řekli, že to bude hodnota 15h. Tím je obvod nastaven a připraven

k přijímání a vysílání dat. Rozšíříme tedy naši inicializační sekci:

.ORG 8000h ;inicializace()

COLD: DI

LXI SP,9000h ; bezpečná adresa

; adresace sériového rozhraní

ACIA EQU 0DEh

ACIAC EQU ACIA

ACIAS EQU ACIA

ACIAD EQU ACIA+1

;inicializace ACIA

MVI A,15h

; 115200 Bd, 8 bit, no parity, 1 stop bit, no IRQ

OUT ACIAC

Na začátku jsou pojmenované adresy ACIA (bázová adresa obvodu 6850

v našem počítači), ACIAC(ontrol), ACIAS(tatus) a ACIAD(ata). Vyhneme

se tak programátorskému moru, „magickým konstantám“.

Do registru A uložíme požadované řídicí slovo (15h) a instrukcí OUT ho

zapíšete na adresu ACIAControl (tj. 0DEh). Vnější logika našeho počítače

se postará o to, že data neskončí v paměti, ale tam, kde mají, tj. v obvodu

6850.

Co dál? Obvod je nastaven, teď je zapotřebí vypsat ono obligátní HELLO

WORLD. Někde v paměti tedy bude tenhle řetězec a my ho budeme bajt po

bajtu procházet a vysílat na sériový výstup.

Když se řekne „vysílat“, tak si na to uděláme podprogram. Bude se

jmenovat třeba SEROUT (jako že SERial OUTput) a jeho funkce bude, že

vyšle hodnotu v registru A. Předtím si ale zkontroluje, jestli je vysílač

volný. Musí si tedy načíst hodnotu stavového registru SR a zkontrolovat bit

1 (TDRE). Pokud je nulový, musí počkat, až bude 1.

ACIA_TDRE EQU 02h

SEROUT:

PUSH PSW

SO_WAIT: IN ACIAS

ANI ACIA_TDRE

;bit TDRE – pokud lze vysílat, je =1

JZ SO_WAIT

POP PSW

OUT ACIAD

RET

Na začátku si uložím obsah registru A. Mám v něm ten bajt, co chci vyslat,

ale budu ten registr potřebovat, protože si do něj načtu hodnotu stavového

registru. Takže si jeho hodnotu uložím na zásobník.

Na dalším řádku načtu hodnotu stavového registru do registru A. Pak

provedu logický součin (AND) s hodnotou 2. Hodnota 2 totiž binárně

vypadá takto: 00000010 – jsou to tedy samé nuly, jen na pozici bitu 1, který

potřebuju testovat, je jednička. Výsledkem logického součinu bude buď

hodnota 2, pokud je bit 1 nastaven, nebo 0, pokud je nulový.

Připomeňme si: pokud je bit 1 stavového registru nulový, znamená to, že

obvod 6850 ještě vysílá předchozí data a my musíme počkat, dokud to

nedokončí. Tedy pokud je (hodnota stavového registru AND 02) rovna nule,

čekáme. A přesně to zajišťuje další instrukce JZ. Pokud je příznak Z=1

(tedy předchozí operace skončila s výsledkem 0), tak JZ skáče. Tady se

skáče opět na načtení stavového bajtu a vše se opakuje, dokud není

výsledek nenulový. V tu chvíli už víme, že má 6850 volno a můžeme

vysílat.

Pokud je tedy volno, přečteme si ze zásobníku zpět hodnotu, co byla

původně v registru A a pomocí OUT ji zapíšeme do datového registru

6850 – ACIAData.

Správná otázka je: Co se stane, když náhodou bude obvod 6850 vadný,

nebo nebude zapojený správně a bude vracet pořád hodnotu 0? V takovém

případě, ano, tušíte správně, jste právě vygenerovali nekonečnou smyčku,

ve které se bude procesor točit do skonání věků – pardon, do vypnutí

napájení, do RESETu nebo do přerušení.

Výpis řetězce

Už zbývá jen detail – dát to všechno dohromady. Máme inicializovaný

obvod ACIA, máme někde podprogram, který umí poslat znak na sériové

rozhraní, teď už jen stačí vytvořit smyčku, která bude posílat jednotlivé

znaky nejznámějšího nápisu v historii programování.

Buď můžeme zvolit postup mechanický, tedy postupně volat SEROUT

s hodnotami pro znaky H, E, L, L, O… v registru A, nebo si ty znaky

můžeme někam nějak zapsat a ve smyčce je postupně načítat.

Nejjednodušší způsob je uložit si nápis někam do paměti jako posloupnost

znaků. K tomu slouží direktiva DB. Na začátku programu si do registrů HL

uložíte adresu prvního znaku nápisu. Pak stačí jen opakovat následující

postup:

1. Přečíst hodnotu z adresy, na kterou ukazuje HL, do registru A: MOV A,

2. Zavolat SEROUT: CALL SEROUT

3. Zvýšit hodnotu HL o 1: INX H

4. Opakovat od bodu 1: JMP 1

Ale pozor – takto zapsáno to je nekonečná smyčka, která bude posílat stále

dokola kompletní obsah paměti. Potřebujeme říct, kdy má přestat.

Používají se v zásadě tři postupy. První je ten, že za poslední znak dáme

ještě znak 0. Někdy se tomu říká také ASCIIZ (ASCII s ukončovací nulou –

Zero), někdy se tomu říká CSTR (protože takový způsob ukládání řetězců

volí jazyk C). Pokud v bodu 1 načteme hodnotu 0, tak je vypsaný celý

řetězec a můžeme skončit. Nevýhoda: Součástí řetězce nesmí být samotný

kód 0.

Druhý způsob je ten, že jako první hodnotu řetězce dáme jeden byte, který

bude obsahovat délku řetězce v bajtech. Tomuto způsobu se také někdy říká

PSTR, protože takto ukládá řetězce Pascal. Algoritmus je o něco složitější:

1. Přečíst hodnotu z adresy HL do registru C: MOV C, M

2. Pokud je C=0, tak se vrátit

3. Zvýšit hodnotu HL o 1: INX H

4. Přečíst hodnotu z adresy, na kterou ukazuje HL, do registru A: MOV A,

5. Zavolat SEROUT: CALL SEROUT

6. Snížit hodnotu C (Counter) o 1: DCR C

7. Skočit na bod 2: JNZ 2

Nevýhoda tohoto zápisu je jasná: řetězec může mít maximálně 255 znaků.

Existují i varianty, které mají délku řetězce dvoubajtovou nebo

čtyřbajtovou.

Třetí způsob využívá toho, že se většinou u takových počítačů používá jen

prostá znaková sada ASCII, která má definované znaky jen v rozsahu 00 –

7Fh. Tedy žádné speciální, semigrafické, přehlásky, … Pokud je tomu tak,

tak se použije způsob, podobný tomu prvnímu, ale s tím rozdílem, že místo

toho, abychom za poslední znak přidali 0, tak my zapíšeme poslední znak

tak, že mu nastavíme nejvyšší bit na 1 (tedy ho posuneme do rozmezí 80h-

FFh). Výhoda je, že řetězec nezabírá ani o jediný byte navíc. Nevýhoda je,

kromě toho, že nelze použít speciální znaky, třeba i složitější obsluha, ale

zas tak hrozné to není. Představme si podprogram STROUT, který tento

postup implementuje:

STROUT: MOV A,M

ANI 7Fh

CALL SEROUT

MOV A,M

ANI 80h

RNZ

INX H

JMP STROUT

Načtený bajt nejprve ošetříme a případný nastavený bit 7 vynulujeme. Pak

výsledek pošleme na výstup.

Znovu si načteme stejný bajt, a tentokrát se podíváme na nejvyšší bit.

Pokud je nenulový, máme vše za sebou a vracíme se pryč (RNZ). Jinak

standardní postup: Přejít na další adresu a celé opakovat znovu!

Možná by pomohlo uložit si hodnotu do nějakého jiného registru,

nemuseli bychom pak číst dvakrát z paměti. Jenže uložení do jiného

registru a navrácení zpět v tomto případě nepřinese žádnou výraznou

úsporu – na velikost to bude o jeden bajt delší, na čas o jeden takt

pomalejší… Proto jsem zvolil postup „čtení téhož údaje z paměti

dvakrát“.

Všechny tři postupy mají svá pro a proti a své výhody a omezení. Který

způsob použijete, to záleží na vás. V dobách osmibitů se hojně používal

poslední (s negovaným bitem 7), ale pokud počítáte s tím, že například

budete zobrazovat i jiné znaky než standardní sedmibitové ASCII, musíte

zvolit jiný postup. Koncová nula je široce používaná dnes, právě díky tomu,

že takto implementuje řetězce standardní Céčko. Takový řetězec může mít

libovolnou délku, ale nesmí sám obsahovat nulu. Navíc to každý řetězec

prodlouží o jeden byte.

Hotový program

.ORG 8000h

; inicializace()

COLD: DI

LXI SP,8000h

; adresace sériového rozhraní

ACIA EQU 0DEh

ACIAC EQU ACIA

ACIAS EQU ACIA

ACIAD EQU ACIA+1

ACIA_TDRE EQU 02h

;inicializace ACIA

; 115200 Bd, 8 bit, no parity, 1 stop bit, no IRQ

MVI A,15h

OUT ACIAC

WARM:

LXI H,HELLO

CALL STROUT

JMP WARM

SEROUT: PUSH PSW

SO_WAIT: IN ACIAS

ANI ACIA_TDRE

;bit TDRE – pokud lze vysílat, je =1

JZ SO_WAIT

POP PSW

OUT ACIAD

RET

STROUT: MOV A,M

ANI 7Fh

CALL SEROUT

MOV A,M

ANI 80h

RNZ

INX H

JMP STROUT

HELLO:

DB „HELLO WORLD“,0Dh,0Ah+80h

Na začátku proběhne inicializace – studený (cold) start. Nastaví se zásobník

(bez něj by nefungovaly podprogramy) a obvod ACIA. Po inicializaci

startuje vlastní obslužný program (teplý start). Tedy program: uloží do HL

adresu řetězce, zavolá funkci STROUT a jede se znovu.

Zvolil jsem nakonec ukládání řetězců „tradičně osmibitově“. Na posledním

řádku vidíte znaky k výpisu. Znak 0Dh je řídicí znak pro terminál,

konkrétně CR – návrat kurzoru na začátek řádku. 0Ah je přechod na nový

řádek. A protože znak přechodu na nový řádek je poslední, musí být jeho

hodnota zvýšena o 80h (což je ekvivalent nastavení bitu 7).

Assembler ASM80 s těmito triky počítá, tak nabízí pseudoinstrukce .pstr,

.cstr a .istr – příklad:

.PSTR „HELLO WORLD“

.CSTR „HELLO WORLD“

.ISTR „HELLO WORLD“

Všechny tři uloží do paměti řetězec HELLO WORLD, ale první ho uloží

v „Pascal style“, tedy první byte bude délka a za ním znaky. Druhý ho

uloží v „C style“ s nulou na konci. Třetí ho uloží v „inverted style“ – tedy

poslední znak s nastaveným bitem 7.

6.18 Periferie: Klávesnice

Když jsem v předminulé kapitole psal o tom, že stisk klávesy vyvolá

přerušení, tak, po pravdě řečeno, spíš ne… Totiž, ne že by to nešlo, ne že by

to nebyl dobrý nápad, ale v dobách největšího rozmachu osmibitů snad

žádný z nich nepoužíval přerušení při stisku klávesy (vzpomínám jen na

jednu zvláštnost, a tou byla konstrukce klávesnice z nějakého Amatérského

Radia, která vyvolala přerušení při stisku klávesy). Naprostá většina

systémů v té době používala zcela jiný princip.

Klávesy na klávesnici se zapojovaly do matice N x M, kdy každá klávesa

sídlila v nějakém průsečíku. Jedno z těchto čísel bylo často 8, aby se líp

připojovala k periferním obvodům. Například klávesnice u ZX Spectra byla

organizovaná do 8 řádků po 5 sloupcích. Řádky byly připojeny na vstupní

port (s klidovým stavem 1), sloupce na výstupní. Když chtěl programátor

vědět, jaká klávesa je stisknuta, poslal postupně 0 na jednotlivé vodiče

sloupců a pokaždé si přečetl hodnotu řádků. Pokud byly všude 1,

znamenalo to, že v tom sloupci není žádná klávesa stisknuta, když našel 0,

věděl, že našel nějakou stisknutou klávesu.

Takto jednoduchý princip vedl k tomu, že při určité kombinaci stisknutí tří

tlačítek se klávesnice tvářila, jako by bylo stisknuté i čtvrté. Stačilo

stisknout klávesu, k ní pak některou ve stejném sloupci a další ve stejném

řádku, a díky vzájemnému propojení se objevil falešný stisk klávesy ve

čtvrtém rohu pomyslného obdélníku. Tento jev, nazývaný „ghosting“, se

řeší různě. Buď tím, že mřížka neodpovídá fyzickému rozložení

a minimalizuje se tak riziko tří stisknutí, popřípadě se ke každému tlačítku

zapojuje sériově dioda. Krom toho se speciální tlačítka, u nichž se

očekává, že budou stisknuta s jinými, zapojují buď do samostatných

řádků, nebo zcela mimo matici.

U jednodeskových počítačů platilo totéž. Stejně byla zapojena klávesnice

PMI-80, PMD-85, IQ-151 a dalších. U Atari 800 třeba taky, ale tam se

o tohle testování stisknuté klávesy nestaral procesor, ale specializovaný

obvod POKEY. U Commodore C64 byla rovněž matice a specializovaný

obvod CIA.

6.19 Displej

Některé osmibitové počítače, zejména jednodeskové, měly jako displej

nejrůznější sedmisegmentovky. Ty se většinou připojovaly přes nějaký port.

U počítače BOB-85 měly dokonce i latche, tj. „paměti“ aktuálního stavu;

naopak u PMI-80 bylo potřeba postupně vysílat informace o tom, co se má

na které sedmisegmentovce zobrazovat. Displej byl připojen podobně jako

klávesnice a během čtení jednotlivých sloupců se také rozsvěcely jednotlivé

sedmisegmentovky…

Displeje u „větších“ počítačů byly řešeny buď jako znakové (IQ-151, SAPI-

1), nebo grafické (PMD, Spectrum, …) – některé systémy měly inteligentní

řadiče, které se dokázaly přepnout do různých módů. Ať tak či onak,

většinou se k displeji přistupovalo jako k paměti (přesněji řečeno: řadič

displeje si sahal do vyhrazené oblasti v paměti RAM a zobrazoval odtamtud

data).

6.20 Trocha assemblerové teorie

Kdysi jsem do rozhovoru pro programátorský magazín říkal, že ASM80 je

dvouprůchodový assembler a že v dobách osmibitů byl „dvouprůchodový

assembler“ de facto standard. Prý to mám vysvětlit, co to znamená…

Musíme si říct, jak vlastně překladač funguje.

Bere řádek po řádku a kouká se, jestli tam je instrukce nebo

pseudoinstrukce. Pokud ano, začlení si její kód do připravovaného

výsledného útvaru, popř. provede to, co pseudoinstrukce nařizuje. Tím, že

už v téhle fázi připravuje kód, tak vlastně ví, jak dlouhá která instrukce

bude. Takže si může průběžně vytvářet i tabulku adres, kde má ke každému

symbolickému jménu uloženou jeho adresu (nebo hodnotu). To je první

průchod.

Ve druhém průchodu tohle všechno už má připravené, takže jede znovu,

a jen na místech, kde je potřeba vyčíslit nějakou konkrétní hodnotu

s odkazem, spočítá jeho hodnotu a doplní do kódu.

Takhle tedy funguje ASM80. Fungoval stejně i GENS (např.) Něco

podobného (podobného!) dělal třeba assembler Prometheus, ale ten, nakolik

jsem pochopil, dělal část prvního průchodu už při editaci textu, kdy si

jednotlivé instrukce „předpřekládal“.

Co jiné počty průchodů? Tříprůchodový? Jasně, existují. Dokážou třeba

vyřešit problém několikanásobné dopředné reference, navíc by mohly

trošku optimalizovat (plné skoky nahradit relativním, dlouhé varianty

instrukcí těmi se zero page u 6502 a podobně).

Šel by napsat jednoprůchodový assembler? No jasně, šel – představte si

první průchod, při něm to vyhodnocování výrazů… Když narazí na adresu,

kterou už zná, tak ji použije, když ji ale ještě nezná, zapíše si do tabulky

symbolických názvů tenhle název s poznámkou: „Až na tohle návěští

narazím, doplním ho tam a tam“.

Počet průchodů tedy dokáže ovlivnit některé aspekty chování překladače

(dopředné reference by jednoprůchodový zvládnul).

A kolikaprůchodové se používají dneska?

Turbo assembler, poslední, který jsem na PC platformě používal, je

„multiprůchodový“. Ale vzhledem k jeho komplexnosti to ani jinak nejde.

Ten hlavní rozdíl proti „starým pákám“ je v tom, že assembler dneška

nepřipraví hotový binární kód pro spuštění. Sestaví něco, čemu se říká

„objektkód“, což je v podstatě výsledek posledního průchodu, ale nevadí

mu, když nějaké adresy nerozpoznal. Pravděpodobně patří nějaké knihovní

rutině. Objektkód pak dostane do spárů program, kterému se říká „linker“,

a ten spojí vše potřebné – všechny části kódu, knihovní rutiny, data, vše.

Teprve když tady nějaký symbol chybí, tak je zle. Překladač oddělený od

linkeru má tu výhodu, že program může být napsaný v různých jazycích,

v jednom třeba výpočty, v druhém UI, knihovny ve třetím – a linker to

poslepuje dohromady. Toto rozdělení samozřejmě není nijaká novinka. Není

to dokonce ani výmysl šestnáctibitového světa. I osmibity měly překladače

a linkery zvlášť, např. u CP/M. Tohle rozdělení funguje tam, kde není

problém pracovat se soubory. U osmibitového domácího počítače

s kazeťákem by to moc smysl nedávalo.

6.21 Algoritmy v assembleru 8080

Algoritmy! Neseme čerstvé algoritmy! Berte, paní, jsou zadarmo, a přitom

tak užitečné!

Přesun bloku dat

Máme 32 bajtů na nějaké adrese a chceme je zkopírovat na adresu úplně

jinou. Jak na to? Jednoduše – použijeme instrukci LDIR a… cože? A jo

vlastně, instrukci LDIR má až procesor Z80, u 8080 nic takového není, tam

si to musíme pořešit jináč. Třeba takhle:

8000 .ORG 8000h

8000 21 00 80 LXI h,8000h

8003 11 60 80 LXI d,8060h

8006 01 20 00 LXI b,32

8009 7E LDIR: MOV a,m

800A 12 STAX d

800B 13 INX d

800C 23 INX h

800D 0B DCX b

800E 78 MOV a,b

800F B1 ORA c

8010 C2 09 80 JNZ ldir

Nejprve si naplním registry patřičnými údaji – do registrů HL dám adresu,

kde se blok dat nachází, do registrů DE adresu, kam chci blok přesunout, do

registrů BC počet bajtů, které chci přesunout. Ve smyčce LDIR (která se

víceméně chová shodně s instrukcí LDIR procesoru Z80, až na to, že tady je

pomalejší a přepisuje obsah registru A) se děje následující: Do registru

A vezmu bajt z adresy HL, uložím ho na adresu DE, obě adresy zvýším o 1,

od počítadla BC odečtu jedničku, a když je BC nenulové, opakuju smyčku.

Bohužel (tedy někdy spíš bohudík) instrukce INX, DCX nemění stav

příznaků. Což je dobře, jak uvidíme v dalších algoritmech, ale v případě,

jako je tento, by se nám hodilo, kdyby DCX dokázala nastavit příznak Z,

jako že je výsledek nula. Ale nedělá to, takže si to musíme vyřešit jinak

(zvykejte si, to je assembler!)

Každý podobný případ lze řešit několika způsoby, ale časem se ustálí vždy

jeden návrhový vzor, který má nejméně nevýhod. V případě „zkontroluj,

jestli je ve dvojici registrů 0“ se používá ten, který jsem ukázal v kódu: do

A si zkopíruju jeden registr z dvojice, udělám OR s druhým (vzpomeňte –

výsledkem OR je nula, pokud všechny bity obou operandů jsou nulové) –

a protože OR už příznakový bit Z změní podle výsledku, tak jsme získali,

co jsme chtěli.

Jak bychom to ale řešili, kdyby v A bylo něco, co chceme zachovat? Řešit

by to samo sebou šlo, jen – jinak a náročněji.

Přepsání bloku dat

V procesoru Z80 se instrukce LDIR používá i k jiné operaci, než je přesun

bloků dat – totiž k mazání (přesněji k nastavení celého bloku na konkrétní

hodnotu). Využívá se toho, že nastavíme registry HL a DE určitým

způsobem – HL na začátek bloku, který se má smazat, DE na adresu o 1

vyšší. Ručně pak nastavíme první bajt bloku (ten, kam ukazuje HL) na

požadovanou hodnotu a LDIR postupně první bajt bloku nakopíruje na další

a další adresy. BC je v takovém případě (délka bloku – 1). Pokud nastavíme

DE na adresu větší než HL+1, třeba HL+4, vyplní LDIR blok paměti

vzorkem dat (HL, HL+1, HL+2, HL+3).

Fungovalo by to i s tím naším LDIRem? Ale určitě fungovalo, jen je to

v případě nastavení nějaké oblasti v paměti na konkrétní hodnotu trošku

kanón na vrabce (a to v assembleru znamená vždy: stojí to paměť a čas).

Jednodušší postup je zde:

8000 .ORG 8000h

8000 21 40 80 LXI H,8040h

8003 01 20 00 LXI B,0020h

8006 1E 55 MVI E,55h

8008 73 FILL: MOV M,E

8009 23 INX H

800A 0B DCX B

800B 78 MOV A,B

800C B1 ORA C

800D C2 08 80 JNZ fill

Všimněte si, že hodnota, která se do bloku paměti zapisuje, není v registru

A, ale v registru E. Je to právě kvůli výše popsanému postupu na testování

BC na nulu – využívá registr A. Kdybychom v něm měli tu hodnotu,

přepsali bychom si ji. Abychom si ji nepřepsali, museli bychom si ji někam

uložit (pravděpodobně třeba do toho registru E), pak zase načíst zpátky…

Výsledek by byl sice funkční, ale pomalejší a delší. A to jen kvůli tomu, že

chceme číslo v jiném registru?! Kdepak.

Dělení

V jedné z minulých kapitol jsme si ukazovali, jak násobit dvě celá čísla bez

znaménka. Dělení můžeme napsat analogicky – buď jako postupné odčítání,

nebo pomocí rotací a odčítání. Ten druhý postup opět můžeme napsat bez

triků, nebo s trikem…

Tady je postup pro dělení dvojregistru HL registrem D. Matematicky: HL =

HL / D, zbytek po dělení je v registru A. Je to postup s trikem (používá se

„trojitý registr“ AHL, do A se postupně nasouvají bity z HL a kontroluje se,

jestli už je mezistav větší než dělitel).

8000 .ORG 8000h

8000 21 03 14 LXI H,5123

8003 16 0A MVI D,10

8005 DIV:

8005 AF XRA A

8006 06 10 MVI B,16

8008 DIVLOOP:

8008 29 DAD H

8009 17 RAL

800A BA CMP D

800B DA 10 80 JC DIVNEXT

800E 92 SUB D

800F 2C INR L

8010 DIVNEXT:

8010 05 DCR B

8011 C2 08 80 JNZ DIVLOOP

Ukázali jsme si pár triků a předvedli pár algoritmů. Ovšem v programování

obecně a pro assembler zvlášť platí, že:

1. Není důležité si tyhle algoritmy pamatovat, důležitější je umět je napsat,

když je potřeba

2. Je dobré si tyhle algoritmy pamatovat, aby je člověk nepsal zbytečně

znovu

3. Nejdůležitější je dokázat se rozhodnout, jestli pro daný konkrétní případ

platí 1 nebo 2!

6.22 Konstrukce z vyšších programovacích jazyků

Assembler je tak blízko procesoru, jak jen může být. Když se jej naučíte,

zjistíte, jak pracuje procesor, a hned vzápětí si uvědomíte, jak moc odlišné

to je od všeho toho komfortu, co známe dnes. Strukturovaným

programováním počínaje a objektovým či funkcionálním konče.

Většina osmibitových procesorů vlastně žádné strukturované konstrukce

nemá. Všechno se vždycky dá nějak obejít, odněkud někam skočit, něco

někde přepsat, a i z nejvnitřnějšího cyklu můžete skočit ven a doprostřed

podprogramu… Zkrátka procesor pracuje spíš stylem programů v BASICu

nebo FORTRANu než v čemkoli strukturovaném.

Na datové struktury můžete zapomenout taky. Paměť je jen jedno velké

pole a všechny datové struktury se v něm emulují pomocí ukazatele na

strukturu a znalosti offsetů jednotlivých položek. O tohle všechno se vám

naštěstí postará překladač, takže ani nevíte, že dole, tam úplně dole, je to

jen nestrukturovaný chaos a jedno velké pole.

Samozřejmě se i v assembleru dá programovat strukturovaně, ale nic vás

nenutí. Jen vaše sebekázeň, pokud ji v sobě najdete. Na druhou stranu

programovat striktně strukturovaně v assembleru znamená, že vaše

programy budou pravděpodobně zbytečně delší a pomalejší, než by mohly

být. Přesto se hodí vědět, jak konstrukce z vyšších programovacích jazyků

do assembleru převést. Už jsem některé ukazoval, ale pojďme si je pro

jistotu shrnout a zopakovat:

if (podmínka) {blok příkazů}

V assembleru nemáme žádné podmínky. Jediné, co je, jsou příznakové

bity – příznak nulového výsledku, záporného výsledku, přenosu, …

U podmíněné konstrukce použijeme nějaké porovnání, pravděpodobně

akumulátoru s registrem nebo přímou hodnotou. Pokud podmínka neplatí,

přeskočíme příkazy.

Dejme tomu, že chceme zapsat podmínku if (A=15) {…něco…}

CPI 15

JNZ SKIP

… něco…

SKIP:

… pokračování programu …

Instrukce CPI porovnává akumulátor s přímou hodnotou, a pokud jsou obě

hodnoty stejné, nastaví příznak Z (Zero). Pokud nejsou, bude příznak Zero

nulový a program skočí na návěstí SKIP.

if (podmínka) {blok1} else {blok2}

Jen o trošku složitější, než předchozí případ.

CPI 15

JNZ ELSE

…blok 1 …

JMP SKIP

ELSE:

…blok 2 …

SKIP:

…pokračování…

do {blok} while (podmínka)

Nejjednodušší cyklus je ten s podmínkou na konci. Pokud podmínka platí,

skáče se opět na začátek. Pro příklad opět podmínka A=15

DO:

… blok příkazů …

CPI 15

JNZ DO ; podmínka neplatí -> skok na začátek

… pokračování programu …

while (podmínka) {blok}

Cyklus s podmínkou na začátku. V zásadě jde jen o rozšířený IF, kde na

konci bloku příkazů je zase skok na začátek – na vyhodnocení podmínky.

WHILE:

CPI 15

JNZ SKIP

… blok …

JMP WHILE

SKIP:

… pokračování …

Break a continue

První příkaz je vlastně skok za konec cyklu – u předchozího příkladu by to

bylo tedy na návěstí SKIP. Příkaz continue vyvolá další iteraci cyklu a ve

výše uvedených příkladech je ekvivalentní skoku na návěstí WHILE, resp.

DO.

for (inicializace; podmínka; změna) {blok}

Pro převod takovéhoto cyklu do assembleru je dobré si uvědomit, že cyklus

FOR můžeme přepsat pomocí cyklu WHILE takto:

… inicializace …

while (podmínka) {

… blok …

změna

}

… pokračování …

Použití strukturovaných konstrukcí

Stačí vlastně jen tyto konstrukce poctivě zanořovat a pamatovat si, že

kromě break a continue nejsou přípustné žádné jiné skoky dovnitř či ven.

Každý podprogram (ekvivalent procedury či funkce) musí mít jeden vstupní

bod a jeden výstupní bod. Pokud tato pravidla budete dodržovat,

neznamená to, že vaše programy budou jen díky tomu funkční a správné.

Jen budou podstatně lépe udržovatelné. Za což ovšem budete platit daň

v podobě neefektivity. Na velkých a výkonných strojích dneška vás pár

taktů navíc většinou nebude moc trápit, ale u osmibitu může několik

ušetřených taktů ve vnitřním cyklu zrychlit výsledný program o celé řády.

6.23 Nedokumentované instrukce 8085

Nedokumentované instrukce jsou takový drobný dárek, který dostanete od

výrobce procesoru ve chvíli, kdy už všechny instrukce znáte a říkáte si:

A co se stane, když pošlu operační kód instrukce, co není v tabulce

popsaná?

Stát se může cokoli. U některých procesorů a některých kódů ho můžete

klidně zablokovat, ale někdy se dočkáte zajímavých efektů. Někdy

nesmyslných, ale někdy užitečných.

Jak takové instrukce vznikají? Někdy to je vedlejší efekt vnitřní

architektury procesoru, jako třeba u 6502 (těm s dovolením věnuju

samostatnou kapitolu), někdy to ale působí dojmem, že výrobce instrukce

zabudoval, ale pak se z nějakého důvodu, který většinou neznáme, rozhodl,

že je nenapíše do dokumentace. To je třeba případ procesoru Z80, kde se

pomocí prefixů dá pracovat i s polovinami indexových registrů, popřípadě

se ukáže série nedokumentovaných instrukcí pro posuvy.

U 8085 také existuje několik nedokumentovaných instrukcí a dva

nedokumentované příznakové bity. Pojďme si je představit.

Ještě než si je představíme, musím říct jednu zásadní věc: Tím, že jsou

instrukce nedokumentované, jsou vlastně tak trochu i „bez záruky“. Může

se tedy stát, že použijete procesor od jiného výrobce, a tam ty instrukce

fungovat nebudou, nebo budou fungovat jinak, to vám dopředu nikdo

nezaručí. Proto je lépe si nejprve ověřit, že nedokumentované instrukce

implementovali i výrobci „druhých zdrojů“ a „klonů“.

Přehled nedokumentovaných instrukcí 8085

V kapitole o příznacích jsem psal: „V procesoru 8080 je příznakových bitů

5 a jsou v registru F uloženy takto…“

BIT 7 6 5 4 3 2 1 0

PŘÍZNAK S Z 0 AC 0 P 1 CY

 S (sign) informuje o znaménku výsledku. Je-li výsledek kladný, je to 0,

je-li výsledek záporný, je to 1

 Z (zero) je roven 1 v případě, že výsledek je nula. Pokud je nenulový, je

Z = 0

 AC (auxiliary carry) je roven 1, pokud při operaci došlo k přenosu přes

polovinu bajtu (mezi nižší a vyšší čtveřicí)

 P (parity) je nastaven vždy tak, aby doplnil počet jedniček ve výsledku na

lichý (tedy 0, je-li lichý, 1, je-li sudý) – viz též paritní bit.

 CY (carry) je 1, pokud dojde k přenosu z nejvyššího bitu.

V dokumentaci procesoru 8085 je to napsáno stejně, ovšem díky pečlivé

práci všímavých programátorů se postupně přišlo na to, že bity 5 a 1

příznakového registru nejsou vždy konstantní a že mají nějakou funkci.

Ukázalo se, že bit 1 udává přetečení (Overflow) výsledku u operací sčítání

a odčítání při práci s čísly se znaménkem. Proto byl (neoficiálně) označen

jako V. Bit 5 má funkci složitější. U inkrementu a dekrementu dvojice

registrů (INX H třeba) udává přetečení/podtečení. Při obyčejných

aritmetických instrukcích lze jeho hodnotu popsat jako „znaménko

výsledku XOR příznak přetečení“. Takto nedává hodnota příznaku moc

smysl, ale ve skutečnosti je to užitečná hodnota, která dává smysl při

odečítání či porovnávání čísel se znaménkem. Tento příznak dostal

označení K, popřípadě X5.

Ken Shirriff, který se zabývá reverzním inženýrstvím křemíkových čipů,

odhalil přesné zapojení obvodů, které tyto příznaky nastavují. Díky tomu

víme, jak přesně tyto příznaky fungují. V následující tabulce jsou shrnuté

různé kombinace odčítání dvou čísel se znaménkem. Představte si, že levý

operand je v registru A, pravý v registru B a provedete SUB B (popřípadě

CMP B). Je vidět, že K=1 v případě, že B>A (se znaménkem).

Operace Čísla se znaménkem C S V K

50h – f0h = 60h 80 – -16 = 96 0 0 0 0

50h – b0h = a0h 80 – -80 = -96 0 1 1 0

50h – 70h = e0h 80 – 112 = -32 0 1 0 1

50h – 30h = 120h 80 – 48 = 32 1 0 0 0

d0h – f0h = e0h -48 – -16 = -32 0 1 0 1

d0h – b0h = 120h -48 – -80 = 32 1 0 0 0

d0h – 70h = 160h -48 – 112 = 96 1 0 1 1

d0h – 30h = 1a0h -48 – 48 = -96 1 1 0 1

Kromě dvou nových příznakových bitů máme u procesoru 8085 i pár

nových nedokumentovaných instrukcí. Instrukce RIM a SIM jsme si už

představovali, ale ty v datasheetech jsou. Ukažme si ty, co v nich chybí.

Poznámka: Názvy instrukcí jsou neoficiální, takže některé mají dva různé,

podle toho, jaká konvence byla při tvorbě jejich pojmenování použita.

Operační

kód

Takty Název Popis

Ovlivňuje

příznaky

08 10 DSUB HL = HL – BC

S, Z, AC,

P, CY,

K i V

10 7

ARHL

(RRHL)

Aritmetický posun HL doprava. Nejvyšší bit registru H zůstane

nezměněn, nejnižší bit registru L je přesunut do příznaku CY

18 10 RDEL Rotace DE doleva přes příznakový registr. Bit 7 registru D je CY

(RLDE) přesunut do CY, CY je přesunut do bitu 0 registru E

28 nn 10

LDHI n8

(ADI

HL,n8)

DE = HL + n8 – přičítá osmibitovou konstantu

38 nn 10

LDSI n8

(ADI

SP,n8)

DE = SP + n8. Přičítá osmibitovou konstantu

CB 6/12

RSTV

(OVRST8)

RST 8 (na adresu 0040), pokud je nastaven příznak V

D9 10

SHLX

(SHLDE)

Na adresu v registrovém páru DE uloží obsah registru L, na

adresu o 1 vyšší uloží obsah registru H

DD addr 7/10

JNK addr

(JNX5)

addr

Skok na zadanou adresu, pokud příznak K=0

ED 10

LHLX

(LHLDE)

Do registru L uloží obsah paměti na adrese DE, do registru H

na adrese o 1 vyšší

FD addr 7/10

JK addr

(JX5 addr)

Skok na zadanou adresu, pokud K=1

Některé z těchto instrukcí mohou být velmi užitečné. SHLX a LHLX

nabízejí velmi rychlý přístup k paměti (přenesou se dva bajty během 10 T).

ARHL je rychlé dělení HL dvěma se zbytkem v registru CY, DSUB se

někdy hodí pro šestnáctibitové odečítání… Ale jak jsem varoval výš: Nelze

se stoprocentně spolehnout, že všechny procesory 8085 mají tyto instrukce

implementované. Měly by mít, ale to víte: vše je neoficiální!

7 Intermezzo zvukové

Kdo by neznal jednobitovou muziku! Tedy vlastně, hm, všichni Ataristi

a Commodoristi, jejichž počítače měly mnohakanálové zvukové generátory.

To my na Spectru jsme si museli vystačit s jedním drátem, kde byla buď 0,

nebo 1, a podle toho, jak rychle se s ním (programově) cvakalo, tak takový

zvuk to dělalo…

Tak samozřejmě nebyla to žádná extra sláva, ale šlo to, a když se tomu dalo

trošku péče, tak byly výsledky opravdu zajímavé.

Máme hezký osmibit postavený, ten má vývod jako stvořený pro nějaký

pípák, tak proč tedy něco jednoduchého nezapojit? Technicky bude stačit

oddělovací kondenzátor, tak 10M, a za něj zesilovač. Buď z tranzistoru,

nebo klidně jako hotový modul, co se koupí v obchodě za pár desetikorun.

Ale zas to prosím nepřehánějte s kvalitou zesilovače, byly by to vyhozené

peníze, protože jednobitová muzika není žádné HiFi.

7.1 Trocha nezbytné teorie na úvod

Zvuk je, jak známo, vlnění, přenášené vzduchem nebo jiným médiem. Jako

základní typ vlnění se bere sinusoida. Ne snad proto, že by se na tom

sympozium hudebníků usneslo, ale proto, že v přírodě ty nejjednodušší

kmity probíhají právě po sinusoidě.

Tón je základní stavební jednotkou hudby. Jeho nejdůležitějším

parametrem je frekvence, udávaná v hertzech, neboli „počet cyklů za

sekundu“.

Komorní A je tón, který má většinou frekvenci 440 Hz. (Proč většinou?

Protože jsou ladění, které mají komorní A někde jinde, např. na 442 Hz,

Händel používal třeba i 409 Hz, La Scala v 18. století zase měla komorní

A na frekvenci 451 Hz…)

Oktáva je podle klasických hudebních teoretiků interval osmi tónů. Podle

Františka Fuky to je 12 půltónů a vřele doporučuju si jeho článek přečíst.

https://8bt.cz/zvuk

Pokud to z jakéhokoli důvodu neuděláte, tak aspoň vězte, že „o oktávu

vyšší tón“ má dvojnásobnou frekvenci v Hz. Pokud má komorní

A frekvenci 440 Hz, tak o oktávu vyšší A bude mít 880 Hz. Vzhledem

k tomu, že frekvence vibrace je nepřímo úměrná délce vibrujícího

předmětu, tak by mohlo platit, že struna délky L vydává nějaký tón a struna

délky L/2 vydává tón o oktávu vyšší. Máte-li kytaru, račte si přeměřit

vzdálenosti od pražce ke kobylce a ověřit, jestli pražec v poloviční

vzdálenosti vyvolá o oktávu vyšší tón.

Samplování je postup, při kterém ze spojitého průběhu, třeba té sinusovky,

uděláme nespojitý. Děje se to tak, že v pravidelných intervalech bereme

vzorek (sample) aktuální hodnoty jako číslo a ukládáme si ho. Pokud pak ve

stejných intervalech nastavíme výstup na tuto hodnotu, dostaneme průběh,

který s určitou mírou tolerance odpovídá původnímu.

Samplovací frekvence je frekvence, s jakou vzorkujeme. Pro nás

u jednobitové muziky to bude frekvence, s jakou jsme schopni změnit

hodnotu na výstupu. Z čehož vyplývá, že pokud budeme s touto rychlostí

měnit jedničky a nuly, dostaneme obdélníkový průběh o poloviční

frekvenci – a to bude zároveň maximální dosažitelná frekvence hraní.

(Čímž jsme si, mimo jiné, hezky odvodili Shannonův, též Nyquistův,

teorém).

Sinusoida je základní zvukový průběh. Naštěstí žádný nástroj nemá zvuk,

který by byl přesně sinusový, což je dobře, protože sinusoida je velmi

plochý, tupý a bezbarvý zvuk.

Amplituda je pro nás totéž, co hlasitost. Čím větší jsou výchylky vln od

neutrální hodnoty, tím hlasitější zvuk vnímáme. Ucho vnímá jen absolutní

odchylku, nerozlišuje, jakým je (ta odchylka) směrem, jestli kladným, nebo

záporným (v případě přenosu zvuku vzduchem: nerozlišuje, jestli přišlo

zředění nebo zhuštění, vnímá jen rozdíl oproti normálu).

Barva zvuku je dána v reálném světě stavbou nástroje, materiálem,

ozvučnicí – každý z těchto faktorů přidá k základnímu tónu nějakou další

složku, jiné chvění s jinou intenzitou, čímž dodá zvuku charakteristické

zabarvení. U složitých hudebních nástrojů rezonují různé součástky na

různých frekvencích a kombinace těchto rezonančních efektů je unikátní

a pro daný nástroj charakteristická. Jednoduché nástroje mají jednoduchý

zvuk – například nejrůznější píšťaly. Složité nástroje, třeba takové, kde

vzniká tón například drnkáním, mají zvuk složený z nejrůznějších

frekvencí, které v čase mění svou amplitudu…

Pila (sawtooth) je průběh zvuku, který vypadá – inu, jako pila. Je zvláštní,

že pilu můžeme snadno sestrojit ze sinusovek – vezmeme tu základní, třeba

440, k ní přidáme dvakrát rychlejší (880) s poloviční amplitudou, k tomu

třikrát rychlejší (1320) s třetinovou amplitudou… A když to uděláme

donekonečna, dostaneme pilový průběh.

Harmonická frekvence je taková, jejíž velikost je nějakým celočíselným

násobkem základní frekvence. První harmonická je rovna základní

frekvenci, druhá harmonická dvojnásobné, třetí trojnásobné… Předchozí

definici pily bychom mohli zjednodušit tak, že to je součet všech

harmonických (první, druhé, třetí, …) s lineárně klesající amplitudou.

Trojúhelník je další oblíbený průběh, který uvádím vlastně jen tak do

počtu. Stejně jako pilu lze zkonstruovat i trojúhelník součtem

harmonických – tentokrát lichých harmonických (1., 3., 5., …)

s exponenciálně klesající hlasitostí.

Obdélník je poslední ze „svaté čtveřice“ základních průběhů. Namísto

plynulého klesání nebo stoupání má pouze dvě hodnoty – maximum

a minimum. Konstruuje se stejně jako trojúhelník, tedy součtem lichých

harmonických, ale hlasitost tentokrát neklesá exponenciálně, tedy s druhou

mocninou, ale lineárně.

Šum je náhodný průběh.

Obrázek 34: základní zvukové průběhy

To rozkládání základních periodických funkcí na součty sinusovek je

samo o sobě velmi zajímavá část matematiky, a pokud by vás to zajímalo

víc, tak klíčová slova jsou Fourierova transformace a Fourierovy řady.

7.2 Obdélník vládne všem

Jednobitová hudba je generována tak, že měníme hodnotu jediného bitu –

buď je 0, nebo 1. Výsledkem je tedy, když se zamyslíme, obdélníkový

průběh. On nakonec nebude úplně přesně obdélníkový, protože na cestě od

procesoru k zesilovači jsou ještě různé obvody, které ten obdélník trošičku

zdeformují, ale to není teď pro nás podstatné. Podstatné je, že můžeme

zapomenout na sinusoidy a trojúhelníky, protože vygenerujeme vždy

a pouze obdélník.

Když chceme zahrát třeba tón o frekvenci 1000 Hz, bude to znamenat, že

tisíckrát za sekundu (=každou milisekundu) musí proběhnout oba cykly,

tedy 1 a 0. Nejjednodušší tedy bude, když necháme půl milisekundy

logickou 1, další půl milisekundy logickou 0, dohromady to dá jednu

milisekundu, a když to budeme opakovat, dostaneme tisícihertzový

obdélník jako víno!

Když je polovinu doby 1 a polovinu 0, říkáme tomu, že signál má střídu 1:1

(též 50%). Stejnou dobu je zapnuto, jako vypnuto. Spectrum 48 nám takový

signál vygeneruje na požádání – ano, je to to, co zahraje BEEP.

Co když ale zmenšíme dobu, po kterou máme tu logickou 1, o polovinu?

Výsledek bude tedy mít střídu 1:3 (25%, tj. čtvrtinu doby 1, tři čtvrtiny 0)

a zvuk bude znít jinak, bude ostřejší – i když ho stále budeme vnímat jako

„stejně vysoký“.

Zvláštní, takovou bzučivou, hudbu měl na Spectru třeba Heartland nebo hry

od Special FX (Firefly). Použitá byla i v hudebním editoru Orfeus. Má

střídu 1:N – tedy pouze na začátku cyklu na malou chvíli zapneme log. 1

a pak je logická 0 až do konce požadované doby. (Ta malá chvíle je dána

samplovací frekvencí, tedy rychlostí, s jakou jsme schopni v naší rutině

přepínat 1 a 0.)

7.3 Dělíme frekvence

Jak tedy budeme hrát jednotlivé tóny? Když chci zahrát 440 Hz, co to

přesně znamená?

OMEN Alpha běží na frekvenci 1,8432 MHz. Tedy necelé dva miliony

taktů za sekundu. Známé T – doba jednoho cyklu hodin – je tedy 0,54253

mikrosekundy.

Frekvence tónu f je 440. Za jednu sekundu proběhne tedy 440 cyklů, to

znamená, že na jeden cyklus vyjde… 1843200/f= 4189 cyklů T. Když

každých zhruba 2094 T změníme výstup z log. 0 na log. 1 (resp. obráceně),

bude nám Alpha hrát krásné obdélníkové komorní A.

Jenže my nemůžeme měnit výstup s frekvencí hodinového signálu –

nejrychlejší instrukce má 4 takty, navíc potřebujeme k tomu nějaké

počítání… No, dejme tomu, že jeden průběh smyčkou našeho hracího

programu, tedy tou částí, kde se rozhodne, jestli teď 0 nebo 1, zabere třeba

50 T. Prostým podělením 1843200/50 zjistíme, že tahle smyčka proběhne

36864x za sekundu. Když budeme pravidelně střídat 1 a 0, vygenerujeme

tón o frekvenci 18,5kHz – to je nepříjemné vysoké pištění. Ultrazvuk to

není, ale je to hodně vysoké a člověk by to měl slyšet (horní hranice

slyšitelné frekvence je okolo 20 kHz, v mládí víc, k stáru se zhoršuje).

Hrací smyčka funguje v zásadě – a hrubě zjednodušeně – tak, že počítá

průběhy, tj. kolikrát proběhla. Když je dosaženo hodnoty D (dělitel), jede se

zase od nuly, protože to znamená nový průběh. Během té doby je tedy

potřeba změnit výstup podle požadovaného průběhu. Příklad: pro

„heartlandovský“ průběh 1:N bude na výstupu log. 1 pouze když je

počítadlo rovno 0, pak bude na výstupu log. 0. Logická jednička bude na

výstupu tedy po dobu jednoho průběhu, 50T.

Kolik je tedy dělitel? Je to v zásadě převrácená hodnota frekvence (1/f)

a vzorec je: D = M / f / Tcyc. M je frekvence hodin (1843200), f je

požadovaná frekvence tónu, Tcyc je trvání smyčky v taktech hodin (T),

a výsledkem je číslo, které udává, kolik průchodů smyčkou připadá na

jeden cyklus výsledného tónu. Pro komorní A nám to vychází 83,78…,

a protože máme registry celočíselné, tak 84. Tón o oktávu vyšší bude mít

dělitele 42 (čím menší dělitel, tím vyšší tón), o oktávu nižší pak 168.

Jaká je maximální a minimální frekvence našeho hypotetického hradla?

Maximální frekvence je taková, která se ozve s dělitelem 2 (pokud by byl 1,

hodnota na výstupu by se neměnila) – po dosazení do vzorce vychází

18,432 kHz. Minimální frekvence bude, při osmibitovém počitadle, 145 Hz.

Teď už zbývá jen spočítat hodnoty pro jednotlivé půltóny. Podíl frekvencí

dvou sousedních tónů je dvanáctá odmocnina ze dvou – naštěstí si to

nemusíte počítat a můžete využít tabulky frekvencí. (Z ní se taky dozvíme,

že naše nejnižší frekvence je cca tón D3, nejvyšší pak zhruba B8.)

http://www.phy.mtu.edu/~suits/notefreqs.html

Dostaneme tabulku dělitelů:

Nota Frekvence Dělitel Reálná frekvence Rozladění

D3 146.83 251 146.8685259 1

D#3/Eb3 155.56 236 156.2033898 1.004

E3 164.81 223 165.309417 1.003

F3 174.61 211 174.7109005 1

F#3/Gb3 185 199 185.2462312 1.001

G3 196 188 196.0851064 1

G#3/Ab3 207.65 177 208.2711864 1.002

A3 220 167 220.742515 1.003

A#3/Bb3 233.08 158 233.3164557 1.001

B3 246.94 149 247.409396 1.001

C4 261.63 140 263.3142857 1.006

C#4/Db4 277.18 132 279.2727273 1.007

D4 293.66 125 294.912 1.004

…

A6 1760 20 1843.2 1.047

A#6/Bb6 1864.66 19 1940.210526 1.04

B6 1975.53 18 2048 1.036

Vzhledem k tomu, že používáme celočíselné operace, tak nebudou

frekvence přesné a v místech, kde máme hodně tónů na málo hodnot (tedy

u vysokých tónů) bude už velmi slyšitelné rozladění. Ostatně už v sedmé

oktávě připadá na jednoho dělitele několik tónů a šestá bude taky slyšitelně

rozladěná.

7.4 Vícehlas

Probrali jsme si teorii jednoho tónu. Jenže jednobitová hudba dokáže hrát

i víc tónů naráz. Jak se to dělá?

Tak, buď můžete rychle měnit frekvence tónů a hrát chvilku C a chvilku E

a takhle to střídat, anebo můžete oba tóny skládat dohromady – tj. ve

smyčce máte dvě počítadla, každé pro jeden tón, takže vám vznikají dva

průběhy, a výsledek je pak OR nebo AND těchto průběhů. (U střídy 1:N

nemá AND smysl.)

Takhle jednoduché že by to bylo? No ano, je to tak. Teoreticky. V praxi

narazíte na spoustu zádrhelů. Například na to, že když použijete generátor

se střídou 1:N a zahrajete dva tóny, které jsou od sebe přesně o oktávu, tak

vám impulsy toho vyššího splynou s impulsy toho nižšího a vy uslyšíte jen

ten vyšší. Řešit to lze – buď jeden tón decentně rozladíte, tj. posunete jeho

frekvenci o kousíček jinam, např. přičtete k děliteli 1 (což dělejte s tím

nižším tónem), nebo mu posunete fázi (tj. nebudete posílat log. 1 ve chvíli,

kdy je počítadlo rovno 0, ale třeba 4). Tím sice docílíte toho, že budou znít

oba, ale navíc si přidáte do výsledku parazitní frekvence. Na druhou

stranu – v tom obdélníkovém šumu se to ztratí…

Nebo že u jiných stříd (1:1 například) zní dva tóny jako by měly poloviční

hlasitost proti jednomu tónu. Mnojo…

Ještě takový detail – když u střídy 1:N měníme tu první hodnotu (tedy 2:N,

3:N, 4:N), tak do určité meze můžeme simulovat změnu hlasitosti. Pokud

ale zvolíme první číslo příliš velké, tak se u vyšších frekvencí změní střída

na něco blízké 1:1 – a zase máme jiný problém.

Když budou hrát dva tóny, jen mírně rozladěné, vzniknou ve výsledném

průběhu takzvané zázněje. Je to tím, že při hraní dvou frekvencí naráz

vnímáme i třetí, která je rovna jejich rozdílu – toho lze taky využít při

generování zvuků.

7.5 Ke čtení a inspiraci

 http://1bit.i-demo.pl/forum/2/zx-spectrum-48k-timex-2048-music/

 http://shiru.untergrund.net/1bit/

 http://sysel.webz.cz/sound/zx10.html

8 OMEN Bravo

8.1 Architektura procesoru 6502

Doufám, že jste nepřeskočili kapitolu o architekturách procesorů, kde jsem popisoval

základní rozdíly mezi architekturou procesorů 8080 a 6800. Téměř všechno, co jsem psal

o architektuře 6800, lze vztáhnout na procesor 6502, s jedinou výjimkou, a tou je zápis

vícebajtových hodnot. Na rozdíl od 6800 používá 6502 zápis „Little Endian“, tedy stejný

jako 8080 (nejprve je nižší byte, pak vyšší).

Procesor 6502, stejně jako jeho vzor 6800, nesází na velký počet interních registrů.

Kromě programového čítače (PC), ukazatele zásobníku (SP) a registru příznaků má pouhé

tři registry. Jeden je akumulátor, vůči němu se provádějí matematické a logické operace,

a dva mají funkci indexových registrů pro přístup do paměti (registry X a Y). Kromě PC

jsou všechny registry osmibitové (PC má 16 bitů).

Registry 6502

15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00 (pozice bitu)

Akumulátor

— A Accumulator

Indexové registry

— X X index

— Y Y index

Ukazatel zásobníku

0 0 0 0 0 0 0 1 SP Stack Pointer

Programový čítač

PC Program Counter

Stavový registr (registr příznaků)

— N V 1 B D I Z C P Processor flags

Jak je to tedy zařízeno se zásobníkem, jestliže ukazatel má jen 8 bitů? Vyšší byte je vždy

roven 01h, takže zásobník sídlí na adresách 0100h-01FFh. Ano, má maximálně 256 bajtů.

Při zápisu se, stejně jako u 8080, postupuje směrem k nižším adresám. Když dojde na

konec, tj. na adresu 0100h, pokračuje se zase od začátku (od 01FFh). Zásobník tedy

funguje ve stránce 1.

Princip paměťových stránek jsme si popisovali. Zmiňoval jsem, že u 6800 má paměťová

stránka 0 speciální význam – existuje adresovací mód, který místo kompletní 16bitové

adresy používá pouze osmibitovou (a horní byte je vždy 00h). Tento mód je,

nepřekvapivě, nazván „zero page“.

Takže u 6502 máte k dispozici tři vnitřní registry (A, X, Y) a 256 bajtů nulté stránky

(v praxi si ale nějakou část této oblasti sebere pro sebe operační systém, takže aplikačním

programátorům už moc nezbývá). Tento koncept vychází z možností tehdejší techniky,

kdy paměti byly rychlejší než procesory a dobře navržený čip (jako je třeba právě 6502)

zvládne na tři takty procesoru přečíst operační kód, přečíst parametr (adresu v zero page)

a přečíst nebo zapsat hodnotu z/do paměti. Srovnejme si časování instrukce, která přenese

do akumulátoru obsah paměti na adrese 1234h:

 Intel 8080: LDA 1234h – 3 byte, 13 taktů procesoru

 Z80: LD A, (1234h) – 3 byte, 13 taktů

 6502: LDA 1234h – 3 byte, 4 takty

U nejobvyklejšího časování zvládne 8080 tímto způsobem přenést 141.784 bajtů za

sekundu (taktováno na 1,8432MHz), Z80 za tu dobu při stejné frekvenci přenese stejné

množství dat, ale 6502 přenese 460.800 bajtů. Omlouvám se, že tu explicitně počítám

takovou samozřejmost, ale je na místě ukázat a připomenout, že frekvence procesoru není

všechno a nelze říct: V Atari má procesor 1,79MHz, ve Spectru 3,5MHz, je tedy jasné, co

je rychlejší (a to ani nezmiňuju, že ve starých počítačích nejedou procesory neustále na

plnej kotel, občas je okolní systém zpomaluje). Nahradit registry přímo na čipu (které jsou

sice nejrychlejší, ale poměrně drahé) rychlým přístupem do paměti byl v sedmdesátých

letech docela důvtipný nápad.

Jak vlastně procesor dosahuje takové datové propustnosti? Ukažme si o něco složitější

instrukci, totiž LDA 1234h,X – načtení bajtu z adresy 1234h zvýšené o obsah registru X.

 V prvním taktu načte procesor operační kód (a na pozadí možná dokončuje předchozí

instrukci).

 V druhém taktu procesor načítá další bajt instrukce, což je nižší část adresy (34h)

a zároveň dekóduje operační kód. Z něho pozná, že jde o LDA a adresa se skládá

z absolutní šestnáctibitové adresy a indexového registru, tedy že právě načtený byte je

nižší část adresy.

 Ve třetím taktu procesor načítá další bajt instrukce, což je vyšší část adresy (12h),

a zároveň počítá součet „34h + X“.

 Pokud došlo k přenosu, přičte se 1 k vyšší části adresy. Toto přičtení zabere jeden takt.

Pokud k přenosu nedošlo, tento takt se vynechá.

 Ve čtvrtém (nebo pátém) taktu se čte obsah paměti na zadané adrese.

LDA s absolutní adresou a indexem trvá čtyři takty, případně pět, pokud výsledná adresa

leží za hranicí stránky. V každém cyklu se přistupovalo do paměti. Pokud použijeme

procesor CMOS s frekvencí 4MHz, přistupuje se do paměti se stejnou frekvencí, což

znamená 250ns na přístupový cyklus. Pomalejší paměti s tím mohou mít problém…

U procesorů 808x nebo Z80 trvá jen načtení a dekódování instrukce 4 takty…

Pro zajímavost – instrukce ADC #51, což je obdoba instrukce ACI 51h (sčítání

akumulátoru s konstantou, 7 taktů) se skládá z několika kroků: 1. Vyzvednout operační

kód, 2. dekódovat operační kód, 3. načíst operand, 4. sečíst operand a obsah registru A,

5. uložit výsledek do registru A.

Procesor tuto instrukci vykoná reálně ve dvou taktech: v prvním načte operační kód, ve

druhém paralelně dekóduje kód a načítá operand. Kroky 4 a 5 dělá zároveň s načítáním

operačního kódu další instrukce…

Procesor 6502, stejně jako 6800, nemá speciální systém pro periferie. Návrhář systému

musí tedy tyto obvody (klávesnice apod.) namapovat do prostoru paměti. Nevýhodou je,

že se tím připravíme o prostor pro paměť, výhodou je, že s periferiemi může programátor

pracovat stejně jako s pamětí a využít k tomu libovolnou instrukci, která dokáže číst nebo

zapisovat z/do paměti.

8.2 Zapojení 6502

Obrázek 35: 6502 (NMOS verze) (Autor Bill Bertram, CC-BY)

Procesor 6502 má v historii osmibitových procesorů ikonickou pozici. U nás, v bývalém

Československu to tak možná nevnímáme, tento procesor se k nám moc nedostal, pouze

v dovezených domácích počítačích Atari či Commodore, ale naši konstruktéři,

profesionální ani amatérští, s ním moc zkušeností neměli, orientovali se na snadněji

získatelné procesory 8080 a Zilog Z80.

Ovšem na západ od našich hranic, v zemích, kde koupit mikroprocesor bylo podstatně

snazší, se 6502 dočkal obrovské popularity i mezi amatérskými konstruktéry (a klidně si

mezi ně započítejme i pana Wozniaka a jeho počítače Apple). Procesor 6502 je totiž

extrémně jednoduchý a konstrukce počítače s ním je snadno pochopitelná.

Jeho programování je pro člověka, zvyklého na svět procesorů od Intelu, trošku

překvapivé, ale má své výhody. Kupodivu i zásobník s 256 bajty je pro většinu použití

a jazyků dostatečný (zapomeňte ale na předávání parametrů přes systémový zásobník jako

v C).

Procesor 6502 se stále vyrábí (respektive jeho vylepšená CMOS varianta 65C02)

a prodává a na jeho jádru jsou založené i některé složitější konstrukce, kde slouží např.

v roli vnitřního procesoru. V syntetizované podobě, například ve FPGA, může dosahovat

pracovních frekvencí v řádech stovek megahertzů a jako řídicí jednotka může být velmi

efektivní. Dnešní vyráběné verze používají technologii CMOS a vychází z typu 65C02,

který má kromě vyšších frekvencí a nižší spotřeby opravené i některé chyby, které měl

původní procesor NMOS, a přidané některé často požadované instrukce, které v původní

verzi nebyly.

Asi nejznámější výrobce 65C02 v dnešní době je společnost WDC, založená jedním

z návrhářů procesoru 6502 Billem Menschem. Portfolio WDC nabízí kromě procesoru

W65C02 i šestnáctibitovou verzi 65C816, a k oběma procesorům dodává i jejich

„mikrořadičové“ verze – s integrovanou ROM, ve které je Monitor, a několika

periferiemi. Navíc vyrábí i několik podpůrných obvodů.

Další výrobce, Rockwell, vyrábí také lehce vylepšenou verzi R65C02, a k nim i verze

R65C102 a R65C112. Verze 102 a 112 nabízejí některé vylepšené funkce (DMA),

podobně jako verze od WDC.

65C02 má lehce odlišné významy některých pinů od standardní 6502, navíc se liší i různé

verze „vylepšených CMOS verzí“.

Není 65 jako 02!

Ještě jednu věc je potřeba zdůraznit. 6502 má několik verzí, které se od sebe docela

podstatně liší.

 MOS6502 – „původní“, originální 6502, použitá např. v Commodore PET nebo KIM-1.

 6502C – 6502 s vývodem HALT (použitá v počítačích Atari)

 6510 – 6502 s přidaným portem, využitá v Commodore C64

 8500 – CMOS verze 6510 (Commodore C64C a C64G)

 8502 – rychlejší 8500 (až 2 MHz – C128)

 7501 – HMOS-1 verze 6502 (C16/C116/Plus4)

 8501 – HMOS-2 verze 6502

Tyto procesory jsou softwarově kompatibilní. Zajímavost je, že procesor, původně

vyvinutý jako univerzální společností MOS Technology, se po koupi této společnosti

firmou Commodore vyvíjel především tak, aby vyhovoval autorům domácích počítačů od

Commodoru.

Na trhu se objevily i další procesory, odvozené z 6502:

 65C02 – neplést s výše zmíněným 6502C! Tato verze přidala některé instrukce. Tento

procesor jsem použil i v OMEN Bravo.

 65SC02 – zmenšená verze 65C02, která má opět některé instrukce odebrané.

 65CE02 – rozšířená verze 65C02 (použita v počítači Commodore C65 – tento počítač

jste pravděpodobně nikdy neviděli, jejich počet se odhaduje na 50 až 2000 kusů a na

eBay se prodával jeden v dubnu 2013 za cenu přesahující 17.000 EUR, tedy cca

půlmilion Kč.)

 65C816 – hybridní procesor, který rozšiřuje 65C02 o šestnáctibitové instrukce.

Tyto procesory jsou „rozšířenou 6502“ a chovají se jinak, zejména

u „nedokumentovaných“ instrukcí (některé z nich mají jiný význam, jiné se chovají jako

NOP a nezaseknou celý procesor jako u 6502).

V následujícím popisu se budu věnovat té první skupině, tedy „originál 6502“. Odlišné

verze probereme až na úplném konci.

8.3 Popis vývodů

Na rozdíl od 8080 nebo 8085 má procesor 6502 vyvedené kompletní sběrnice: datovou,

adresní i řídicí.

Datová sběrnice sestává ze signálů D0 – D7, adresní ze signálů A0 – A15.

Systémové hodiny se připojují na vývody Φ1 a Φ0 (jde o řecké písmeno Fí, kterým se

někdy značí fáze – nejde o symbol „průměr“). Původní verze NMOS vyžadovala

připojení externího oscilátoru, verze 65C02 má mezi vývody Φ0 (vstup) a Φ1 (výstup)

připojený invertor, takže stačí, podobně jako u 8085, připojit krystal a kondenzátory.

Ovšem pozor u procesorů W65C02 od WDC – tato firma doporučuje v datasheetu použít

externí oscilátor a o invertoru se nezmiňuje, ačkoli to vypadá, že je i v nových čipech

zapojený. Ale jedná se o nedokumentovanou vlastnost.

Životně důležitý je výstup Φ2 (Fí 2, někdy označovaný i jako PHI2). Tento signál slouží

jako systémové hodiny. Každý cyklus procesoru začíná sestupnou hranou tohoto signálu

(1->0). Během první poloviny cyklu (Φ2 = 0) procesor provádí interní operace a s okolím

nekomunikuje. Náběžná hrana Φ2 (0->1) znamená, že procesor je připravený

komunikovat, na adresové sběrnici je připravená požadovaná adresa a na datové sběrnici

jsou data (pokud procesor hodlá zapisovat). Pokud procesor čte, je datová sběrnice

přepnuta na vstup a data se vzorkují se sestupnou hranou Φ2.

Signál R/W říká, jestli procesor bude zapisovat nebo číst. Pokud je 1, procesor čte, pokud

0, procesor zapisuje.

Další důležitý vstup je /RST – jak název napovídá, jde o RESET, aktivní v nule. Můžete

použít podobné zapojení, jako jsme použili u 8085 – rezistor a kondenzátor… Ovšem

pozor: /RST je aktivní v nule a v procesoru není vstup vybaven Schmittovým klopným

obvodem, takže bude potřeba použít hradlo se Schmittovým klopným obvodem

(74ALS14). A mimochodem, některé verze starého NMOS procesoru se začaly přehřívat,

pokud signál RESET trval příliš dlouho…

Co ty další vstupy? Vss a Vdd je samozřejmě napájecí napětí, Vss odpovídá zemi (GND).

Procesor 6502 v NMOS verzi má dva vstupy na zem a jeden na napájecí napětí. CMOS

verze od WDC jeden z nich nahrazuje signálem VPB (Vector Pull), který oznamuje, že

procesor načítá adresu obslužného vektoru přerušení.

Výstup SYNC říká, že procesor právě načítá instrukci. Pomocí tohoto signálu se snadno

zařídí mechanismus „Single step“, tedy že procesor vykoná jednu instrukci a čeká na

stisknutí tlačítka.

Vývody NC znamenají „No connect“, tedy „nezapojovat“. Neznamená to nutně, že jsou

„not connected“, nepřipojené. Některé z nich mohou sloužit k testování obvodů

v závěrečné fázi výroby a uvnitř pouzdra jsou k něčemu připojeny. Ale vy je nezapojujte,

prosím.

Vstup RDY slouží k odpojení procesorů od sběrnice, pokud je potřeba provést DMA,

nebo pokud musí procesor čekat na pomalou paměť. Některé verze 65C02 má na tomto

vstupu slabý pull-up rezistor, takže ho můžete nechat nezapojený; WDC verze tento

rezistor nemá. Pokud nemáte s tímto vývodem žádné záměry, prostě jej připojte na 5

V přes rezistor 3k3.

Nejdivnější vstup celého procesoru je vstup /SO. Připojte ho, prosím, na napájecí napětí

přes vhodný rezistor a zapomeňte, že existuje. Ne, vážně, udělejte to, protože ho asi

nevyužijete. Jeho funkce je taková, že sestupná hrana na tomto vstupu nastaví příznak

V v příznakovém registru. Za normálních okolností nechcete, aby vám něco zvenčí

měnilo stav příznaků uprostřed práce.

Samozřejmostí jsou dva přerušovací vstupy, /IRQ a /NMI. Úroveň 0 na vstupu /IRQ

vyvolá maskovatelné přerušení, sestupná hrana na vstupu /NMI vyvolá přerušení

nemaskovatelné. Maskovatelné lze zakázat a povolit speciálními instrukcemi.

Verze od WDC W65C02 přidává další dva vývody – vstup BE (Bus Enable) pro odpojení

sběrnice a /ML pro uzamčení přístupu do paměti ve víceprocesorových systémech.

Shrňme si to:

 Adresní sběrnice je vyvedená celá

 Datová také

 Procesor používá jednoduché jednofázové hodiny

 Odpadá rozlišení na paměť a periferie

 Procesor dokáže přistupovat k paměti v každém cyklu

 Procesor má zabudovaný jednoduchý přerušovací systém

 Synchronizace všech obvodů signálem Φ2

Co nám brání začít navrhovat vlastní konstrukci? Správně, nic. Pusťme se do toho…

8.4 Základní procesorová jednotka: Hodiny a RESET

Začněme, jako u počítače Alpha, tím, že si zapojíme procesor, hodiny a základní bižuterii

okolo.

Hodinový obvod můžeme vyřešit stejně jako u 8085, pomocí krystalu a dvou

kondenzátorů, ale bude to fungovat pouze u některých procesorů. Použijeme sice CMOS

verzi, která by invertor měla mít zabudovaný, ale pokud použijete W65C02 od WDC,

nemusí být… Je to nutné ověřit.

Druhá možnost je postavit vlastní oscilátor z invertorů a krystalu.

Třetí možnost je použít oscilátor v pouzdře DIP.

Použijeme stejnou frekvenci jako u Alphy, tedy 3,6864 MHz. Ovšem na rozdíl od Alphy,

kde si procesor 8085 podělil frekvenci dvěma, poběží 65C02 na plný výkon. Proto dejte

prosím pozor při nákupu, zda kupujete verzi, která je pro takovou frekvenci stavěná.

Procesory od Rockwellu používají označení R65C02Px, kde C značí CMOS verzi, P

značí plastové pouzdro se 40 vývody (DIL) a číslice za P udává maximální frekvenci

v MHz. Shánějte proto verzi R65C02P4.

U WDC půjde pravděpodobně o procesor W65C02S6P-14. Typ je 65C02S, 6 označuje

výrobní technologii, P je pouzdro DIL 40 a -14 je označení rychlosti. Ano, procesor od

WDC dokáže pracovat až na frekvenci 14 MHz. Ale můžete narazit i na verzi -6.

Pokud seženete pomalejší procesor (R65C02P2 například) nebo nějaký ještě exotičtější,

popřípadě historický kousek, musíte použít odpovídající nižší frekvenci. Tedy třeba

1.8432 nebo 0,9216 MHz. Případně můžete použít krystal s plnou rychlostí, ale za něj

zapojit jeden nebo dva klopné obvody D (74HC74) jako děličku frekvence.

Stále vycházím z toho, že by bylo fajn, aby pracovní frekvence šla snadno dělit na

nějakou standardní komunikační frekvenci pro sériový port. Ale lze to vyřešit i tak, že pro

sériový komunikační port použijete vlastní časovač.

Pokud se rozhodnete přitopit a zkusit, co z procesoru vymáčknete, nezapomeňte, že těch

14 MHz znamená, že procesor bude požadovat data z paměti každých cca 70

nanosekund a paměť bude mít na vybavení požadavku čas poloviční, takže musíte

vybrat odpovídající rychlé paměti. EEPROM 28C256 od Atmelu mívají přístupové

doby okolo 150 ns (popřípadě ještě pomalejší), ty nevyhovují. Ani 28HC256 (High

speed) s přístupovou dobou 70 ns pro takové frekvence nevyhoví (mohou teoreticky

zvládnout 8 MHz). Paměti FLASH (SST39LF010 například) mají přístupovou dobu 55

ns… Stále málo. Můžete to ale zkusit – a doufat…

Totéž platí i pro paměti RAM. Ty, které používáme (62256 apod.) jsou relativně pomalé.

Obvykle mívají přístupovou dobu 70 ns, levnější kousky mají 85 ns, ale vyrábí se

i v rychlejších variantách okolo 45 ns. Někteří výrobci nabízí i 10ns verze (např.

MOSEL MS62256H-10). Jistější je ale sáhnout například po AS7C256B-15 od Alliance

Memory – to je také paměť RAM 32x8, ovšem s rychlostí 15 nanosekund. Ta už vyhoví.

Jak ale vyřešit problém s pomalými paměťmi ROM (EEPROM, FLASH)? Podobně jako

se řešily tehdy: pomocí rychlé cache z pamětí RAM. Procesor připravíte tak, aby bylo

možné přepínat jeho rychlost, třeba mezi 14 MHz (plný výkon) a 3,5 MHz (čtvrtinová

frekvence, pomalý běh). Po startu systému poběží procesor na 3,5 MHz a první úkol po

startu bude zkopírovat obsah ROM do rychlé statické RAM. Jakmile bude tohle hotovo,

procesor odpojí ROM, zakáže zápis do RAM na místa, kde je kopie ROM, a přepne

hodiny na plný výkon.

Druhá možnost je při přístupu na adresy, kde je ROM, procesor brzdit – jakmile logika

zjistí, že procesor hodlá přistupovat k ROM, použije signál RDY a drží ho aktivovaný

například 100 nanosekund. Procesor pak nechá hodinový signál ve stavu 0, dokud

nebude paměť připravená, a teprve po ukončení signálu RDY pokračuje ve čtení.

Mimochodem, slovo „přitopit“ jsem použil záměrně. Vyšší frekvence vyžaduje větší

proud (WDC udává 1,5 mA na každý 1 MHz) a vyšší napětí. Pokud chcete napájecí

napětí snížit, musíte snížit i frekvenci. A samozřejmě platí, že vyzářené teplo je úměrné

výkonu (tedy napětí x proud), takže procesor bude na vyšší frekvenci také pěkně hřát

a bude možná potřebovat chladič.

U hodin dovolte ještě jednu osobní poznámku. Když jsem si navrhoval pro Bravo plošný

spoj, použil jsem zapojení, co jsem si ověřil na nepájivém kontaktním poli. Jenže:

nekmitalo to! Změnil jsem tedy celé zapojení, vynechal jsem oscilátor a nechal jsem vše

na procesoru, a bylo to OK. Pak jsem v další verzi posunul krystal kousek stranou

a pozměnil jsem zalitou zemní plochu. Opět to nekmitalo, až když jsem připojil další

kondenzátor a paralelní rezistor. Přitom na nepájivém kontaktním poli identické zapojení

fungovalo, dokonce se stejným kusem R65C02. Píšu to sem proto, abych vás na to

připravil: je možné, že se vám stane, že stejné zapojení nebude fungovat – většinou

u vysokofrekvenčních signálů. Může se to stát. Většinou pomůže přidat kondenzátor,

ubrat kondenzátor…

Obvod pro RESET můžeme vlastně zrecyklovat z Alphy, ale s drobným rozdílem:

U 65C02 není zaručené, že na vstupu RESET bude Schmittův klopný obvod – datasheety

se o něm nezmiňují, ale někteří konstruktéři tvrdí, že tam je – a proto je lepší postavit

obvod s nějakým oddělovacím prvkem, který Schmittův KO obsahuje. Další možnost je

použít třeba specializovaný obvod (DS1813 od Maxim) nebo časovač 555. Zůstaneme

u stejného obvodu, jako měla Alpha, a kdyby byly problémy, zapojte si mezi něj

a procesor dva invertory se Schmittovým KO za sebou. (Proč dva? Protože jeden invertor

by obrátil signál tak, že by byl stále v 0. Pokud chcete použít jen jeden invertor, musíte

předělat logiku celého resetovacího obvodu tak, aby byla v klidu v 0 a po invertování

v 1.)

Obrázek 36: Bravo, CPU

V zapojení není nic, co by bylo překvapivé. Pozor na vývod 36. U R65C02 a podobných

je „not connect“ a nechte jej nezapojený, u W65C02 od WDC je to vstup Bus Enable a je

potřeba jej připojit na +5 V.

A ještě jedna terminologická poznámka: ve světě procesorů 65xx se negované signály

často označují písmenem „B“ na konci. Proto například u schematických značek najdete

vývody RESB nebo NMIB. Znamená to „negovaný RES“, „negovaný NMI“. Já se

přidržím zažitější konvence a budu je označovat jako /RES nebo /NMI.

8.5 Další tipy

 http://wilsonminesco.com/6502primer/

 http://wilsonminesco.com/6502primer/ClkGen.html

 http://wilsonminesco.com/6502primer/addr_decoding.html

 https://dave.cheney.net/2014/12/26/make-your-own-apple-1-replica

 http://hackaday.com/2014/06/01/propeddle-the-software-defined-6502/

 http://www.grappendorf.net/projects/6502-home-computer/#table-of-contents

 http://sbc.rictor.org/home.html

8.6 Paměť

Pár poznámek k zapojení paměti

6502 nerozlišuje, jak jsem už psal, mezi pamětí a periferií. Použijete instrukci STA

0C000h a procesor na tuto adresu pošle obsah registru A, aniž by se staral, jestli tam je

paměť nebo třeba obvod ACIA.

Ale zas úplná anarchie to taky není. Nesmíme zapomínat, že procesor 6502 má některé

věci takříkajíc „napevno“. Zopakujme si je:

 Systémový zásobník, kam se ukládají návratové adresy a další data, má osmibitový

ukazatel S. To znamená, že může mít pouhých 256 bajtů. Hodnota v registru S vytvoří

dolní polovinu adresy, horní polovina bude vždy 01h. Zásobník tedy sídlí na adresách

0100h až 01FFh a je nezbytně nutné, aby aspoň část tohoto prostoru byla paměť RAM.

 Procesor používá speciální režim se zkrácenou adresou, při kterém se využije jen jeden

bajt na adresu a horní polovina je pak rovna 00h. Říká se tomu Zero Page (nultá

stránka), a je tedy fajn, když i na adresách 0000h – 00FFh je alespoň někde RAM.

Když procesor startuje nebo když přijde přerušení, skočí procesor na nějakou adresu.

U procesoru 8080 / 8085 to byla adresa 0 pro RESET a několik dalších adres pro

přerušení. U 6502 to může být libovolná adresa. Ovšem ta adresa musí být uložena

v paměti na specifickém místě.

Pro RESET to je FFFCh-FFFDh, pro přerušení IRQ to jsou adresy FFFEh-FFFFh, pro

nemaskovatelné přerušení NMI to jsou adresy FFFAh-FFFBh. Ne snad že by procesor při

RESETu skočil na adresu FFFC, to ne. Procesor si nejprve přečte dvoubajtovou hodnotu

z adres FFFCh a FFFDh, a teprve tato hodnota je adresou místa, kam se skáče…

Je tedy dobré, aby na konci adresního prostoru byla paměť ROM – alespoň při startu.

V praxi to dopadá tak, že paměť RAM zabírá dolní část paměťového prostoru, paměť

ROM horní část, a periferie „někde mezi tím“. Připadá mi nejjednodušší zapojení takové,

kde bude mít počítač paměť RAM 32kB od adresy 0000h do 7FFFh, paměť ROM 16 kB

(ano, použijeme jen půl kapacity EEPROM) od adresy C000h do adresy FFFFh, a prostor

mezi 8000h a BFFFh vyhradíme periferiím.

Dekodér

U Alphy s procesorem 8085 jsme ani žádný pořádný dekodér neměli, ovšem u Brava bude

zapotřebí nějak vyřešit to, že v jednom adresním prostoru máme dvě různé paměti, a ještě

k tomu periferie.

Už jsem psal, že prostor od 0000h do 7FFFh vyhradíme RAM, prostor od 8000h do

BFFFh budou nějaké periferie a C000h až FFFFh bude EEPROM. K dekódování budeme

potřebovat tedy dva nejvyšší bity adresy. Výsledkem budiž tři signály: /RAMCS,

/ROMCS a /IOCS, které budou vybírat RAM, ROM, respektive porty.

A15 A14 Adresace /RAMCS /ROMCS /IOCS

0 0 RAM 0 1 1

0 1 RAM 0 1 1

1 0 Porty 1 1 0

1 1 ROM 1 0 1

/RAMCS je vlastně ekvivalentní signálu A15, /ROMCS je výsledek A15 NAND A14 (=0,

když jsou oba vstupy 1), a konečně /IOCS můžeme zkonstruovat jako /RAMCS NAND

/ROMCS. Ale /IOCS nebude potřeba generovat samostatně – pomůže nám v tom dekodér

pro periferie.

Signály /RD a /WR

Už jsme si říkali, že 6502 synchronizuje zbytek systému pomocí signálu Φ2. Když je 0,

procesor dělá interní operace a externí obvody by neměly komunikovat, když je 1, je čas

na komunikaci. Její směr udává signál R/W. Pojďme si tyto dva signály spojit do signálů

/RD a /WR:

Φ2 (PHI2) R/W /RD /WR

0 0 1 1

0 1 1 1

1 0 1 0

1 1 0 1

Platí tedy, že signál /RD je PHI2 NAND R/W – aktivní v 0, pokud jsou oba vstupy 1.

Signál /WR je PHI2 NAND NOT R/W.

Jestli dobře počítám, tak pro paměti potřebujeme:

 1 hradlo NAND pro signál /ROMCS

 1 hradlo NAND pro signál /RD

 1 hradlo NAND pro signál /WR

 1 invertor pro negaci signálu R/W – a ten uděláme zase pomocí hradla NAND.

Potřebujeme tedy přesně jeden obvod 74x00. Použijte prosím rychlé obvody HC, HCT,

AC, ACT…

Obrázek 37: Bravo, dekodér

Paměti

Použijeme stejné obvody jako u Alphy: Statickou RAM 32 kB typu 62256 a EEPROM 32

kB typu AT28C256. Stejné zapojení jako minule: /CS se připojí na /ROMCS nebo

/RAMCS, /OE jde na signál /RD, /WE na signál /WR.

Z EEPROM využijeme jen půlku, protože paměť má kapacitu 32 kB a my pro ni máme

v systému jen 16 kB. Pokud necháme vstup A14 připojený napevno k 0, budeme používat

dolní polovinu adres (0000h – 3FFFh), pokud ji připojíme k 1, budeme používat horní

polovinu (4000h – 7FFFh). Ideální řešení je přidat přepínač a mít k dispozici dvě různé

ROM, mezi nimiž si můžeme před zapnutím počítače vybrat.

Druhá možnost je použít menší obvod EEPROM, třeba AT28C64, který má kapacitu

8 kB. Tento obvod nemá vstupy A14 ani A13, ale jinak má rozložení vývodů stejné.

Jediný rozdíl je ten, že pro EEPROM máme vyhrazený prostor o velikosti 16 kB, takže se

její obsah objeví v daném rozsahu dvakrát („zrcadlí se“). Zkrátka obsah paměti

EEPROM, který je fyzicky v oblasti 0000h – 1FFFh (tedy 8 kB), se v adresním prostoru

procesoru objeví od adresy C000h, a stejný obsah i od adresy E000h.

Co s tím? Nejjednodušší je nedělat s tím nic. Tak je EEPROM v paměti dvakrát, a co má

být? Ovšem pořádkumilovné jedince to může štvát. Druhá možnost je udělat podrobnější

dekodér adres a /ROMCS povolovat pouze pro adresy E000h – FFFFh. Znamená to tedy,

že /ROMCS = A13 NAND A14 NAND A15. Budeme potřebovat třívstupové hradlo

NAND, anebo zvolíme jednodušší variantu a použijeme obvod 74138, na jehož vstupy A,

B a C zapojíme A13 až A15. Osm vývodů pak bude aktivních pro jednotlivé 8kB bloky.

Pro /ROMCS pak využijeme /Y7, pro /IOCS třeba /Y6 a pro /RAMCS můžeme využít

všechny ostatní (a nabídnout až 48 kB RAM).

Pokud bych slučoval vícero signálů /Yx do jednoho pomocí AND, tak by bylo lepší

použít obvod 74156 v konfiguraci „dekodér 1-z-8“, který má výstupy s otevřenými

kolektory, a prostě je spojit…

Na schématu tedy opět není naprosto nic překvapivého:

8.7 Periferie

Dekodér pro jednotlivé periferie postavíme opět na obvodu 74138. Na jeho povolovací

vstupy G přivedeme signály A13, A14 a A15 tak, že obvod bude vybrán, pokud A15=1,

A14=0. Díky tomu ušetříme jedno hradlo NAND pro tvorbu signálu /IOCS. A protože

zbývá třetí negující vstup (/G2B), ke kterému je připojen signál A13, znamená to, že

periferní obvody budou na adresách, které začínají (binárně) 100x, tedy 8000h – 9FFFh.

Obrázek 38: Bravo, paměti

Na vstupy A, B a C připojíme další adresní signály A12, A11 a A10. Prostor si tak

rozdělíme na osm jednokilobytových oblastí (8000h – 83FFh, 8400h – 87FFh atd.)

Obrázek 39: Bravo, dekodér pro periferie

8.8 Sériový port 6551

Na rozdíl od Alphy, kde jsme použili obvod 6850 z rodiny periferních obvodů Motorola

68xx, použijeme v Bravu obvod z řady 65xx, tedy přímo určený pro procesory 6502.

Tento obvod má zabudovaný generátor hodinové frekvence. Pokud k němu připojíte

krystal 1.8432MHz, můžete komunikovat až rychlostí 19200 Bd. Obvod má kromě datové

sběrnice (D0-D7) a standardních signálů pro sériové rozhraní (TxD, RxD, CTS, DSR,

DCD, DTR a RTS) i obvyklou sadu řídicích signálů: chip select (CS0 a /CS1 – použijeme

invertující vstup /CS1 a spojíme ho s vývodem dekodéru /IO0), R/W, /RES a PHI2. Tyto

signály připojíme k odpovídajícím vývodům procesoru 6502. Vývod /IRQ necháme

nezapojený, ale mohli bychom ho spojit se vstupem /IRQ procesoru a využít přerušení pro

řízení sériového přenosu.

Poslední dva řídicí vstupy nesou označení „Register select“ – RS0 a RS1. připojíme je na

adresní sběrnici, bity A0 a A1.

Obvod ACIA 6551 se tak objeví na adresách 8000h – 83FFh a jeho čtyři vnitřní registry

budou na adresách, končících na 0 (4, 8, C), 1 (5, 9, D), 2 (6, A, E) a 3 (7, B, F).

Doporučuju opět použít ty adresy, které mají v „nedůležitých“ pozicích 1, tedy 83FCh až

83FFh.

Obrázek 40: Bravo, sériové rozhraní s ACIA 6551

Rozložení registrů pak bude následující:

Adresa RS1 RS0 Zápis Čtení

83FCh 0 0 Data k vysílání Přijatá data

83FDh 0 1 Reset obvodu Stavový registr

83FEh 1 0 Příkazový (Command) registr

83FFh 1 1 Řídicí (Control) registr

Význam dat v jednotlivých registrech potřebuje podrobnější vysvětlení.

Datový registr (83FCh) slouží pro zápis dat k vysílání, popřípadě přečtení dat, načtených

ze sériového rozhraní.

Stavový registr (83FDh) je pouze pro čtení. Pokud se pokusíte na tuto adresu zapsat

nějaká data, vyvoláte tím reset celého obvodu.

Bit Název Význam

0 Parity error 1 = byla detekována chyba parity

1 Framing Error 1 = detekována chyba rámce (start/stop bity)

2 Overrun 1 = chyba přeběhu. Znamená, že přišla nová data po sériovém portu dřív, než procesor načetl

předchozí byte

3 Receiver data register full 1 = v datovém registru jsou načtená data a je možno je číst

4 Transmitter data register

empty

1 = vysílací registr je prázdný, takže je možné poslat nová data

5 DCD Stav signálu /DCD

6 DSR Stav signálu /DSR

7 IRQ 1 = obvod vyvolal přerušení

Příkazový registr (83FEh) řídí některé parametry přenosu, jako je kontrola parity,

přerušení nebo stav výstupu DTR.

7 6 5 4 3 2 1 0

Parita. 000 = nevysílá se,

netestuje…

1 =

Echo

Přerušení při vysílání a /RTS (00 = bez

přerušení)

Přerušení při příjmu (1 =

zakázáno)

/DTR

Do podrobnějšího popisu nechci zabředávat, stačí vědět, že do tohoto registru máme

poslat hodnotu 02h (žádné přerušení, žádná parita, žádné echo…)

Pomocí řídicího registru (83FFh) nastavujeme další parametry, jako počet stop bitů, délku

slov a časování. Bit 7 tohoto registru určuje počet stop bitů (0 = 1 stop bit, 1 = 2 stop bity,

popř. 1 pro vysílání s paritou). Bity 6 a 5 udávají délku dat (00 = 8 bitů), bit 4 říká, kde se

bere zdroj hodin pro přijímač (0 = externí, 1 = interní) a bity 3 až 0 udávají dělicí

koeficienty pro generování přenosové frekvence.

Možné kombinace jsou 0000 (= používá se externí signál na RxC), 0001 (dělitel 1/36864)

až 1111 (dělitel 96). S krystalem 1.8432MHz pak vychází přenosová rychlost 50 Bd

(0001) až 19200 (1111). Opět doporučuju neexperimentovat a nastavit tento registr na 1Fh

(hodiny interní, 19200 Bd, 8 bitů, 1 stop bit).

Úvodní nastavení tedy představuje sérii dvou zápisů: 1Fh na 83FFh a 02h na 83FEh. Tím

je nastaveno a můžeme vysílat a přijímat data (83FCh). Nezapomeňte si zkontrolovat, zda

můžete vysílat (bit 4 na adrese 83FDh) a jestli je připravený načtený znak (bit 3 na adrese

83FDh).

8.9 VIA 6522

Paralelní port je druhá standardní periferie, kterou k Bravu připojíme. Nebudeme používat

stejný obvod Intel 8255, ale sáhneme po další periferii z rodiny 65xx, totiž po obvodu

VIA 6522 (VIA: Versatile Interface Adapter). Sice nabízí jen dva osmibitové porty, ale na

rozdíl od 8255 je možné každý bit každé brány nastavit nezávisle jako vstupní či výstupní.

Zároveň je v čipu posuvný registr, který můžeme použít třeba pro hardwarovou podporu

rozhraní SPI. Kromě toho obsahuje i čítač/ časovač, který lze využít jak pro sériové

rozhraní, tak pro další činnosti.

Obrázek 41: Bravo, paralelní rozhraní s VIA 6522

Výrazně bohatší výbava oproti obvodu 8255 vyžaduje také komplexnější rozhraní. Obvod

VIA proto nabízí rovných 16 registrů. Registry jsou vybírané pomocí signálů RS0 – RS3.

Číslo

Název

Popis

RS3 RS2 RS1 RS0 Zápis Čtení

0 0 0 0 0 ORB/IRB Výstup port B Vstup port B

1 0 0 0 1 ORA/IRA Výstup port A Vstup port A

2 0 0 1 0 DDRB Směr dat na portu B

3 0 0 1 1 DDRA Směr dat na portu A

4 0 1 0 0 T1C-L T1 latch nižší byte Čítač T1, nižší byte

5 0 1 0 1 T1C-H Čítač T1, vyšší byte

6 0 1 1 0 T1L-L Latch T1, nižší byte

7 0 1 1 1 T1L-H Latch T1, vyšší byte

8 1 0 0 0 T2C-L T2 latch nižší byte Čítač T2, nižší byte

9 1 0 0 1 T2C-H Čítač T2, vyšší byte

10 1 0 1 0 SR Posuvný registr

11 1 0 1 1 ACR Pomocný řídicí registr

12 1 1 0 0 PCR Registr řízení periferií

13 1 1 0 1 IFR Registr příznaků přerušení

14 1 1 1 0 IER Registr povolování přerušení

15 1 1 1 1 ORA/IRA

Paralelní port

Základní částí obvodu VIA jsou dva osmibitové paralelní porty. K jejich řízení slouží

registry ORx/IRx a DDRx – tedy Output Register / Input Register / Data Direction

je DDR. Tento osmibitový registr určuje u každého bitu příslušného portu, jestli je vstupní

(=0), nebo výstupní (=1). Pokud tedy do registru DDRA zapíšeme hodnotu (binárně)

00001101, nastavíme tím piny portu A tak, že PA0, PA2 a PA3 budou výstupy, ostatní

budou vstupy.

Nabízí se logická otázka: Jakou hodnotu přečteme z datového registru pro bity, které

jsou nastavené jako výstupní? Tady se oba porty liší. U portu B to je hodnota, kterou

jsme předtím do registru na dané pozici zapsali. U portu A to je hodnota, která je ve

skutečnosti na daném vývodu.

Na chování paralelního portu má vliv i nastavení registru PCR. Pomocí tohoto registru se

nastavuje chování „handshake“ vývodů Cx1, Cx2 (CA1, CA2, CB1, CB2). Zájemce

odkážu na datasheet.

Posuvný registr

Osmibitový posuvný registr používá signály CB1 a CB2. Po CB2 vysílá a přijímá data, po

CB1 hodinové pulsy. Hodinové pulsy mohou být buď generovány pomocí časovače T2,

popřípadě ze signálu PHI2, nebo externě (pak se CB1 chová jako vstup). Chování

posuvného registru řídí bity 2, 3 a 4 registru ACR.

Čítače / časovače

V obvodu VIA jsou dva šestnáctibitové čítače / časovače, nazývané Timer1 (T1) a Timer

2 (T2). Jejich chování řídí pomocný řídicí registr ACR. Obecně čítače fungují tak, že po

zápisu 16bitové hodnoty začnou čítat směrem k nule s každou sestupnou hranou hodin

PHI1. Aktuální hodnotu čítače lze číst v registrech T1C-L, T1C-H (pro T1) a T2C-L,

T2C-H.

U čítače T1 jsou oddělené Jakmile dosáhne nuly, něco se stane – nejčastěji je vyvoláno

přerušení.

Latch T1L slouží k zápisu hodnoty, která se použije k opětovné inicializaci čítače.

Samotná hodnota je do čítače zapsána po zápisu do vyššího byte.

Čítač T1 může být nastaven tak, že na výstup PB7 posílá signál, který se nastaví do stavu

0 ve chvíli, kdy je v čítači nastavena hodnota, a jakmile dopočítá do 0, tak se PB změní na

1 (takzvaný „one shot“). V módu „free run“ je po dosažení nuly načtena do čítače znovu

hodnota z latche a čítá se znovu. Zde lze nastavit, že se hodnota na pinu PB7 při každém

dopočítání do nuly změní.

Čítač T2 je o něco jednodušší. Buď funguje jako T1 v módu „one shot“, tzn. počítá

hodinové pulsy, odpočítává do 0 a pak vyvolá přerušení. V druhém módu počítá sestupné

hrany na vstupu PB6.

Přerušení

V obvodu VIA existuje sedm různých zdrojů přerušení – od pinů CA1, CA2, CB1, CB2,

od posuvného registru, když dokončí vysílání / příjem dat, od čítače T1 a od čítače T2.

Tato přerušené mohou být zamaskována (registr IER). V registru IFR jsou informace

o tom, jaká událost vedla k přerušení. Čtením tohoto registru lze také zjistit stav

jednotlivých součástí, tj. jestli čítače dočítaly či posuvný registr dokončil operaci.

Obvod VIA je velmi komplexní. V této knize není dostatek prostoru na podrobný popis

jeho programování, zájemce proto odkazuju na datasheet.

9 Základy programování

v assembleru 6502

9 Základy programování v assembleru 6502

9.1 Na úvod

Mohl bych zopakovat všechny ty obecně-assemblerové věci, které jsem

psal v části o programování v assembleru 8080. Ale pak by kniha zbytečně

narostla, a s tím i její cena. Proto budu tiše předpokládat, že jste si přečetli

i příslušnou kapitolu o assembleru 8080.

9.2 Adresní módy 6502

Procesor 6502 je, jak jsme si už řekli, velmi intenzivně závislý na práci

s pamětí. Jeho instrukční sada není, jako u procesoru 8080, tvořena

spoustou instrukcí, které se od sebe liší podle toho, jestli (například) čtou

z paměti přímo adresované (LDA), nepřímo adresované dvojicí HL (MOV

A,M) nebo nepřímo adresované dvojicemi BC / DE (LDAX). U procesoru

6502 je na toto všechno jediná instrukce, která se jmenuje LDA, a její

funkce je: „Do registru A (akumulátoru) zkopíruj hodnotu operandu“.

Co je ale hodnotou operandu? To právě určuje onen adresní mód. Podle

toho, jaký mód použijeme, tak se vyhodnotí operand. Adresní módy jsou

následující:

Immediate (imm)

Tento mód říká, že operandem je ta hodnota, která je na následující pozici

za operačním kódem. Instrukce, které používají tento mód, zabírají dva byty

(první je operační kód, druhý hodnota)

V assembleru se použití tohoto módu označuje zapsáním znaku # před

operand: LDA #23, LDA #0, LDA #23h, LDA #$5A

Implied (imp)

Též „implicitní mód“. Instrukce samotná pracuje vždy se stejným

operandem – registrem, hodnotou na zásobníku apod. Proto není potřeba

žádný operand dodávat.

Absolute (abs)

Operandem je hodnota v paměti, která leží na adrese MMNNh, kde NN je

byte, uvedený za operačním kódem na druhé pozici, MM na třetí pozici

(opět zápis adresy stylem Little Endian, jako u 8080). Instrukce

s absolutním adresováním tedy zabírají tři bajty. V assembleru se zapisuje

tento mód plnou adresou: LDA 1234h, LDA $1234

Zero page (zp)

Operandem je hodnota v paměti, která leží na adrese 00NNh, kde NN je

byte, uvedený za operačním kódem. Instrukce, které adresují zero page,

mají dva bajty. Zapisují se stejně jako předchozí, tedy adresou: LDA 12h,

LDA $12

Nojo, ale! Jak překladač pozná, jestli chci použít mód abs nebo zp, když

napíšu „LDA 12h“? Co když mám na mysli 0012h a chci plnou adresu?

A jak to pozná, když je adresa zadaná symbolicky, tedy „LDA promenna“?

Adresa by měla být absolutní, ale když je „promenna“ v nulté stránce, může

použít zp… a jak to zjistí, když třeba v tu chvíli hodnota ještě není známá?

Řešení jsou různá. Assembler se může řídit podle toho, jak je hodnota

zapsaná (0012h je abs, 12h je zp). Dál může použít speciální instrukci pro

definici proměnných v zero page (EQU pro normální, EZP pro zp). Může

použít speciální zápis, kterým natvrdo řekne, že vyžaduje adresaci ZP (např.

pomocí hvězdičky: LDA *promenna). Může využít další průběh, ve kterém

optimalizuje instrukce, které používají absolutní mód a jejichž operand je

menší než 0100h…

Já jsem v ASM80 použil následující postup: Pokud je hodnota zapsaná

přímo, nebo pokud je už dřív v kódu jednoznačně definovaná, tak se pro

adresy mezi 0000h a 00FFh použije zero page. Pokud je adresa v tu chvíli

ještě neznámá, používá se absolutní mód, ale lze vynutit zero page

pomocí zápisu s hvězdičkou.

Absolute indexed (abx, aby)

Operandem je hodnota v paměti. Jeho adresa je získána tak, že se k adrese,

zapsané v dvou následujících bajtech (jako u absolutního adresování) přičte

hodnota registru X nebo Y. Výsledek je použit jako adresa do paměti.

V assembleru se zapíše jako číslo, následované čárkou a znakem X (nebo

Y): LDA 1234h,X

Zero page indexed (zpx, zpy)

Operandem je hodnota v nulté stránce paměti. Její adresa je získána tak, že

se k bajtu, následujícímu za operačním kódem, přičte hodnota registru X

nebo Y. Výsledek se ořízne na osm bitů (pokud tedy vyjde např. 0106h,

bude to 06h) a je použit jako adresa v zero page. V assembleru se zapíše

jako číslo, následované čárkou a znakem X (nebo Y): LDA 12h,X

Relative (rel)

Operandem je adresa, která je spočítána tak, že se k aktuální hodnotě

registru PC přičte hodnota bajtu, který je zapsaný za operačním kódem.

Jeho hodnota je brána jako číslo se znaménkem (00 = 0, 07Fh = +127, 080h

= -128, 0FFh = -1). Toto adresování se používá u podmíněných skoků.

Indirect (ind)

Nepřímé adresování (indirect) spočívá v tom, že adresa toho místa, o které

jde, je uložená v paměti na nějaké úplně jiné adrese, a ta je zadána.

Instrukce, které využívají nepřímé adresování, zabírají tři bajty – první je

operační kód, druhý je nižší a třetí vyšší bajt nepřímé adresy. Procesor

vezme tuto nepřímou adresu (NA) a přečte si obsah dvou buněk (NA

a NA+1) z paměti. Tento obsah dá dohromady cílovou (efektivní) adresu.

Nepřímé adresování může použít pouze instrukce JMP. Zapíše se pak např.

jako JMP (1234h). V takovém případě vezme procesor obsah na adrese

1234h (řekněme, že to je 0DAh) a na adrese o 1 vyšší, tedy 1235h

(řekněme, že tam je 0DEh). Tyto dvě hodnoty dají dohromady adresu

0DEDAh, a na tu se skočí.

Aby nebyly věci tak jednoduché, tak procesor 6502 obsahuje chybu, která

způsobuje, že nepřímá adresa, končící na FFh (např. 12FFh), nevezme vyšší

část adresy z 1300h, ale z 1200h. Ve skutečnosti totiž pouze přičte ke

spodnímu bajtu 1, ale případný přenos do vyšší části adresy ignoruje.

Indexed indirect (izx)

Tento mód se v assembleru zapisuje jako (nn,X) – tedy podobně jako

indexovaný mód, ale v závorkách. LDA (12h,X) vezme parametr (12h),

k němu přičte hodnotu registru X a získá nepřímou adresu v zero page

(podobně jako u zero page indexed). Na rozdíl od „zpx“ tím ale nic

nekončí – z paměti na nepřímé adrese (nezapomeňte – v zero page!) jsou

načteny dva bajty a z nich je složena cílová adresa.

Zůstaňme u instrukce LDA (12h,X) a řekněme, že v registru X je hodnota

3. Co se stane? Procesor vezme parametr 12h a k němu přičte obsah registru

X (12h+03h = 15h), aby získal nepřímou adresu do nulté stránky (0015h).

Z adresy 0015h načte nižší bajt výsledné adresy, z adresy 0016h vyšší bajt.

Nakonec do registru A uloží obsah paměti na této výsledné adrese.

Indirect indexed (izy)

Tento mód je podobný předchozímu, ale liší se v pořadí operací „sečtu“

a „přečtu nepřímou adresu“. Zapisuje se (nn),Y. Vše osvětlí příklad,

řekněme instrukce LDA (12h),Y. Instrukce vezme parametr (12h)

a považuje ho za adresu v zero page. Z té načte dva bajty (resp. z adres

0012h a 0013h) a získá tak nepřímou adresu. K ní přičte hodnotu registru Y

a výsledek je cílová adresa, ze které se přečte požadovaný bajt do registru

Uff.

Já vím. První setkání s adresními módy je pro nezvyklého člověka ukrutná

nálož. První půlka ještě jde, ale nepřímé adresování s indexováním je už

docela makačka na představivost. Nakonec se ale do toho vpravíte,

nebojte – i když to není přímočaré jako u 8080.

Bohužel problém je, že tyto adresní módy nejsou úplně ortogonální.

Instrukci LDA („ulož do registru A hodnotu“) můžete použít s módy IMM

(bezprostředně zadaná hodnota), ABS (dvoubajtová adresa), ABX a ABY

(dvoubajtová adresa s indexem v X, Y), ZP (jednobajtová adresa do zero

page), ZPX (jednobajtová indexovaná adresa do ZP), ZPY… moment, ZPY

použít nelze! Proč? No, prostě nelze. Zato můžete využít indexovaně-

nepřímé IZX a IZY.

Navíc si všimněte, že je (nn,X), ale není (nn,Y) – na druhou stranu je

(nn),Y, ale není (nn),X. Indexové registry nejsou tedy plně ortogonální.

Proto si budeme u každé instrukce ukazovat, jaké adresní módy s nimi lze

využít.

9.3 Přesuny dat

Instrukční soubor 6502 začneme probírat od instrukcí, které přesouvají data.

Už jsem zmiňoval, že na rozdíl od 8080, kde se liší mnemotechnický zápis

instrukcí pro přesuny mezi registry od instrukcí pro přesun z/do paměti

(a tam se navíc rozlišuje, zda je adresa uložená v registrech, nebo zapsaná

přímo), vystačí si 6502 s několika málo instrukcemi, které přesunou data

z/do registru, a to, odkud (nebo kam) se přesouvá, je určeno adresním

módem. Základních instrukcí je šest: LDA, LDX, LDY, STA, STX, STY.

Trojice LD* (LOAD) přesouvá do registrů (A, X, resp. Y), instrukce ST*

(STORE) naopak data z registrů ukládá.

LDA

LDA přesune operand do registru A. Na této instrukci jsme si minule

ukazovali adresní módy, její funkce je tedy jasná. Můžeme ji použít

s následujícími módy:

 imm: LDA #nn – přesune do registru A přímo hodnotu nn (jednobajtové

číslo)

 zp: LDA nn (nebo LDA *nn) – přesune do registru A hodnotu na adrese

00nn

 zpx: LDA nn,X (nebo LDA *nn,X) – dtto jako předchozí, ale k nn je

přičten obsah registru X

 abs: LDA nnnn – přesune do registru A hodnotu na adrese nnnn (adresa je

16bitové číslo)

 abx: LDA nnnn,X – dtto jako předchozí, ale k adrese se přičítá obsah

registru X

 aby: LDA nnnn,Y – dtto jako předchozí, ale k adrese se přičítá obsah

registru Y

 izx: LDA (nn,X) – nepřímé adresování operandu, viz adresní módy

 izy: LDA (nn),Y – nepřímé adresování operandu, viz adresní módy

Všimněte si, že nelze použít mód zpy (tedy zero page s indexací přes Y).

Zde je malá ukázka chování těchto instrukcí. Můžete si je vyzkoušet třeba

v assembleru ASM80.

https://www.asm80.com

Pokud jste se ještě s online assemblerem ASM80 nesetkali, tak vězte, že

kód kliknutím na COMPILE přeložíte, kliknutím na EMULATOR se otevře

emulační okno, kde je možné kód procházet a sledovat, jak se mění obsah

paměti či hodnoty v registrech.

0000 A5 02 LDA *2

0002 A5 01 LDA $0001

0004 A9 65 LDA #$65

0006 A2 02 LDX #2

0008 B5 03 LDA *3,x

(V kódu jsem použil instrukci LDX #2, která – analogicky – naplní registr

X hodnotou 2)

Jeden zajímavý detail, který může člověka, co přechází ze světa procesorů

8080, zarazit, splést a škaredě překvapit: instrukce LDA (i LDX, LDY

a další) mění příznaky Z a N, tedy pokud je přenášená hodnota nulová,

nastaví Z, pokud je záporná (=nejvyšší bit je 1), nastaví příznak N.

O příznacích budeme teprve mluvit, ale tato zvláštnost, tj. že příznaky

ovlivní i některé instrukce pro přenos dat, je natolik důležitá, že ji zmiňuju

už teď.

LDX

Analogicky k LDA pracuje tato instrukce s registrem X. Oproti LDA

můžete použít jen následující adresní módy:

 imm: LDX #nn – přesune do registru X přímo hodnotu nn (jednobajtové

číslo)

 zp: LDX nn (nebo LDX *nn) – přesune do registru X hodnotu na adrese

00nn

 zpy: LDX nn,Y (nebo LDX *nn,Y) – dtto jako předchozí, ale k nn je

přičten obsah registru Y. POZOR – nelze použít mód zpx!

 abs: LDX nnnn – přesune do registru X hodnotu na adrese nnnn (adresa

je 16bitové číslo)

 aby: LDX nnnn,Y – dtto jako předchozí, ale k adrese se přičítá obsah

registru Y. POZOR – nelze použít mód abx!

LDY

Instrukce je obdobná předchozí, ale u indexovaného přístupu zase nedokáže

použít obsah registru Y, tj. naopak umožňuje pouze zpx a abx.

 imm: LDY #nn – přesune do registru X přímo hodnotu nn (jednobajtové

číslo)

 zp: LDY nn (nebo LDY *nn) – přesune do registru X hodnotu na adrese

00nn

 zpx: LDY nn,X (nebo LDY *nn,X) – dtto jako předchozí, ale k nn je

přičten obsah registru X. POZOR – nelze použít mód zpy!

 abs: LDY nnnn – přesune do registru Y hodnotu na adrese nnnn (adresa

je 16bitové číslo)

 abx: LDY nnnn,X – dtto jako předchozí, ale k adrese se přičítá obsah

registru X. POZOR – nelze použít mód aby!

STA, STX, STY

Ukládací instrukce, které přenášejí data v opačném směru než jejich LD*

obdoby. Dovolují stejné adresní módy jako odpovídající LD instrukce,

s jednou výjimkou: nelze použít mód imm. Dává to smysl, protože nelze

uložit hodnotu z registru do konstanty. Instrukce STX a STY navíc

neumožňují použít mód „absolutní indexovaný“ (abx, aby). Instrukce ST*

navíc nemění stav příznaků. Pro úplnost jen doplním seznam možných

adresovacích módů:

 STA: zp, zpx, abs, abx, aby, izx, izy

 STX: zp, zpy, abs

 STY: zp, zpx, abs

9.4 Přesuny

Tím jsme si prošli šest základních instrukcí pro přesun mezi registry

a pamětí. Ve světě 8080 by jim zhruba odpovídaly instrukce MVI, MOV

r,M, MOV M,r. Pro přesun mezi jednotlivými registry je k dispozici série

instrukcí T** (Transfer)

TAX, TXA, TAY, TYA

Čtveřice instrukcí, která kopíruje hodnotu mezi akumulátorem a registry

X,Y. Adresní mód je implicitní, tj. instrukce sama ví, odkud se má kam co

přesouvat a nepotřebuje žádné další informace. TAX přesouvá hodnotu

z registru A do X, TAY analogicky do registru Y, TXA přesouvá z registru

X do registru A, TYA z registru Y do registru A. Na přímé přesuny mezi

registry X a Y instrukce nejsou. Všechny čtyři navíc, podobně jako LD*,

ovlivňují příznaky N a Z (o příznacích si povíme za chvíli).

TSX, TXS

TSX vezme hodnotu registru SP (ukazatel zásobníku) a zkopíruje ji do

registru X. Přitom nastaví příznaky N a Z podle přenášené hodnoty. TXS

naopak přesune hodnotu z registru X do registru S a příznaky nemění.

9.5 Zásobník

Už jsem zmiňoval, že procesor 6502 má ukazatel zásobníku (SP) pouze

osmibitový. Adresa v paměti je napevno v první stránce, tedy na adresách

0100h – 01FFh. Zásobník stejně jako u 8080 roste směrem k nižším

adresám. Pokud je ukazatel roven 0 a vy uložíte další hodnotu, zapíše se na

adresu 0100h a SP se sníží o 1, tedy na FFh. Což znamená, že další

ukládání přepíše hodnotu na adrese 01FFh!

PHA, PLA

PUSH A, resp. POP A – PHA uloží hodnotu z registru A do zásobníku, tj.

na adresu (0100h+SP) a sníží hodnotu SP o 1. PLA funguje analogicky

v opačném směru, tj. zvýší hodnotu SP o 1 a do registru A uloží obsah

z adresy (0100h+SP). Navíc nastaví příznaky N a Z.

PHP, PLP

Obdoba předchozích dvou instrukcí, ale nepracuje se s hodnotou registru A,

ale s registrem P (příznakový registr). PHP uloží na zásobník obsah

příznakového registru, PLP naopak ze zásobníku takovou hodnotu přečte (a,

logicky, změní hodnoty všech příznaků).

9.6 Ještě pár slov k přesunům

Probrali jsme instrukce, které u procesoru 6502 přenášejí data. Na jednu

stranu mají poměrně bohaté možnosti, na druhou stranu „ne všechno lze

použít se vším“ (LDX například dokáže použít absolutní adresu s indexem

Y, STX ne), adresní mód zpy funguje jen u instrukcí LDX, STX (ano, jen

u těchto dvou, u žádných jiných se s tímto módem už nesetkáme)… Navíc

je potřeba mít na paměti, že instrukce, které přenášejí hodnotu do registru

A, X, Y, taky nastavují příznaky N a Z. No a v neposlední řadě dostává

ortogonalita na frak u instrukcí přesunů – hodnotu z registru X do registru

Y nepřesunete napřímo, do zásobníku můžete uložit jen registr

A (a příznak), pokud chcete uložit X, Y, musíte přes registr A, a pokud

chcete nastavit hodnotu ukazatele zásobníku, musíte k tomu zase využít

registr X, nemůžete použít A (tady bych si tipnul historický vliv předchůdce

6800, kde SP a X byly oba šestnáctibitové).

9.7 Příznaky a instrukce pro práci s nimi

Podobnou roli, jakou má v procesoru 8080 registr F, zastává u 6502 registr

BIT 7 6 5 4 3 2 1 0

PŘÍZNAK N V 1 B D I Z C

 N (negative) informuje o znaménku výsledku (nebo přenesených dat). Je-

li kladný, je to 0, je-li záporný, je to 1

 V (overflow) značí přetečení čísel se znaménkem (viz dál).

 B (break) je nastaven na 1, pokud bylo přerušení vyvoláno instrukcí BRK

 D (decimal) lze nastavit na 1, pak procesor zpracovává hodnoty v kódu

BCD.

 I (interrupt) můžeme nastavit na 1, pokud chceme zakázat přerušení

 Z (zero) je 1, pokud byl výsledek nebo načtený bajt nulový.

 C (carry) se nastavuje na 1, jestliže došlo k přetečení ze 7. bitu

Pojem „přenosu“ jsme si vysvětlovali v kapitole o příznacích 8080

(doporučuju přečíst, i když jde o jiný procesor). U 6502 je potřeba věnovat

pozornost příznaku V, který nemusí být zcela jasný.

Některé popisy se omezují na málo říkající a nepřesný „přenos ze 6. bitu“.

Jiné popisy vysvětlují, že se jedná o XOR mezi přenosem ze 6. bitu a ze 7.

bitu, což je technicky možná OK, ale neříká, co to vlastně znamená.

Pojďme si to vysvětlit názorněji.

Příznak V říká, jestli došlo k přetečení čísla se znaménkem. Představme si,

že sečteme dvě čísla: 127 a 1 (hexadecimálně 7Fh a 01h). Výsledek je 128

(tedy 80h). Pokud bychom ale používali aritmetiku se znaménkem, tak

zjistíme, že 127 + 1 = -128, a to je špatně! Příznak V nás upozorňuje, že

došlo k něčemu takovému, tj. že výsledek je mimo rozsah <-128;127>.

Při sčítání FFh a 01h sice dojde k normálnímu přetečení (C), ale z hlediska

čísel se znaménkem se vlastně sčítalo „-1 + 1“ a výsledek je 0, bez

přetečení. V tedy bude 0.

Při sčítání 80h a FFh bude výsledek 7Fh. U čísel bez znaménka došlo

k přetečení (128 + 255), u čísel se znaménkem (-128 + -1) taky. Budou tedy

nastaveny příznaky C i V.

Demonstrační kód si můžete vyzkoušet opět v emulátoru. Instrukce CLC

slouží k nulování příznaku C a ADC sčítá dvě čísla (6502 má pouze

instrukci sčítání s příznakem C, proto je ho potřeba nejprve nulovat, ale

k tomu se ještě dostaneme). Můžete si vyzkoušet chování; sledujte hlavně

stav bitů V a C.

0200 .ORG 200h

0200 18 CLC

0201 A9 01 LDA #$01

0203 69 01 ADC #$01

0205 18 CLC

0206 A9 01 LDA #$01

0208 69 FF ADC #$FF

020A 18 CLC

020B A9 7F LDA #$7F

020D 69 01 ADC #$01

020F 18 CLC

0210 A9 80 LDA #$80

0212 69 FF ADC #$FF

Další bit v příznakovém registru, který zaslouží vysvětlení, je bit I. Pokud je

tento bit roven 1, je zakázáno („zamaskováno“) přerušení a procesor

nereaguje na signál, přivedený na přerušovací vstup IRQ (6502 má dva

druhy přerušení, maskovatelné IRQ a nemaskovatelné NMI, ale k nim se

ještě dostaneme). Příznak může na hodnotu 1 nastavit programátor instrukcí

SEI, popřípadě procesor poté, co přišel požadavek na přerušení – tím se

zabrání, aby bylo vyvoláno přerušení dřív, než skončila obsluha

předchozího.

Příznak B označuje, že obsluha přerušení byla vyvolána instrukcí BRK,

nikoli vnějším signálem IRQ. Instrukce návratu z obsluhy přerušení jej opět

nuluje.

Příznak D může programátor nastavit na 1 a tím vynutit, aby procesor

pracoval v režimu BCD – tedy jako by po každé operaci sčítání a odčítání

prováděl dekadickou korekci.

9.8 Instrukce pro práci s příznakovým registrem

Příznakové bity nastavují různé instrukce v rámci své normální činnosti

(většinou aritmetické, logické nebo instrukce přenosu dat), ale existuje

i sada instrukcí pro nastavení či nulování konkrétních bitů.

CLC, SEC

Instrukce nuluje (CLC – CLear Carry) nebo nastavuje (SEC – SEt Carry)

příznak C

CLD, SED

Instrukce nuluje (CLD) nebo nastavuje (SED) příznak D

CLI, SEI

Instrukce nuluje (CLI) nebo nastavuje (SEI) příznak I

CLV

Instrukce nuluje příznak V. (Vidíte správně, žádná instrukce SEV není.)

Tyto instrukce nemají žádný parametr (je tedy použit „implicitní mód“).

9.9 Přerušovací systém

Nejen o přerušení, ale také o tom, co se děje, když zapnete napájení.

Napětí je připojeno, hodinový takt běží, procesor 6502 začíná pracovat. Co

udělá ze všeho nejdřív? Správnou odpověď do vzkazů, pokud neuhodnete,

musíte si dát tuto hádanku na svůj Facebook! Promiňte, samozřejmě to není

hádanka a nic si na Facebook dávat nemusíte. Řekneme si to hned teď. Ale

začneme přerušením.

Procesor 6502 má, stejně jako jiné procesory, k dispozici přerušovací

systém. Princip přerušení jsme si už popisovali u procesoru 8080: v situaci,

kdy je potřeba zareagovat (např. přišel kompletní načtený znak z terminálu)

si vyžádají okolní obvody pozornost procesoru přerušovacím signálem.

Procesor k takovému účelu má extra přerušovací vstup (někdy víc),

a zareaguje tak, že uloží svůj stav na zásobník a provede určitou instrukci,

která většinou způsobí skok do podprogramu.

Přerušení u 8080 je maskovatelné, to znamená, že pomocí instrukce může

programátor zakázat, aby procesor na přerušení reagoval (obvykle v časově

kritických místech).

U 6502 jsou dva přerušovací vstupy. Jeden z nich je maskovatelný (IRQ) –

signál na tomto vstupu vyvolá přerušení pouze v případě, že není nastaven

příznak I. Druhý přerušovací vstup je nemaskovatelný (NMI, Non-

Maskable Interrupt). Signál na tomto vstupu vyvolá přerušení vždy.

Co se stane, když systém vyvolá přerušení? Procesor v tu chvíli uloží na

zásobník hodnotu registru PC (nejprve vyšší, potom nižší bajt), pak uloží

rovněž na zásobník hodnotu příznakového registru P a pak skočí na adresu

obsluhy přerušení.

A tu zjistí kde přesně? Správná otázka. Pokud šlo o maskovatelné přerušení

IRQ, tak si ji přečte na adresách FFFEh a FFFFh, tedy na posledních dvou

adresách adresního prostoru. Pokud vás trápí otázka „a jak se tam ta adresa

dostane?“, odpověď zní: To záleží na návrháři systému. Pokud je tam pevná

paměť (ROM/PROM/EPROM/atd.), je v ní adresa obsluhy přerušení

(„přerušovací vektor“) uložená napevno. Když je tam RAM, zapsal si ji tam

programátor.

Pokud šlo o nemaskovatelné přerušení NMI, přečte si adresu obslužné

rutiny na adresách FFFAh a FFFBh.

Zajímá vás, co je mezi tím? Na FFFAh a FFFBh je adresa obsluhy NMI,

adresa obsluhy IRQ je na FFFEh a FFFFh, zbývá volný prostor FFFCh

a FFFDh… Tam je adresa RESETu.

Ano, čtete dobře. Po zapnutí napájení nebo po přivedení signálu RESET se

procesor nenastavuje do nějakého definovaného stavu, on prostě jen skočí

na adresu, která je zapsaná v buňkách FFFCh a FFFDh. Jediný rozdíl proti

přerušení (viz výše) je v tom, že RESET neukládá PC a P na zásobník.

Vzhledem k tomu je potřeba, aby na těchto adresách byla při startu systému

smysluplná adresa. Nemůžeme spoléhat na to, že ji tam zapíše programátor,

takže je to potřeba buď vyřešit tím, že na konci paměťového rozsahu je

paměť ROM, nebo nějakým obvodovým hackem, který po startu

„podvrhne“ procesoru tu správnou adresu.

Instrukce RTI

Instrukce RTI – Return from Interrupt doplňuje přerušení, jak jsme si

popsali výše. Provádí přesně opačné kroky, tj. ze zásobníku načte obsah

registru P, pak nižší a vyšší bajt registru PC. Postará se tedy o správný

návrat z rutiny přerušení.

Jednoduchý příklad v assembleru: program uloží do registru A hodnotu 3

a tu pak zapíše do nulté stránky na adresu 0. Zápis pak probíhá stále

dokola – můžete si ověřit pomocí krokování. Pokud kliknete na IRQ,

procesor si odskočí do obsluhy přerušení, která změní obsah registru A. Po

návratu do nekonečné zapisovací smyčky se už tedy bude zapisovat jiná

hodnota.

0200 .ORG $200

0200 .ENT $

0200 START:

0200 A9 03 LDA #3

0202 85 00 LOOP: STA 0

0204 4C 02 02 JMP loop

0207 INT:

0207 A9 05 LDA #5

0209 40 RTI

FFFC .ORG $fffc

FFFC 00 02 DW start

FFFE 07 02 DW int

Všimněte si, že tentokrát program začíná na adrese 0200h a od adresy

FFFCh jsou zadány hodnoty startovací adresy a přerušovací rutiny.

Při krokování si všimněte, že při provádění obsluhy přerušení je nastaven

příznak I.

Instrukce BRK

Co se stane, když procesor provede instrukci BRK? Uloží na zásobník

hodnotu registru PC (nejprve vyšší, potom nižší bajt), pak uloží na zásobník

hodnotu příznakového registru P a pak skočí na adresu obsluhy přerušení

IRQ, kterou si přečte na adresách FFFEh a FFFFh.

Možná vám to připadá povědomé… Ano, přesně totéž se děje při

maskovatelném přerušení IRQ! Není to náhoda.

Ve skutečnosti je procesor 6502 zapojen tak, že přerušovací požadavek po

kontrole příznaku I uloží do registru, kam si načítá kód další instrukce,

operační kód instrukce BRK (který je, čistě pro zajímavost, roven 00h).

Takže se opravdu provádí to samé – s jedinou výjimkou: samotná instrukce

BRK před skokem na obsluhu ještě nastaví příznakový bit B, při obsluze

přerušení se tato fáze nastavování bitu B přeskočí. Podle stavu bitu B lze

poznat, jestli obsluhu přerušení vyvolal vnější systém (B=0) nebo instrukce

BRK (B=1).

Pro zájemce jen dodám, že stejně funguje i obsluha NMI, která rovněž

podvrhne BRK, ale změní i adresy vektoru, a v zásadě i signál RESET,

který ale místo „ukládání do paměti“ při práci se zásobníkem aktivuje

signál „čtení z paměti“ – více o těchto vnitřních zajímavostech naleznete

v článku Internals of BRK/IRQ/NMI/RESET on a MOS 6502. Z tohoto

článku ocituju i souhrnnou tabulku, co se děje v procesoru 6502 při

přerušení a instrukci BRK:

PŘÍČINA VEKTOR

UKLÁDÁ PC A P

NA ZÁSOBNÍK?

NASTAVUJE PŘÍZNAK B?

signál NMI $FFFA/$FFFB ano ne

signál RESET $FFFC/$FFFD ne ne

signál IRQ $FFFE/$FFFF ano ne

instrukce BRK $FFFE/$FFFF ano ano

9.10 Skoky a podprogramy 6502

V minulé kapitole jsem použil v kódu instrukci skoku a popisoval jsem

návrat z přerušení. Pojďme si tedy doplnit sérii a probrat zbývající instrukce

skoků.

Nepodmíněný skok – JMP

Instrukce nepodmíněného skoku dělá přesně to, co u jiných procesorů –

tedy to, co se označuje známým „GOTO“. Skočí se na jinou adresu

a pokračuje se odtamtud.

Instrukce JMP používá dva adresní módy – buď absolutní adresování, nebo

nepřímé. Absolutní znamená, že se skáče přímo na zadanou adresu:

0200 .ORG 200h

0200 .ENT $

0200 A9 00 LDA #0

0202 69 01 LOOP: ADC #1

0204 4C 02 02 JMP loop

FFFC .ORG 0fffch

FFFC 00 02 DW 200h

Nepřímé adresování (viz kapitola o adresních módech) pracuje tak, že ze

zadané adresy (a z adresy o 1 vyšší) se načtou dva bajty, které dohromady

dají dvoubajtovou efektivní adresu a skáče se na ni.

0200 .ORG 200h

0200 .ENT $

0200 A9 00 LDA #0

0202 69 01 LOOP: ADC #1

0204 6C 07 02 JMP (ind)

0207 02 02 IND: DW loop

FFFC .ORG 0fffch

FFFC 00 02 DW 200h

Všimněte si, že v tomto druhém případě neskáče JMP přímo na adresu

LOOP, ale na (ind). ind je návěští, na kterém jsou uložené dva bajty (viz

výpis přeloženého programu).

Podmíněné skoky – Bxx

Podmíněných skoků je osm pro osm různých podmínek – podle čtyř

příznakových bitů, vždy 0 nebo 1. Zde jsou v přehledné tabulce:

PŘÍZNAK =0 =1

N BPL BMI

V BVC BVS

C BCC BCS

Z BNE BEQ

Mnemotechnika těchto názvů je prostá. Instrukce jsou skoky (Branch),

z toho je písmeno B. Další dvě písmena jsou název podmínky – u příznaku

N (Negative), který říká, jestli je číslo kladné nebo záporné, je to BPL

(Branch if PLus) a BMI (Branch if MInus). U příznaku Z, který udává,

jestli je číslo nula, to není Zero-Nonzero, ale využívá se toho, že tento skok

bývá často prováděn po testu na rovnost (který interně probíhá jako

odčítání). Při nerovnosti, nenulovém výsledku (Z=0) se skáče instrukcí

BNE (Branch if Not Equal), analogicky při rovnosti, a tedy Z=1, se skáče

instrukcí BEQ (Branch if EQual).

U příznaků C a V, které nemají takhle jednoznačné „vysvětlení“, se používá

mnemotechnika „Branch if V is Clear“ (BVC), „Branch if C is Set“ (BCS)

apod.

Adresní mód těchto instrukcí je vždy relativní. To znamená, že se skáče

v rozmezí -128..+127. Využívá se toho, že podobné podmíněné skoky jsou

většinou součástí krátkých smyček. Pokud tomu tak není, musíte použít

„náhražkovou“ konstrukci:

BCC NekamDaleko ; nelze, pokud je adresa vzdálená

; víc než 128 pozic

; Místo toho je třeba použít:

BCS Skip ; Obrácená podmínka, která přeskočí

; následující instrukci

JMP NekamDaleko ; tady se provede samotný skok

Skip: …. ; a tady se pokračuje

Překladač naštěstí za vás spočítá správnou hodnotu odskoku z aktuální

adresy návěští a cílové adresy. Hodnota 0 znamená následující adresu (tj.

žádný efekt), hodnota 0FEh skáče o dvě místa zpátky, tj. na tu samou

adresu, kde je instrukce (je to hodnota -2, a Bxx jsou dvoubajtové).

BRK, RTI

Tyto instrukce jsme probrali v minulé kapitole – slouží pro vyvolání

přerušení a pro návrat z obslužné rutiny přerušení.

Podprogramy – JSR, RTS

To, k čemu u 8080 sloužily instrukce CALL a RET, zajišťují u 6502

instrukce JSR a RTS (Jump to Subroutine / Return from Subroutine). JSR

používá pouze absolutní adresní mód, tj. za instrukcí jsou nižší a vyšší bajty

cílové adresy. JSR uloží na zásobník vyšší a nižší bajt návratové adresy,

a pak do PC nahraje přečtenou adresu. Čímž se vlastně provede skok na

nějakou adresu (jako u JMP), s tím rozdílem, že na zásobníku je adresa,

kam se má program vrátit (ve skutečnosti je o 1 menší, s čímž počítá

instrukce RTS).

K návratu slouží instrukce RTS. Ta přečte ze zásobníku dva bajty, z nich

složí adresu, přičte 1 (viz výše) a na ni skočí. Pokud podprogram zanechal

zásobník v takovém stavu, v jakém ho našel, tak se skočí na instrukci,

následující za příslušnou instrukcí JSR.

Rozdíl mezi RTS a RTI je v tom, že RTI načítá ze zásobníku i uloženou

hodnotu příznakového registru P a k návratové adrese nepřičítá 1 (instrukce

BRK i přerušení ukládají pravou návratovou adresu).

Úhrnem lze o instrukční sadě procesoru 6502 v souvislosti se skoky říct, že

je hodně omezená. Podmíněné skoky pouze relativní, skoky do

podprogramu a návraty pouze nepodmíněné a s absolutní adresou, jen

nepodmíněný skok lze adresovat i nepřímou adresou (ale nelze relativně).

9.11 Aritmetika 6502

V této kapitole konečně donutíme procesor 6502 něco spočítat.

Když jsem v minulých kapitolách naznačoval, že to s ortogonalitou

instrukční sady procesoru 6502 není, ani přes velké množství adresních

módů, moc slavné, tak věřte, že jsem si to nejhorší šetřil až na závěr.

INC, DEC

Nejjednodušší aritmetické instrukce jsou inkrement a dekrement, tedy

přičtení jedničky a odečtení jedničky. 6502 má k tomu účelu instrukce INC

a DEC. Tyto instrukce zvýší (INC) nebo sníží (DEC) obsah paměťové

buňky o 1. Můžete je použít s následujícími adresními módy:

 abs: INC 1234h – zvýší obsah buňky na adrese 1234h o 1

 zp: INC 12h – zvýší obsah buňky na adrese 0012h o 1

 abx: INC 1234h,X – zvýší obsah buňky na adrese (1234h + X) o 1

 zpx: INC 12h,X – zvýší obsah buňky v nulté stránce paměti na adrese

(12h+X) o 1 (nezapomeňte, že nultá stránka má vždycky horní byte

adresy rovný 0, pokud tedy bude v X hodnota FFh, nebude se pracovat

s adresou 0111h, ale 0011h!)

Totéž pro instrukci DEC.

INX, INY, DEX, DEY

Obdoba instrukcí INC, DEC, ale místo obsahu paměti se pracuje s registry

X (INX, DEX) a Y (INY, DEY).

Instrukce inkrementu a dekrementu nastavují podle výsledku operace

příznaky N a Z.

Možná jste si všimli, že jsem v seznamu neuvedl instrukce, které

inkrementují/dekrementují obsah akumulátoru A. Neuvedl jsem je, protože

je procesor 6502 nemá.

ADC, SBC

Sčítání a odčítání 6502 samozřejmě obsahuje. ADC (Addition with Carry)

přičte parametr a hodnotu příznaku C k registru A a výsledek ponechá

v registru A. SBC (Subtraction with Carry) odečte od obsahu registru

A parametr a negaci příznaku C a výsledek uloží do registru A.

Co z toho vyplývá? Zaprvé: 6502 vždycky uvažuje stav příznaku C

(přenos). Neexistuje instrukce pro sčítání nebo odčítání, která by jeho stav

ignorovala. Pokud chceme „jen“ sčítat dvě čísla, je potřeba předtím nastavit

C na nulu instrukcí CLC, jinak může být výsledek o 1 vyšší. Pokud

výsledek sčítání přeteče 255, bude C=1, jinak zůstane nulový.

U instrukce pro odčítání platí přesný opak – pokud chceme zanedbat

přenos, musíme příznak nastavit na 1 (instrukcí SEC). Pokud výsledek při

odčítání podteče nulu (výsledkem je záporné číslo), bude příznak C roven 0,

jinak 1.

A tak se může stát, pokud neošetříte příznaky správně, že dvojice instrukcí

ADC #1, SBC #1 ve skutečnosti dělají věci nečekané. Viz následující kód –

sledujte instrukce a výsledek v registru A:

0000 A9 08 LDA #8

0002 E9 01 SBC #1

0004 69 01 ADC #1

0006 38 SEC

0007 E9 01 SBC #1

0009 69 01 ADC #1

000B A9 00 LDA #0

000D E9 01 SBC #1

000F 69 01 ADC #1

Adresní módy těchto instrukcí jsou stejné jako např. u instrukce LDA, tedy:

 imm – přímý operand: ADC #1 přičte 1

 abs, zp – přímo zadaná adresa, buď plná, nebo v zero page

 abx, aby – absolutní adresa, zvýšená o obsah registru X či Y

 zpx – adresa v zero page, indexovaná přes registr X

 izx, izy – nepřímo adresovaný operand

Porovnání – CMP

Instrukce CMP porovná hodnotu v registru A s operandem. Vnitřně funguje

tak, že od hodnoty v registru A odečte hodnotu operandu, podle výsledku

nastaví příznaky N, Z a C a výsledek zahodí.

Mohou nastat tři situace, které si ukážeme v následující tabulce:

SITUACE N Z C

A = operand 0 1 1

A > operand 0 0 1

A < operand 1 0 0

(Hodnoty uvažujeme jako čísla bez znaménka)

Instrukce CMP nabízí stejné adresační možnosti jako instrukce ADC či

SBC.

0000 A9 08 LDA #8

0002 C9 08 CMP #8

0004 C9 07 CMP #7

0006 C9 09 CMP #9

CPX, CPY

Podobně jako existují obdoby instrukcí INC a DEC pro práci s registry X

a Y, tak i CMP má obdoby CPX a CPY. Liší se od CMP tím, že

neporovnávají operand s hodnotou registru A, ale s registrem X, resp. Y.

CPX a CPY mají jen tři adresní módy: přímý operand (imm), absolutní

adresa (abs) nebo adresa v nulté stránce (zp).

9.12 Logické a bitové operace 6502

Blížíme se ke konci, zbývá doprobrat už jen pár instrukcí, konkrétně

logické operace a manipulace s bity.

AND, ORA, EOR

Trojice instrukcí pro základní bitové operace – and, or, xor (exclusive or) se

u procesoru 6502 jmenují AND, ORA a EOR. Provedou danou logickou

operaci s obsahem registru A, výsledek uloží do A a nastaví příznaky N a Z.

Všechny tři instrukce mají poměrně bohaté možnosti adresování:

 imm – přímý operand: AND #1 provede operaci A = A & 01

 abs, zp – přímo zadaná adresa, buď plná, nebo v zero page

 abx, aby – absolutní adresa, zvýšená o obsah registru X či Y

 zpx – adresa v zero page, indexovaná přes registr X

 izx, izy – nepřímo adresovaný operand

0000 A9 55 LDA #55h

0002 49 FF EOR #0ffh

0004 A2 05 LDX #5

0006 35 FB AND -5,x

0008 15 FD ORA -3,x

Rotace – ROL, ROR

Instrukce ROL a ROR rotují bitově obsah registru A nebo paměti (ROL

doleva, ROR doprava). Při rotaci se rotuje přes příznak C.

ROL posune bity o 1 doleva. To znamená, že bit 0 se přesune na pozici 1,

bit 1 na pozici 2, bit 2 na pozici 3 a tak dál, a bit 7, který nám vypadne

zleva ven, je zapsán do příznaku C, a původní hodnota z C je přesunuta do

pozice 0 v registru A. ROR funguje stejně, jen obráceným směrem.

Graficky to vypadá nějak takto:

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

ROL Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY Bit 7

ROR CY Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

Instrukce ROL a ROR nabízejí opět několik adresních módů. Bez operandu

pracuje s obsahem registru A. Pokud chcete pracovat s obsahem paměti,

můžete buňku adresovat buď absolutně (abs, 2 bajty adresa), v nulové

stránce (zp, 1 bajt), nebo indexovaně (abx nebo zpx).

Posuny – ASL a LSR

Posuny se od rotací liší v tom, že „vypadnuvší“ bit je přesunut do příznaku

C, ale původní hodnota tohoto příznaku je zahozena a místo ní vstoupí zpět

hodnota 0. ASL posouvá doleva, zprava doplní 0, LSR posouvá doprava,

zleva doplní 0. Adresní módy jsou stejné jako u rotací – bez operandů se

pracuje s registrem A, pokud chcete pracovat s pamětí, můžete použít abs,

zp, abx nebo zpx.

Matematicky odpovídá posun doleva vynásobení hodnoty dvojkou, posun

doprava pak celočíselnému dělení 2 (zbytek je v příznaku C). Grafické

znázornění zde:

Operace

Pozice v registru A Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 CY

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 CY

ASL Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 0 Bit 7

LSR 0 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

0000 A9 55 LDA #55h

0002 26 01 ROL 1

0004 26 01 ROL 1

0006 26 01 ROL 1

0008 26 01 ROL 1

000A 66 01 ROR 1

000C 66 01 ROR 1

000E 66 01 ROR 1

0010 66 01 ROR 1

0012 0A ASL

0013 0A ASL

0014 0A ASL

0015 0A ASL

0016 0A ASL

0017 4A LSR

0018 4A LSR

0019 4A LSR

001A 4A LSR

001B 4A LSR

001C 4A LSR

001D 4A LSR

001E 4A LSR

Instrukce BIT

Instrukce BIT provede logický součin (AND) obsahu registru A a operandu,

který je adresován buď absolutní adresou (abs), nebo nulovou stránkou (zp).

Výsledek je zahozen, ale předtím je podle něj nastaven stav příznaku Z. Je-

li tedy výsledek 0, je Z=1.

Instrukce BIT ještě nastaví příznaky N a V – zkopíruje do nich šestý

a sedmý bit operandu (bit 7 do příznaku N, bit 6 do příznaku V).

9.13 Algoritmy sčítání a násobení pro 6502

16bitový součet

U procesoru 8080 není sčítání 16bitových čísel problém – procesor má

dostatek registrů a má k tomu i speciální instrukci DAD. U 6502 nemáme

ani instrukci, ani registry. Proto se musí sčítání dvoubajtových čísel řešit

algoritmem. Naštěstí není příliš složitý, využívá jen instrukci ADC.

0000 18 CLC

0001 A5 60 LDA *P1

0003 65 62 ADC *P2

0005 85 64 STA *R

0007 A5 61 LDA *P1+1

0009 65 63 ADC *P2+1

000B 85 65 STA *R+1

0060 .ORG 60h

0060 34 12 P1: DW 1234h

0062 11 11 P2: DW 1111h

0064 R: DS 2

Všimněte si, že obě čísla (P1 a P2) jsou uloženy v zero page (na adresách

60h a 62h) a do zero page se ukládá i součet (R, 64h). Nejprve se nuluje

příznak přenosu, pak se sečtou dva nižší bajty a poté dva vyšší. Případný

přenos z nižšího do vyššího bajtu zařídí příznak C.

Odčítání je pak naprosto analogické, jen na začátku je potřeba příznak C

nastavit na 1, nikoli nulovat.

Násobení

Vzpomínáte, jak jsme u procesoru 8080 násobili dvě osmibitová čísla?

Můžeme podobný postup použít i u 6502? Tak v zásadě ano, ale se stejnými

výhradami jako u sčítání: Nejsou registry.

Algoritmus rovněž využívá rotace do vyššího bajtu, jako u 8080, ale

protože 6502 jaksi nemá nic jako „vyšší bajt“, jedná se zas o místo

v paměti. A protože k paměti se nepřistupuje žádnou 16bitovou operací,

není nezbytně nutné, aby „vyšší bajt“ byl hned za „nižším bajtem“.

A protože není 16bitové sčítání, viz výše, je nahrazeno rovněž algoritmem.

0200 .ORG 200h

0200 A9 00 LDA #00h

0202 A8 TAY

0203 84 62 STY *P1hi

0205 F0 0D BEQ enterLoop

0207 18 DOADD: CLC

0208 65 60 ADC *P1

020A AA TAX

020B 98 TYA

020C 65 62 ADC *P1hi

020E A8 TAY

020F 8A TXA

0210 LOOP:

0210 06 60 ASL *P1

0212 26 62 ROL *P1hi

0214 ENTERLOOP:

0214 46 61 LSR *P2

0216 B0 EF BCS doAdd

0218 D0 F6 BNE loop

021A 4C 1A 02 INF: JMP inf

0060 .ORG 60h

0060 0D P1: DB 13

0061 09 P2: DB 9

0062 P1HI: DS 1

Výsledek násobení je v registrech X (vyšší bajt) a A (nižší bajt).

Všimněte si, že násobení dvojkou je zařízeno jako „šestnáctibitový shift“ –

pomocí ASL a ROL.

9.14 Ahoj, světe, tady 6502

Nastala chvíle, kdy opět křemík ožije a provede, co po něm chceme.

Začneme zase výpisem obligátního HELLO WORLD. K tomu ale budeme

muset nějak ovládat ten komunikační obvod, který je v OMEN Bravo…

Naštěstí to není složité, a tak si aspoň ukážeme, jak v takových chvílích

postupovat.

Je dobré si nejprve nadefinovat základní konstanty. Obvod ACIA 6551 má,

na rozdíl od 6850, o něco složitější ovládání, především proto, že máme

hned čtyři registry. Příkazový, řídicí, stavový a datový.

ACIA_BASE EQU 83FCh

SDR EQU ACIA_BASE

SSR EQU ACIA_BASE+1

SCMD EQU ACIA_BASE+2

SCTL EQU ACIA_BASE+3

SCTL_V EQU 00011111b

SCMD_V EQU 00001011b

TX_RDY EQU 00010000b

RX_RDY EQU 00001000b

V Bravu sídlí ACIA na adresách 8000h – 83ffh, a je dobrý zvyk používat co

nejvyšší adresy, takové, v nichž jsou nedůležité bity rovné 1. Proto jsem

zvolil adresy 83FCh – 83FFh.

Nejprve je třeba obvod inicializovat. Tentokrát musíme zapsat hned dvě

řídicí hodnoty – do řídicího registru 1Fh, do příkazového 0Bh:

LDA #SCTL_V

STA SCTL

LDA #SCMD_V

STA SCMD

Samotná rutina SEROUT zas není tak moc odlišná, jen je třeba vzít na

vědomí, že příznakové bity pro „znak připraven“ nebo „možno vysílat“ jsou

na jiných pozicích:

SEROUT: STA SDR

WRS1: LDA SSR

AND #TX_RDY

BEQ WRS1

RTS

Tentokrát nečekáme, až bude volno, ale volíme opačný přístup: nejprve

vyšleme, a pak počkáme, až bude vysláno.

Pro zajímavost – takto vypadá čtení ze sériového portu:

SERIN: LDA SSR

AND #RX_RDY

BEQ SERIN

LDA SDR

RTS

!etěvs ,johA

Všechno jde udělat i jinak, hlavně v osmibitovém assembleru. Takže ani pro

Hello, world není jen jediný předepsaný postup.

U počítače Alpha jsem použil postup, kterému se říká ASCIIZ – tedy ASCII

řetězec, ukončený bajtem s hodnotou 0 (ASCII + Zero). Tento způsob

zápisu řetězců používají třeba překladače jazyka C – kdo z vás zná Céčko,

tak ví.

Jazyk Pascal používal jiný přístup – první bajt udával délku řetězce ve

znacích, a pak následovaly kýžené znaky. Někdy může být tento přístup

výhodnější – hlavně tehdy, když nám délku spočítá překladač a natvrdo

uloží do kódu.

Tak, základ zůstane stejný – definice konstant, inicializace i rutina

SEROUT, jen ten vnitřek se změní. Registr X použijeme jako počítadlo

a index znaku v řetězci. Když dosáhne hodnoty rovné délce řetězce,

přestaneme. Ta zásadní pasáž kódu bude vypadat nějak takhle:

; Začínáme vypisovat znaky

TOUT: LDX #0 ; pozice

TLOOP: LDA TEXT,X

JSR SEROUT

INX ; X++

CPX #TSIZE ; už jsme na konci?

BNE TLOOP ; pokud ne, tak pokračujeme

ENDLOOP: JMP ENDLOOP ; věčná smyčka

TEXT: DB 0Ch,”My hovercraft is full of eels!”,0Dh,0Ah

TSIZE EQU $-TEXT

Steve Wozniak v Monitoru pro Apple I použil trik, kterým ušetřil několik

bajtů (a tedy taktů procesoru). Ačkoli mi jeho trik připadá v tomto případě

jako klasický příklad „overengineeringu“ (tedy optimalizace až přehnaná),

tak si ji ukážeme, protože ilustruje schopnost podívat se na problém

z naprosto neobvyklého úhlu. Což se zase při programování v assembleru

často hodí.

Úvodní úvaha je jednoduchá: na začátku se nuluje registr X, v průběhu se

pak zvyšuje o 1 a kontroluje se, jestli už má hodnotu N. Kdybychom na

začátku do registru X uložili hodnotu N a šli v opačném pořadí, tedy

směrem k nule, tak by odpadla instrukce porovnání a konec by nastal ve

chvíli, kdy instrukce DEX (X=X-1) dojde k nule. Pak nastaví příznak Z (viz

popis instrukce).

Nese to s sebou jeden drobný problém: čtení znaků by fungovalo od konce.

Hm, a co? Tak je tam zapíšeme pozpátku!

; Začínáme vypisovat znaky

TOUT: LDX #tsize

; X je počet znaků, co zbývá vypsat

TLOOP: LDA text-1,x

; A protože X jde od hodnoty TSIZE k nule,

; tak se znaky berou od konce

JSR SEROUT

DEX ; X--

BNE tloop

; Dokud není 0, tak pokračujeme

ENDLOOP: JMP endloop

TEXT: DB 0ah,0dh,”slee fo lluf si tfarcrevoh yM“,0ch

TSIZE EQU $-TEXT

Ušetřili jsme dva bajty a nějaký ten takt, přišli jsme o snadnou čitelnost.

Ano, při programování osmibitů jsou situace, kdy dva bajty či pár taktů

znamená hodně.

9.15 Ještě nějaký trik, prosím!

„Ale no jistě,“ odpovědělo sluchátko. Pojďte se podívat na následující kód:

0000 .ORG 0

0000 A2 FF LDX #0FFh

0002 9A TXS

0003 20 09 00 JSR label

0006 4C 00 00 JMP 0

0009 60 LABEL: RTS

Přeložte si ho, spusťte emulátor a pojďme krokovat:

První instrukce (adresa 0000, 2 bajty) nastaví X na hodnotu FFh, druhá

(adresa 0002, 1 bajt) tuto hodnotu zkopíruje do ukazatele zásobníku S. Třetí

instrukce (adresa 0003, 3 bajty) je instrukce volání podprogramu. Volá se

podprogram na adrese 0009…

V tuto chvíli se zastavíme a podíváme se na vrchol zásobníku, co se tam

uložilo. Víme, že instrukce JSR ukládá dva bajty návratové adresy. Protože

byl ukazatel nastaven na FFh, budou tyto dva bajty na adresách 01FEh

a 01FFh. Co tam najdeme?

Na zásobníku je uložena hodnota 0005. Vidíme, že to není adresa instrukce

za voláním JSR (ta je 0006), ale o 1 nižší. Instrukce RTS vezme hodnotu ze

zásobníku, k ní přičte 1 a na tu adresu skočí.

K čemu nám bylo tohle mentální cvičení? Ukážeme si totiž jeden princip,

který se u osmibitových procesorů používá docela často, a nejčastěji právě

u výpisu různých textů. Pokud se text vyskytuje v programu jen jednou a je

konstantní (tj. typicky nějaké hlášení), tak je pro programátora pohodlné

napsat ho přímo do kódu, tam, kde potřebuje. Ušetří tím sekvenci „zadej

někam adresu hlášení, co chceš vypsat – zavolej rutinu, která vypíše řetězec

ze zadané adresy“. Místo toho jen zavolá podprogram, jehož funkce se dá

popsat slovy „vypiš znaky, co se nacházejí za instrukcí JSR, a až narazíš na

ukončovací znak 00, tak se vrať za tu nulu, tam pokračuje program.“

Nějak takhle (stále upravujeme kód z předchozího příkladu):

JSR PRIMM

DB 0Ch,”My hovercraft is full of eels!”,0Dh,0Ah,00h

DONE: JMP DONE ; TO JE KONEC!!! :(

Vidíte, že je tam instrukce volání podprogramu PRIMM (PRint

IMMediately), za ní jsou přímo znaky požadované hlášky, ukončené nulou,

a za tím zase pokračuje program.

Co musí udělat podprogram PRIMM? Představte si, že je vyvolán. V tu

chvíli je na zásobníku „adresa instrukce za JSR – 1“. Ukazatel SP je jeden

bajt POD touto hodnotou, návratová adresa je tedy na adresách SP+1

a SP+2.

Nejdřív si uložíme pracovní registry A, X a Y – tím se SP sníží o 3 a situace

na zásobníku bude vypadat takto:

SP+5 Vyšší bajt návratové adresy

SP+4 Nižší bajt návratové adresy

SP+3 Obsah registru A

SP+2 Obsah registru X

SP+1 Obsah registru Y

SP První volná pozice na zásobníku

Takže na adrese SP + 0100h + 4 je nižší bajt návratové adresy, na adrese SP

+ 0100h + 5 je vyšší. Tuto hodnotu si můžeme někam zkopírovat – ideálně

do zero page do dvou buněk vedle sebe. Příhodně pak využijeme adresní

mód IZY. Připomeňme si: tento mód vezme adresu ze dvou vedle sebe

ležících paměťových míst, k té adrese přičte obsah registru Y a výsledek

udává adresu, kam se má sahat pro data.

Jakmile narazíme na konec řetězce (anebo nám přeteče registr Y), tak

končíme s vypisováním. Teď je potřeba vzít tu původní adresu, k ní přičíst

počet vypsaných znaků (tedy registr Y), tu pak zase zapsat na zásobník –

a pak už jen standardně vrátit obsah registrů a provést RTS.

A protože vlastní studium zdrojového kódu řekne víc než sáhodlouhé

popisy, tak bez dalšího vysvětlování – podprogram PRIMM:

PRIMM:

PHA ; Uložím A

TXA

PHA ; Uložím X

TYA

PHA ; Uložím Y

TSX ; Ukazatel na zásobník si načtu do X

LDA 0104h,X ; Nižší byte návratové adresy

; (0100h je základní adresa zásobníku, X je tu aktuální

; ukazatel zásobníku, +4 proto, že ukazatel SP ukazuje na

; první volné místo, SP+1 je uložený registr X,

; SP+2 je uložený registr Y, SP+3 je uložený registr A

; (na začátku podprogramu jsme si je ukládali)

; SP+4 a SP+5 jsou nižší a vyšší bajt návratové adresy,

; tedy poslední bajt instrukce JSR

STA 00h ; Uložíme do ZP (třeba na adresu 00)

LDA 0105h,X

; Analogicky vyšší byte návratové adresy…

; … ukládáme do ZP na adresu 01

STA 01h

LDY #01h

; Nastavíme Y na počáteční hodnotu. Měla by to být

; nula, ale protože víme, že návratová adresa je ve

; skutečnosti o 1 nižší, než adresa prvního bajtu za JSR,

; tak začneme od jedničky.

PRIM2:

LDA (00h),Y

; Načteme bajt. Adresa je „obsah buněk 00 a 01“ + Y

BEQ PRIM3 ; Načetli jsme nulu? Tak končíme!

JSR SEROUT ; Nenulový znak ale vypíšeme

INY ; posuneme se na další adresu

; a pokud jsme ještě nepřetočili počítadlo, tak

; pokračujeme v tisknutí znaků.

; Když už je Y nulové, tak je načase skončit.

BNE PRIM2

PRIM3:

TYA ; V Y je „počet znaků + 1“ – přesuneme do A

CLC ; budeme sčítat, je potřeba vynulovat C

; K A si přičteme nižší bajt původní návratové adresy

ADC 00h

STA 0104h,X ; a „podvrhneme“ ji do zásobníku

LDA #00h ; Vynulujeme A

; a přičteme hodnotu vyššího byte návratové adresy.

ADC 01h

; Pokud při předchozím sčítání došlo k přenosu, tak se

; vyšší bajt zvedne o 1, jinak zůstane stejný

; A opět vyšší bajt návratové hodnoty analogicky uložíme

; na zásobník a budeme se tvářit, že to tak už bylo

STA 0105h,X

PLA ; Přečteme uloženou hodnotu

TAY ; co patří do registru Y

PLA ; a úplně stejně tu, co

TAX ; patří do registru X

PLA ; ještě původní hodnotu A

RTS ; a návrat!

Můžete si zkusit složit celý zdrojový kód a vyzkoušet, jak hezky funguje.

(Rutina PRIMM pochází z operačního systému Commodore C64 a je mírně

upravena.)

Pro pozorné: v kódu jsou dvě chyby, které se projeví při určité

konstelaci – zkuste na ně přijít.

Mimochodem – existuje ještě jeden používaný způsob označování konce

řetězců, hlavně u anglických textů. Kromě zadaného počtu znaků + řetězce

nebo řetězce ukončeného bajtem 00h (u CP/M služba pro vypisování

řetězců používá ukončování znakem $) můžeme použít i trik, který počítá

s tím, že anglická abeceda si v ASCII vystačí se znaky z rozsahu 00h-7Fh.

Pak stačí poslednímu znaku nastavit nejvyšší bit na 1 (tj. posunout jej do

rozsahu 80h-FFh). Ze znaku „!“ (kód 21h) se tak stane znak s kódem A1h.

No a postup je prostý – před vypsáním znaku použijeme AND s hodnotou

7Fh (abychom nastavili nejvyšší bit na 0), znak vypíšeme a pak

zkontrolujeme, jestli není nejvyšší bit roven 1 (u 6502 třeba tak, že ho

načteme do registru A – tím se nejvyšší bit zkopíruje do příznaku N). Pokud

ano, byl to poslední znak a my se můžeme vrátit. Napsání rutiny, která bude

takto pracovat, nechám už na vás, máte to za domácí úkol…

Řešení úlohy

První případ chyby je, že je počet znaků větší než 255. Registr Y

u posledního znaku „přeteče“ do nuly, rutina tím končí, ale bohužel se tím

návratová adresa ocitne někde uprostřed textu a výsledek bude

katastrofální. Řešení existuje – nechat přetočit Y, ale přitom si uloženou

adresu zvýšit o 0100h.

Druhý problém nastane v případě, že ukazatel zásobníku SP je nízko.

V takovém případě přeteče přes nulu, dostane se opět do vysokých hodnot

FDh-FFh, a v takovém případě jednoduchý přepočet pomocí vzorce „SP +

104h“ selže, protože se ocitneme mimo zásobník, na adresách 0200h

a vyšších, a nejen že načteme nesmysly, ale taky nesmysly uložíme. I tuto

situaci by bylo možné ošetřit, ale v tomto případě to není asi úplně potřeba,

pokud inicializujeme zásobník standardně, tj. na hodnotu FFh. Pokud se

totiž za takové situace stane, že se zásobník protočí přes nulu, tak máme

zásadnější problém někde jinde…

9.16 Organizace kódu

Protože vy, čtenáři, snad všichni znáte nějaké vyšší jazyky, tak nemusím

moc složitě představovat koncepty modulů a lokálních proměnných. Ano,

i tyhle věci v assembleru máme, ale není to tak úplně prosté…

Moduly

No, říkejme tomu tak. Ve skutečnosti se jedná jen o jednoduchý INCLUDE

„jméno“, který na to místo načte obsah externího souboru.

Některé staré assemblery vůbec žádný include neměly. Ono by to třeba

u ZX Spectra 48 s páskou nebylo moc pohodlné. Čímž neříkám, že takové

kompilery nebyly, třeba HiSoft C měl #include, jak se na céčko sluší

a patří, a při překladu jste spustili magnetofon, kde byly soubory ke

slinkování, překladač si je prošel, načetl, přeložil… (Ano, bylo to tak

děsivé, jak to zní.)

Většina modernějších assemblerů include samozřejmě má, jen se liší jeho

syntax. Některé assemblery používají .INC, některé INCLUDE, některé

.INCLUDE, takže nezbývá než si přečíst manuál k tomu kterému kousku.

Já ve svém překladači používám tvar .INCLUDE název souboru.

Řekněme, že mi připadá jako dobrý nápad (a on to dobrý nápad je)

přesunout rutiny pro výpis znaku a načtení znaku někam stranou, do nějaké

společné (common) knihovny (library), kterou si důvtipně nazvu

„comlib.a65“. V hlavním programu tak budu moci vesele tyhle rutiny

používat, aniž by mi překážely ve zdrojáku, stačí jen, když je vhodně

includuju.

Tím se nám zdroják rozštípnul na dva soubory: comlib.a65 (knihovna)

a vlastní zdrojový kód.

; COMLIB.A65 – základní komunikační knihovny

; Nastavení adres pro komunikační obvod ACIA 6551

ACIA_BASE EQU 83FCh

SDR EQU ACIA_BASE

SSR EQU ACIA_BASE+1

SCMD EQU ACIA_BASE+2

SCTL EQU ACIA_BASE+3

SCTL_V EQU 00011111b

SCMD_V EQU 00001011b

TX_RDY EQU 00010000b

RX_RDY EQU 00001000b

ACIAINIT: LDA #SCTL_V

STA SCTL

LDA #SCMD_V

STA SCMD

RTS

SEROUT: STA SDR

WRS1: LDA SSR

AND #TX_RDY

BEQ WRS1

RTS

SERIN: LDA SSR

AND #RX_RDY

BEQ SERIN

LDA SDR

RTS

Tenhle soubor pak elegantně načteme v hlavním programu:

; program začíná na adrese E000h, tedy tam, kde začíná ROM

.ORG 0E000h

; Emulátor má začít odsud

.ENT $

; K testu použij emulátor počítače Bravo

; (pouze pro IDE ASM80.com)

.ENGINE bravo

; Vstupní adresa

RESET:

; Nastavíme si ukazatel zásobníku

LDX #$ff

TXS

JSR ACIAINIT

LOOP: JSR SERIN

JSR SEROUT

JMP LOOP ; Stále dokola…

; ještě někam musíme vložit tu knihovnu…

; třeba sem, sem se hlavní program nedostane

.include comlib.a65

.ORG 0FFFCh

DW reset

Do comlib.a65 si klidně můžeme přihodit i rutinu PRIMM z minulé

kapitoly. K tomu ale až na konci. Teď si musíme ukázat ještě jednu

důležitou vlastnost assemblerů…

Assembler totiž sám o sobě nemá lokální jména. Jakmile jednou

nadefinujete konstantu, návěští, něco, tak to je vidět v celém kódu. Což je

docela problém, protože u složitějšího programu vám brzy dojde fantazie

při pojmenovávání např. smyček. „LOOP1“, „LOOP2“, … to není moc

elegantní.

Nemluvě o tom, že třeba použijete návěští „LOOP“ v nějaké knihovní

funkci. V hlavním programu na to zapomenete (nebo o tom ani nevíte,

protože tu knihovnu dělal někdo jiný), a překladač – logicky – zařve, že

návěští bylo už použité. Co s tím?

Lokální návěstí

V téhle situaci se hodí lokální návěstí. Špatná zpráva je, že ne každý

assembler je podporuje, a pokud ano, tak má svou konvenci, které bude

pravděpodobně odlišná od všech ostatních konvencí všech ostatních

assemblerů.

Některé mocnější assemblery zavádějí konstrukce „procedure“ a deklaraci

„local“ apod., jiné se staví k problému z druhé strany a dovolují pro drobné

smyčky a návěští používat jakási „pseudo návěstí“ a odkazovat se na ně

zápisem „skoč na předchozí pseudonávěstí“, „skoč na následující

pseudonávěstí“, „skoč o dvě pseudonávěstí zpátky“…

Já jsem v ASM80 zvolil cestu bloků. Blok začíná direktivou „.block“

a končí direktivou „.endblock“. Všechna návěstí, co jsou v něm definována,

jsou lokální. To znamená že v bloku na ně můžete odkazovat, mimo něj

nejsou vidět. Pokud chcete, aby bylo návěští vidět i mimo blok, dejte před

jeho název znak @ – ten se nestane součástí jména, jen říká, že toto návěští

bude globální. „@SEROUT:“ říká „Definuj globální návěští se jménem

SEROUT“.

Díky tomu můžu jako první řádek knihovny comlib napsat .block, na

poslední .endblock, a vím, že pokud takovou knihovnu includuju, tak mi

z ní nic „nevyteče“ ven, pokud explicitně neřeknu, co má být vidět zvenčí.

Takže nová, šetrná verze comlib vypadá takto:

; COMLIB.A65 – základní komunikační knihovny

.block

; díky deklaraci BLOCK nebudou následující návěští vidět

; ve zbytku kódu, kromě těch, před kterými je @

ACIA_BASE EQU 83FCh

SDR EQU ACIA_BASE

SSR EQU ACIA_BASE+1

SCMD EQU ACIA_BASE+2

SCTL EQU ACIA_BASE+3

SCTL_V EQU 00011111b

SCMD_V EQU 00001011b

TX_RDY EQU 00010000b

RX_RDY EQU 00001000b

@ACIAINIT: LDA #SCTL_V

STA SCTL

LDA #SCMD_V

STA SCMD

RTS

@SEROUT: STA SDR

WRS1: LDA SSR

AND #TX_RDY

BEQ WRS1

RTS

@SERIN: LDA SSR

AND #RX_RDY

BEQ SERIN

LDA SDR

RTS

.endblock

Díky uzavření, „zapouzdření“ zdrojáku můžu v hlavním programu použít

klidně návěští WRS1, a nedojde k chybě, protože to, které jsem použil

v comlib.a65, bude vidět pouze v comlib.a65, nikde jinde. Stejně tak názvy

jako ACIABase, SSR apod. Jediné, co bude vidět zvenčí, je SERIN,

SEROUT a ACIAINIT.

https://8bt.cz/65src

9.17 65C02 – vylepšená verze s technologií CMOS

I dnes se procesor 6502 stále vyrábí, a vyrábí jej dokonce několik výrobců.

Nejvýznamnější z nich je Western Design Company (WDC) – firma,

založená jedním ze spoluautorů 6502, Billem Menschem. Kromě WDC

vyrábí 65C02 i další výrobci – Rockwell, Synertek, GTE – ale jejich verze

se mírně liší. Doporučuju proto dát pozor při hledání datasheetů

a nepředpokládat, že W65C02 od WDC bude mít stejné vývody a instrukce

jako 65C02 od Rockwellu.

Přidané instrukce

Instrukce

Operační kód

(hexadecimálně)

Popis

PHX DA Push X (není potřeba přes registr A)

PLX FA Pull X

PHY 5A Push Y

PLY 7A Pull Y

STZ addr 9C STore Zero – uloží nulu na zadané místo

STZ addr, X 9E

STZ zp 64

STZ zp,X 74

Instrukce

Operační kód

(hexadecimálně)

Popis

TRB addr 1C Test and Reset Bit

TRB zp 14

TSB addr 0C Test and Set Bit

TSB zp 04

BRA rel 80 Nepodmíněný relativní skok (-128 až +127)

BBR0 zp,rel – BBR7 zp,rel

(jen WDC/Rockwell)

0F, 1F, 2F, 3F, 4F,

5F, 6F, 7F

Skok pokud je vybraný bit =0

BBS0 zp, rel – BBS7 zp,rel

(jen WDC/Rockwell)

8F, 9F, AF, BF,

CF, DF, EF, FF

Skok pokud je vybraný bit 1

RMB0 zp – RMB7 zp (jen

WDC / Rockwell)

07, 17, 27, 37, 47,

57, 67, 77

Nuluje vybraný bit v bajtu na dané adrese

SMB0 zp – SMB7 zp (jen

WDC / Rockwell)

87, 97, A7, B7,

C7, D7, E7, F7

Nastaví vybraný bit v bajtu na dané adrese

STP (jen WDC) DB SToP – zastaví procesor a přepne ho do režimu sníženého

odběru až do signálu RESET

WAI (jen WDC) CB WAIt – zastaví procesor jako STP, ale k probuzení kromě

signálu RESET lze použít i libovolné přerušení

Instrukce TRB nejprve udělá AND mezi obsahem registru A a zadaného

paměťového místa. Podle výsledku nastaví příznak Z. Pak změní obsah

paměti tak, že vynuluje bity, které jsou v registru A nastavené. Obsah

registru A se nezmění. Instrukce TSB funguje podobně, jen v posledním

kroku změní obsah paměti tak, že bity, které jsou v registru A nastavené,

nastaví na 1 (udělá operaci OR).

Instrukce RMB a SMB slouží k nastavování bitů v paměti (v zero page).

Součástí operačního kódu je číslo bitu k nastavení / nulování.

Instrukce BBR a BBS naopak vybraný bit v zero page otestují, a podle jeho

stavu udělají relativní skok.

Rozšíření adresace

Některé kombinace instrukcí a adresních módů v klasickém 6502 nejsou

validní. 65C02 přidává následující možnosti:

Instrukce

Operační kód

(hexadecimálně)

Význam

ADC (zp) 72 ADC s nepřímou adresou – podobné (zp,X) pro X=0

AND (zp) 32 AND s nepřímou adresou

CMP (zp) D2

EOR (zp) 52

LDA (zp) B2

ORA (zp) 12

SBC (zp) F2

STA (zp) 92

JMP

(addr,X)

7C Nepřímý skok s indexem – k adrese se přičte obsah registru X a výsledek se

použije pro získání dvou bajtů cílové adresy

DEA 3A Též DEC A – snížení A o 1

INA 1A Též INC A – zvýšení A o 1

BIT

addr,X

3C Instrukce BIT s absolutní indexovanou adresou

Instrukce

Operační kód

(hexadecimálně)

Význam

BIT zp,X 34 BIT s indexovanou adresou v ZP

BIT # 89 BIT s konstantou

https://8bt.cz/65c02

10 Intermezzo paměťové

Když už jsem to v předchozí kapitole nakousl, pojďme to dožvýkat.

Tématem tohoto intermezza budiž „jak zařídit, aby se po zapnutí počítače

něco dělo, a pak aby se dělo něco jiného“?

Jeden příklad jsem už nadhodil při probírání operační frekvence procesoru

6502 – nějak zařídit, aby počítač po startu běžel na pomalejší frekvenci,

zkopíroval si obsah z (pomalé) EEPROM do (rychlé) SRAM a pak sám

sebe přepnul do TURBO módu.

Podobný problém řešili konstruktéři počítačů se systémem CP/M. Tento

systém pro počítače s procesorem 8080 / Z80 měl jako jednu ze základních

vlastností to, že se programy zaváděly do paměti od adresy 0100h. To

znamená, že v těch místech musela být paměť RAM, ideálně co největší

souvislý blok. Asi můžu dát od adresy 0 až do, cojávím, FBFFh samou

RAM a ROM od adresy FC00h do FFFFh. Jenže uvažte následující:

 po startu jede procesor od adresy 0000h. Pokud tam je (neinicializovaná)

RAM, plná náhodného obsahu, je pravděpodobnost, že to celé zhavaruje

dřív, než to vůbec do ROM dospěje, téměř rovna jedné.

 když dáme ROM i do prostoru 0000 – 0100h, tak by se to dalo nějak

vyřešit, ale je potřeba po skoku do ROM tuto paměť zase odpojit, protože

systém potřebuje zrovna tady mít taky RAM.

Co s tím?

Podobný problém řešil třeba i autor PMD-85. Tento počítač měl RAM od

adresy 0000 do 7FFFh, od 8000h do C000h byla EPROM, od C000h do

FFFFh zase další RAM. A co při startu?

Řešení bylo prosté: použil se klopný obvod R-S. Signál RESET ho nastavil

do jednoho stavu, nazvěme ho „stav 0“. V tomto stavu se vůbec

negeneroval signál /RAMCS (toto berte s rezervou, v PMD se ty signály

jmenovaly a generovaly úplně jinak) a místo toho byla vybrána paměť

EEPROM. Procesor začal číst od adresy 0000h, kde byl v tu chvíli stejný

obsah jako od adresy 8000h (totéž by se stalo třeba u Alphy, kdybychom

nějakým dalším obvodem aktivovali signál /ROMCS).

První instrukce pak byla JMP 8003h – skok na následující instrukci. Vypadá

to zbytečně, ale ve skutečnosti se tím do programového čítače dostala

správná adresa EPROM. Následující instrukce inicializovaly obvod 8255

pro komunikaci s klávesnicí. Signál pro zápis do periferie překlopil klopný

obvod do stavu 1, dekodér se tím přepnul do normálního režimu a paměti se

začaly objevovat v paměťovém prostoru tak, jak mají.

U jedné konstrukce se systémem CP/M jsem viděl obdobný fígl. Opět

klopný obvod, nulovaný signálem RESET, ovládal dekodér a připojoval

ROM od adresy 0. Zde byl krátký program – bootstrap, který nahrál do

paměti RAM jeden konkrétní sektor z diskety, ve kterém byl vlastní loader

pro zbytek systému. Program se nahrál kamsi do RAM, spustil, a opět jeho

prvním úkolem bylo zase odpojit ROM.

U konstrukcí a la PMD by šlo využít ještě jednoho fíglu, totiž stavu signálu

A15. Jakmile by se skočilo na adresu nad 8000h, logická 1 na vývodu A15

by přepnula klopný obvod.

Podobná konstrukce samozřejmě zesložití dekodér adres. Tam, kde jsme si

vystačili s jedním obvodem 7400 a čtyřmi hradly NAND, budeme

potřebovat mnohem složitější zapojení. Budeme potřebovat standardní

dekodér, budeme potřebovat logiku, která jej podle stavu klopného obvodu

„přehlasuje“, budeme potřebovat samotný klopný obvod a pak něco, co ho

nastaví a nuluje.

Mimochodem, s tou pracovní frekvencí je to docela jednoduché. Představte

si opět stejný klopný obvod: RESET jej překlopí do 0, nějaký signál od

CPU do 1. Generátor hodin není interní, ale externí, třeba s obvodem 7400

a krystalem, co kmitá třeba na frekvenci 14 MHz. Za tímto oscilátorem jsou

dva klopné obvody D, nebo binární čítač, zkrátka nějaký dělič kmitočtu.

Bude stačit kmitočet vydělit čtyřmi (=3,5 MHz) nebo osmi (1,75 MHz).

Klopný obvod pak jednoduchým multiplexorem vybere buď nízký kmitočet

(=0), nebo vysoký (=1). Po RESETu tak procesor poběží hezky

pomaloučku, bude si moci zkopírovat vše potřebné do RAM, a pak (třeba)

pomocí přístupu ke konkrétní adrese přepne klopný obvod… Zbytek bude

fungovat podle výše uvedené příručky pro lov jelena. Tedy pardon, podle

výše uvedeného popisu.

10.1 Moc paměti?

Nebývá to pravidlem. Většinou si stěžujeme, že máme paměti málo. Ale

stane se, že konstruktér má paměti prostě moc. Nám se to stalo u Brava.

Máte k dispozici prostor 16 kB a paměť s kapacitou 32 kB. Co teď, přátelé,

co teď?

Jedna možnost je přebývající část prostě ignorovat, příslušný adresový bit

natvrdo zapojit na 0 (nebo na 1) a používat jen půl paměti.

Druhá možnost je přidat propojku (jumper) nebo přepínač a při startu si

zvolit, jestli chcete použít vyšší polovinu, nebo nižší polovinu paměti.

Můžete tak mít dvě různé verze programového vybavení.

Třetí možnost je zase využít nějakého klopného obvodu či registru, který

můžete programově ovládat. Můžete si přepínat programy „za běhu“.

Pokud byl součástí konstrukce obvod pro paralelní rozhraní typu 8255

nebo 6821/6822, který sloužil třeba k obsluze klávesnice, bylo možné jej

použít pro výběr konkrétní stránky paměti (kdo si vzpomínáte na Didaktik

Gama a jeho přepínání „horní části paměti“, tak vězte, že to bylo řešené

přesně tímto způsobem).

Tady je na místě velmi výrazné doporučení, tak raději tučně: Není dobré

přepínat paměť v oblasti, v níž se právě provádí program!

Velmi pravděpodobně se totiž stane, že hned po přepnutí se ocitnete někde,

kde jste být nechtěli, něco si přepíšete, a nakonec všechno zhavaruje. Ne že

by to nešlo vůbec – třeba u ZX Spectra se přepínaly externí ROM ve chvíli,

kdy procesor prováděl program v interní ROM, ale platilo velmi přísné

pravidlo: přepnout se může pouze na konkrétních adresách, na kterých bylo

zaručeno, že ve stínové ROM bude následovat smysluplný obsah.

A co když chceme víc RAM? Na trhu jsou k dispozici čipy SRAM

s kapacitou 128 či 512 kB (AS6C1008 / AS6C4008, popř. 628128 /

628512). Vypadají stejně jako ty, které používáme (32 kB), jen mají víc

nožiček (128 kB mají i adresní vstupy A14 a A15, půlmegové přidávají

i A16 a A17). Je lákavý nápad takovou paměť připojit a nějak naplno

využít…

10.2 Stránkování

Osmibitové procesory, se kterými pracujeme, mají zkrátka šestnáct bitů

adresové sběrnice a s tím nehneme. Navíc nemají žádnou jednotku správy

paměti. Některé pokročilejší (Zilog Z180, WDC 65816) obojím oplývají,

ale ve světě starých osmibitů si musíme poradit jinak.

Samozřejmě že odpověď „použij jiný procesor“ je zcela legitimní a na

místě. Jenže smyslem a cílem téhle knihy není „použít jiný procesor“, ale

ukázat, jak se takový problém v praxi řešil a řeší.

Pokud k osmibitovému procesoru chcete připojit víc paměti, než je 64 kB,

je jasné, že potřebujete nějakou podporu v okolních obvodech, něco, co

zařídí, aby se paměť připojovala tak, jak má.

Problém se řeší stránkováním a mapováním. Představme si adresní prostor

nějakého osmibitu, tedy adresy v rozsahu 0000 až FFFFh, rozdělený na

čtyři stránky po 16 kB. Nějak takto:

Obrázek 42: Stránkování paměti u ZX Spectra

V OMEN Alpha máme v horních dvou stránkách RAM, v dolních

EEPROM. U Brava je RAM v dolních dvou stránkách, v horních je

EEPROM a periferie.

Pro zajímavost: U ZX Spectra 48 byla ve stránce 0 systémová ROM, ve

stránce 1 byla video RAM (o níž se procesor dělil s obvodem ULA, proto

programy uložené v této paměti běžely pomaleji) a ve stránkách 2 a 3 bylo

32 kB RAM. Fyzicky tvořila stránku 1 osmice dynamických pamětí 4116

a stránky 2 a 3 dalších osm obvodů (vlastně „kazové“ obvody 64 kB x 1 bit,

u kterých se používala jen polovina čipu).

U ZX Spectra 128 zůstalo rozložení stejné. Jenže najednou přebývalo 80 kB

RAM, k nimž by se programátor za normálních okolností nedostal. Proto

vývojáři celou paměť RAM rozdělili na osm „paměťových bank“

(označených Bank 0 až Bank 7) a udělali následující:

 Ve stránce 0 zůstala ROM (popřípadě nová ROM 128)

 Ve stránce 1 byla připojena napevno banka 5

 Ve stránce 2 byla připojena banka 2

 Ve stránce 3 (C000h – FFFFh) byla připojena libovolná banka dle

programátorovy libosti.

K přepínání sloužilo několik bitů paralelního portu (který byl součástí

použitého zvukového čipu). Bity 0, 1, 2 vybíraly, která banka bude

připojena ve stránce 3, bit 3 vybíral, která banka bude sloužit jako zdroj

videosignálu (za normálních okolností to byla banka 5, ale mohli jste

přepnout i na banku 7).

Takové řešení je poměrně elegantní a jednoduché na používání.

Programátor má k dispozici 32 kB RAM přímo, ta se nemění. Nejvyšších

16 kB si ale může přepínat podle libosti. Díky tomu je možné psát

programy tak, aby bylo přepínání bezpečné, tzn. aby procesor pracoval

v oblasti, která se nepřepíná, a aby tamtéž byl uložen zásobník.

Didaktik Gama nepoužíval stránkování po 16 kB, místo toho stránkoval po

32 kB a přepínal obsah ve stránkách 2 a 3 najednou.

Co nám brání, abychom totéž neudělali taky, třeba u Alphy? No, brání nám

v tom fakt, že bychom si takto přepnuli celou RAM, takže přepínat by mohl

pouze kód v EEPROM, zároveň bychom po přepnutí přišli o veškerá

uložená data, včetně návratových adres na zásobníku, takže by se po

provedení přepínací rutiny neměl program kam vrátit, no a při případném

kopírování dat mezi stránkami bychom byli odkázáni jen na vnitřní registry.

U Brava je odpověď ještě rezolutnější: při práci s procesorem 6502 prostě

není dobré za běhu přemapovat paměť v oblasti 0000h – 0200h. Šmitec.

Řešení se nabízí dvojí. Buď říct, že třeba stránka 2 zůstane namapovaná

napevno a přepínat se bude jen stránka 3, nebo zastínit EEPROM a dát

programátorovi do rukou možnost připojit libovolnou banku RAM třeba do

stránky 1.

Uvažme teď jednotlivé případy. Jako model si zvolme RAM o kapacitě 128

kB.

Prosté přepínání

Sice jsme tuto možnost zavrhli, ale přesto si řekněme, jak bychom k ní

přistupovali.

Čip 128 kB bychom zapojili stejně jako 32 kB, tedy bez změny signálů

/RAMCS a A0 až A14. Adresní vstupy A15 a A16 bychom museli nějak

vyřešit. Dejme tomu, že bychom pro ně vyhradili dva bity nějakého

paralelního portu, třeba PA0 a PA1 u portu A. Zápisem do dvou nejnižších

bitů tohoto portu by se vybrala 32kB banka… Ale takto to dělat nebudeme.

Mapování ve stránce 3

Při mapování ve stránce 3 to bude podstatně složitější. Budeme muset nějak

zajistit „překlad“ podle následujících pravidel:

A15 A14 Význam BA16 BA15 BA14

0 X Přístup do EEPROM X X X

1 0 Napevno banka 0 0 0 0

1 1 Banka vybraná portem A PA2 PA1 PA0

Paměť 128 kB jsme rozdělili na 8 bank po 16 kB. Výběr banky vyřešíme

opět pomocí nejnižších bitů portu PA u obvodu 8255. A ve stránce 2

zůstane napevno banka 0.

Generování signálů /RAMCS a /ROMCS zůstává stejné. Signál A14 bude

přiveden na multiplexor, který vybere buď vstupy se samými 0, nebo vstupy

z portu PA. Poslouží například obvod 74HCT157:

Obrázek 43: zapojení multiplexoru pro rozšíření paměti

Vybavovací vstup G je připojen nastálo k zemi, ale může být stejně dobře

připojen k signálu /RAMCS. Signál A14 slouží k přepínání mezi vstupy

A a B. Všechny vstupy A jsou připojeny k zemi, takže pokud je A14=0

a jsou připojeny vstupy A, je na výstupech 0. Výstupy jsem označil, aby se

to nepletlo, prefixem BANK a jsou připojeny rovnou na příslušné adresní

vstupy paměti 128 kB.

Úprava je tedy hodně jednoduchá a teoreticky by nám vystačila i pro čipy

256 kB. Takové ale k dispozici nebývají, častěji máme 128 kB, nebo 512

kB. Pro plný čip 512 kB bychom museli použít pětikanálový multiplexor

(v TTL řadě 74xx nejsou, takže dva čtyřbitové…) nebo nějaké jiné řešení,

třeba z pěti hradel AND…

Stínování ROM

Podobné řešení používalo třeba Atari 130 XE – část jeho paměti RAM byla

za normálních okolností překryta pamětí ROM, ale programátor mohl ROM

„odstínit“ a přistupovat přímo k RAM.

U Alphy či Brava můžeme použít něco podobného. EEPROM můžeme

odstínit buď v plném rozsahu, nebo třeba jen z části. Pokud odstíníme

EEPROM v plném rozsahu, bude moct paměť přepínat pouze uživatelský

program, běžící v RAM. Zároveň budeme muset vyřešit, aby po resetu byla

připojena paměť ROM. Pokud budeme přepínat jen část, třeba stránku 1,

odpadne starost s resetem, přepínání bude moci řešit i obslužný program

v ROM, ale zesložití se generování /RAMCS, /ROMCS a dalších.

Pro příklad: port PA opět vyhradíme pro výběr stránky (PA0 – PA2) a jeden

bit (PA3) bude indikovat, jestli je připojena ROM, nebo RAM. Pravidlo

bude následující:

A15 A14 /ROMCS /RAMCS BA16 BA15 BA14

0 0 0 1 X X X

0 1 PA3 /PA3 PA2 PA1 PA0

1 0 1 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 1

Když si rozepíšeme jednotlivé kombinace, vypadá to takto:

A15 A14 PA3 /ROMCS /RAMCS

0 0 0 0 1

0 0 1 0 1

0 1 0 0 1

0 1 1 1 0

1 x x 1 0

Vychází mi z toho, že /RAMCS je A15 NAND (A14 OR PA3) a /ROMCS

negace – tedy A15 OR (A14 AND PA3). Multiplexor necháme přepínat

signálem A15, a to mezi variantami PA2-PA1-PA0 (A15=0) a 0 – 0 – A14

(A15=1).

K tomu samozřejmě ještě připočítejte signál IO/M, takže plná verze je:

 /RAMCS = IO/M OR (A15 NAND (A14 OR PA3))

 /ROMCS = IO/M OR (A15 OR (A14 AND PA3))

Ať počítám, jak počítám, s jedním hradlem NAND nevystačíme… Buď

bude potřeba zkombinovat hradla NAND a OR, nebo využít třeba

programovatelný obvod GAL, v němž takovéto složitější kombinační

obvody lze poměrně snadno syntetizovat.

Ve skutečnosti se naštěstí dají oba složité výrazy poměrně snadno přepsat

do podoby NANDů a negací:

 /RAMCS = (NOT IO/M) NAND (NOT A15 NAND (A14 NAND PA3))

 /ROMCS = /RAMCS NAND (NOT IO/M)

Kolik hradel tedy budeme potřebovat?

 H1: IO/M -> NOT IO/M

 H2: A15 -> NOT A15

 H3: A14 NAND PA3

 H4: H2 NAND H3

 H5: H1 NAND H4 (/RAMCS)

 H6: H5 NAND H1 (/ROMCS)

Šest hradel tedy bude stačit – použijeme dva obvody 7400 a ještě dvě hradla

zbývají pro jiné použití.

Fyzicky oddělené paměti

Můžeme trochu vylepšit předchozí řešení, a to tak, že v bankách 2 a 3

necháme původní RAM 32 kB a celou paměť 128 kB připojíme jako druhý

čip a budeme ji mapovat zase do stránky 1. Výsledná kapacita paměti bude

tedy 160 kB. Co tímto řešením získáme a co obětujeme?

1. Na desce bude o jeden čip víc. Dobře, to může být problém.

2. /RAMCS zůstane jako byl dřív

3. Odpadne multiplexor – rozšířená paměť bude mít zapojené adresní

vstupy A0 až A13, A14 až A16 budou přímo připojené na PA0, PA1,

PA2.

4. Vznikne nový signál /ERAMCS (jako že EXTENDED), který bude

přímo ovládat /CE u paměti 128 kB.

5. /ROMCS bude potřeba změnit.

Pokud ale oželíme 16 kB ROM, tak můžeme stránku 1 nechat pouze pro

rozšiřující paměť. Potřebné výrazy pak budou:

 /RAMCS = (NOT IO/M) NAND A15

 /ROMCS = A15 OR A14 OR IO/M

 /ERAMCS = A15 OR (NOT A14) OR IO/M

S trochou úprav získáme:

 /ROMCS = (NOT A15) NAND (NOT A14) NAND (NOT IO/M)

 /ERAMCS = (NOT A15) NAND A14 NAND (NOT IO/M)

Stačí nám tedy dvě třívstupová hradla NAND (74HC10) a čtyři

dvouvstupové NANDy (negace A15, negace A14, negace IO/M a vytvoření

/RAMCS).

Výhoda takového řešení bez multiplexoru je, že stačí použít o dva bity

portu A víc – a můžeme použít přímo paměť 512 kB.

10.3 Všechno najednou, a ještě něco navrch…

Samozřejmě lze výše uvedené postupy kombinovat – dovedu si představit

situaci, kdy počítač obsahuje třeba 128 kB RAM, která je nějak mapovaná

po stránkách, zároveň v systému je i paměť ROM, která je po RESETu

připojená a následně se odpojí…

Mimochodem, pokud nebudete chtít použít 8255 nebo podobný velký

obvod, můžete použít obvod 74HC273 – je podobný obvodu 573, který

jsme použili u 8085 jako adresový latch, ale má nulovací vstup, který lze

připojit k signálu /RESET a zajistit, že po startu bude v tomto registru vždy

Když už tedy máme v systému víc paměti, můžeme uvažovat třeba nad

něčím jako je jednoduchý kooperativní multitasking. Pokud budeme

stránkovat ve stránce 3 například, můžeme říct, že naše „aplikace“ musí být

vždy napsány tak, aby běžely od adresy C000h, a pak jich můžeme do

paměti nahrát až 7. No a při vhodné příležitosti, řekněme volání nějakých

systémových funkcí, čas od času prostě uložíme stav dané aplikace (registry

apod.) a přepneme stránku paměti.

Samozřejmě takový „multitasking“ vyžaduje velmi dobře napsané aplikace,

které neudělají nic nečekaného, budou se chovat slušně, nebudou si zabírat

systém pro sebe, budou k prostředkům přistupovat správně…

Existuje možnost, jak i na osmibitovém procesoru zařídit nějakou ochranu

paměti, respektive obecně vyřešit úrovně přístupu k systémovým

prostředkům? Osmibitové procesory samotné většinou nic takového

neposkytují, ale je možno vnějšími obvody podobné chování nasimulovat.

Pokud znáte 16- a vícebitové procesory, které podobnými technikami

oplývají, tak víte, že ochrana paměti před přepsáním či čtením od jiné

běžící aplikace je jen část problému. Je zapotřebí nějak zajistit, aby se

aplikace nepokoušela udělat něco, co dělat nemá, typicky třeba přepínat

paměť nebo přistupovat k periferiím.

To znamená, že musíte určité „nebezpečné“ instrukce aplikacím zakázat

a povolit je pouze systému. Jenže osmibitový procesor nic takového neumí.

Informaci o tom, jestli běží uživatelský program nebo systém musíte opět

udržovat mimo procesor, ideálně tak, aby programátor neměl možnost sám

od sebe tuto informaci změnit.

To znamená, že přechod do režimu „supervizor“ (tedy „běží systém“) musí

být zajištěna přímo z návrhu – například tím, že procesor načte instrukci

z konkrétní adresy v ROM. V tu chvíli se přepne někde klopný obvod

a udržuje si informaci o tom, že systém běží v supervizorském módu.

Zpátky do uživatelského se přepne například zápisem do nějaké k tomu

určené periferie.

Jenže to není všechno. Systém musí správně odlišit, jestli se z ROM někdo

pokouší číst, nebo zda si procesor žádá instrukci (naštěstí tuhle informaci

procesory poskytují). Další věc k vyřešení je rozhodnout, co se má stát,

když uživatelská aplikace udělá něco, na co nemá právo – například se

pokusí přistupovat k periferii napřímo (to asi lze zakázat kombinační

logikou) nebo třeba skočit přímo někam do ROM. To by asi dělat neměla,

takže musíme detekovat pokus o čtení instrukce z této oblasti

v neprivilegovaném režimu a asi vyvolat nemaskovatelné přerušení…

Zkrátka: není to úplně jednoduché, ale lze to nějak udělat. Otázka je, zda se

to vyplatí.

11 OMEN Charlie

K tomu, abyste si na vlastní kůži vyzkoušeli, jak se s takovým osmibitovým

procesorem pracuje, nemusíte nutně vlastnit počítač s tímto procesorem.

Stačí vám bohatě výkonnější stroj a v něm emulátor.

Emulátor procesoru je vlastně jen jednoduchá rutina, napsaná v nějakém

programovacím jazyce (C, assembler, JavaScript, Arduino, …), jejíž úkol je

jednoduchý: přečíst operační kód z paměti a provést jej. To provedení záleží

na konkrétním emulovaném procesoru a instrukci.

Určitě jste si už všimli, že instrukce mikroprocesoru nejčastěji buď

přesouvají data odněkud někam, nebo s nimi vykonávají nějaké operace,

popřípadě řídí stav programu (podmínky, skoky atd.) V emulátoru se vnitřní

registry řeší pomocí lokálních proměnných, čtení a zápis do paměti

emulovaného procesoru se nejlépe simulují obyčejným polem (nějaké

unsigned char memory[65536]), no a řídicí instrukce buď mění stav

registru PC (= interní proměnná v emulátoru), nebo nastavují nějaké

příznaky (a ty jsou zase implementované jako proměnná).

V praxi se píšou emulátory o něco obecnější, takže zápis do paměti a čtení

z paměti nebývá přímo uvnitř zadrátované, ale bývá řešeno pomocí

callback funkcí memoryRead, memoryWrite apod. Díky tomu může

nadřízený program simulovat např. zápis do obrazové paměti (a v realitě ho

převést na ovládání bodů na displeji) nebo naopak nasimulovat, že do

paměti ROM nelze zapsat…

Pokud emulujeme reálný počítač a jde nám o maximální věrnost, je potřeba,

aby emulátor počítal strojové takty T. Emulátor většinou běží na mnohem

výkonnějším stroji, takže obvyklý scénář vypadá tak, že se každou sekundu

volá emulační rutina tak dlouho, dokud neproběhnou instrukce v délce např.

dvou milionů T (pro procesor s pracovní frekvencí 2 MHz), a zbytek času je

volno.

11.1 Emulátor osmibitového procesoru

Jeden takový emulátor procesoru 8080 jsem si napsal pro ASM80.com.

Jeho zdrojové kódy jsou k dispozici na GitHubu:

https://8bt.cz/8080js

V kódu samotného emulátoru je vidět zmíněnou část, která se stará

o emulaci vnitřních registrů procesoru:

var Cpu = function () {

this.b = 0;

this.c = 0;

this.d = 0;

this.e = 0;

this.f = 0;

this.h = 0;

this.l = 0;

this.a = 0;

this.pc = 0;

this.inte = 0;

this.halted = 0;

this.sp = 0xF000;

this.cycles = 0;

this.ram=[];

};

Za tímto kódem je několik pomocných funkcí, které se starají o práci

s dvojicemi registrů, s různě adresovanou pamětí nebo s příznakovým

registrem. Další funkce pak emulují základní operace na obecné úrovni

(ADD, SUB apod.) – tyto funkce pracují s předanými hodnotami, nikoli

s konkrétními registry, a starají se o společné efekty těchto operací (např.

správné nastavení příznaků).

Srdcem emulátoru je funkce execute. Jejím parametrem je operační kód

a hlavním blokem je obří switch s částí case pro každý platný operační kód.

case 0x01:

{ // LDX B,nn

this.BC(this.nextWord());

this.cycles += 10;

}

break;

case 0x02:

{ // STAX B

this.writeByte(this.bc(), this.a);

this.cycles += 7;

}

break;

case 0x03:

{ // INX B

this.BC((this.bc() + 1) & 0xFFFF);

this.cycles += 6;

}

break; …

Díky pomocným funkcím (nextWord, writeByte) jsou jednotlivé obslužné

rutiny velmi stručné.

Asi nejsložitější věc je správné nastavování příznaků u aritmetických

a logických operací, ale s pomocí pár šikovných rutinek to je mnohem

snazší. Příznaky S a Z jsou jednoduché: Z je 1, když je výsledek = 0, S je

rovno nejvyššímu bitu výsledku. Příznak parity bývá trošku složitější, ale

dobrý trik je nechat si paritu předpočítat a uložit do tabulky 256 hodnot.

Největší problémy jsou s přenosem a přetečením, kde musíte porovnat

výsledek a předchozí hodnotu a podle nich nastavovat. A zbytek, zbytek je

už jen rutina.

11.2 Emulace procesoru v Arduinu / AVR

Mikrokontroléry AVR jsou velmi oblíbené stroje pro emulování starých

procesorů. Jejich výkon je dostatečný pro emulaci 6502 nebo 8080

a s taktovací frekvencí okolo 20 MHz zvládají spoustu věcí, včetně

generování videosignálu pro televizi. Existují tak třeba emulátory počítače

Apple II nebo československého PMD-85.

Ostatně následující seznam odkazů hodně napoví:

 Emulace Sinclairu ZX81 a ZX Spectra v AVR, počítač se zabudovaným

BASICem:

http://www.jcwolfram.de/projekte/avr/main.php
 PMD-85 v Arduinu: http://pmd85.topindex.sk/
 Arduino 6502 – emulátor procesoru 6509:
https://github.com/davecheney/arduino6502
 Apple ][ v Arduinu: http://damian.pecke.tt/turning-the-arduino-uno-into-
an-apple
 Amatérský počítač Mouse6502 v Arduinu:
https://github.com/mkeller0815/MOUSE2Go
 Počítač s CP/M v Arduinu Due (verze s procesorem ARM):
 
https://github.com/ptcryan/CPM_Due
 Počítač s CP/M a procesorem Z80, emulovaný Arduinem Due:
 
https://hackaday.io/project/19560-z80-cpm-computer-using-an-arduino
 Z80 emulovaný pomocí ARM s funkčním systémem CP/M:
 
http://spritesmods.com/?art=avrcpm&page=4
 Další verze CP/M a emulace procesoru v Arduinu Due:
 
https://weblambdazero.blogspot.cz/2016/07/cpm-on-stick_16.html
 6502+BASIC v ESP8266 / STM32:
 
http://forum.arduino.cc/index.php?
topic=193216.msg2369600#msg2369600
 Emulátor 6502 s video výstupem v ATMega:
 
https://sites.google.com/site/retroelec/hardware
Při emulaci nejste omezeni pouze na Arduina. Mnoho konstrukcí používá
obvody  ATMega  vyšších  řad,  především  kvůli  větším  pouzdrům,  které
usnadňují  připojení  externí  paměti.  Některé  konstrukce  používají  třeba
populární  obvod  ESP8266  se  zabudovaným  WiFi  nebo  velmi  levné
vývojové desky s procesorem ARM typu STM32F103 (zvané BluePill).
11.3  Praktické cvičení: Emulátor systému s procesorem 8080
v Arduinu
Je  to  jednoduché.  Vezměte  si  libovolné  Arduino  Uno.  Použijete  kód
emulátoru  8080,  co  je  pod  licencí  GPLv2  dostupný  v  rámci  emulátoru
Altairu 8800.

https://github.com/companje/Altair8800

Stačí jen samotný emulátor.

V Arduino IDE si napište jednoduchý HAL – Hardware Abstraction Layer.

V něm se definuje, jak se čte z paměti, zapisuje do paměti a jak se pracuje

s periferiemi. Já si nadefinoval, že v prostoru 0x0000-0x0fff bude ROM

(a k tomu je potřeba direktiva PROGMEM), v prostoru 0x1000-0x13ff bude

1 kB RAM (vlastně jen pole hodnot typu byte).

RAM by šla zvětšit na 1.5 kB, i když překladač píše varování. Zkuste si

to, ale nezapomeňte změnit příslušné hodnoty ve zdrojáku BASICu.

Otestujete si, jak to běhá, jednoduchým příkladem ve strojáku do ROM.

Můžete přidat obsluhu portů. Port 1 bude sériový port, port 0xFE bude

ovládat LEDku na Ardu inu. Jen tak, pro radost. Krátkým kódem ve strojáku

ověříte, že to funguje.

Můžete zkusit přeložit Tiny BASIC. Zdrojové kódy jsou k dispozici, tak

stačí upravit jen tu část, kde se komunikuje se sériovým portem.

K překladu můžete použít zdrojové kódy z GitHubu a online assembler

ASM80.com. Součástí tohoto assembleru jsou i nástroje, které dokáží

z přeloženého kódu vytvořit „pole čísel“. Když jim dodáte formát, jaký má

definice pole v C, můžete výsledek pomocí #include přidat do výsledného

.ino.

Můžete si stáhnout zdrojové kódy a zkusit je upravit. Můžete si nastavit

stejné adresy jako v počítačích OMEN, můžete si zkusit nahradit emulaci

procesoru 8080 emulací procesoru 6502, můžete si zkusit připojit periferie

podle svých schopností a možností. Můžete experimentovat

i s výkonnějšími stroji – nabízí se Arduino Due, popřípadě BluePill či

ESP8266.

11.4 Konzole do ruky

Vezmeme si Arduino Micro, displej z mobilu Nokia 5110 a šest tlačítek (4

směry, 2 akční tlačítka), a z nich si sestavíme úplně jednoduchou herní

konzolu. Displej má závratné rozlišení 84x48 bodů monochromaticky, takže

žádná sláva, ale různé hříčky jako Had či Pac Man, Auta, Flappy a podobné

jednoduché hry není problém udělat.

Berte prosím herní konzolu jako „malý počítač bez klávesnice“ – ostatně

společnost Atari přesně takto své první počítače udělala.

Pokud použijeme Arduino Micro Pro, budeme potřebovat 6 pinů pro

tlačítka, 5 pinů pro řízení displeje a 1 pin pro zvuk.

Obrázek 44: Arduino Mini Pro

Určitě by bylo nejlepší naprogramovat nějaké hry v jazyce C a přeložit

přímo pro Arduino. Ale když už máme ověřené emulátory procesorů 8080

a 6502, tak proč nepoužít je?

Arduino bude sloužit jako vstupně-výstupní zařízení. Dokáže emulovat

sériové rozhraní, dokáže načítat hodnoty tlačítek a joysticku, a když na to

přijde, může generovat i jednoduché tóny. Tyto funkce zpřístupníme

emulovanému procesoru, třeba ve formě „virtuálních portů“.

Co se týče obrazové paměti, můžeme použít stejný princip, jaký byl použitý

například u ZX Spectra – obsah obrazovky byl uložený v paměti a každému

bodu odpovídal jeden bit. Náš displej má rozlišení 84x48 bodů, což

znamená při osmi bodech na bajt kapacitu 504 bajtů. Tedy téměř půl

kilobyte.

Pro emulovaný procesor zůstává v RAM Arduina nejvýš tak 1,5 kB

volného místa. Pokud si půl kilobyte „zaplácneme“ video RAM, zůstává 1

kB na samotné výpočty, a to není mnoho. Na druhou stranu, u některých

domácích počítačů měla celá paměť 1 kB, a dalo se s tím dosáhnout

mnohého.

Druhá možnost, jak se postavit k obrazu, je taková, že řekneme, že obraz je

„write only“, tedy že do něj může procesor jen zapisovat. Můžeme pak

emulátor nastavit tak, že třeba od adresy C000h do adresy C1F8h bude

obrazová paměť, a případný zápis do této paměti půjde ve skutečnosti na

displej. Zvýší se nám tak dostupná RAM, ale na druhou stranu přijdeme

o možnost měnit obsah displeje, bude muset být vygenerován pokaždé

znovu.

Konzoly, říkáte?

Třetí možnost je inspirovat se reálnými starými konzolami, třeba jako Atari

2600. Tato herní konzola používala pro generování obrazu jeden

specializovaný obvod TIA, který uměl vygenerovat právě jeden řádek na

displeji (ve skutečnosti se generovaly dva stejné televizní řádky). Generoval

ho na základě několika málo hodnot, které programátor uložil do jeho

registrů.

Na každém řádku obrazu se objevovala herní plocha (playfield), rozdělená

na levou a pravou polovinu. Každá polovina měla rozlišení 20 pixelů,

přičemž pravá polovina mohla být buď opakováním, nebo zrcadlovým

obrazem levé poloviny. Plocha používala tři osmibitové registry, v nichž

byla bitová maska, která určovala, jestli se na daném místě zobrazí barva

pozadí, nebo barva herní plochy.

Na řádku se mohly objevit následující objekty: Hráč 0, Hráč 1, Střela 0,

Střela 1 a Míč (Player, Missile, Ball). Střely jsou prosté horizontální čárky

a programátor zadává jen jejich pozici na řádku a šířku (1, 2, 4 nebo 8

bodů). Míč (ball) má vlastnosti podobné jako střela, ale může být posunutý

o jeden TV řádek vertikálně.

Hráči byly komplexnější objekty: mohli jste zadat osmibitovou bodovou

masku a mohli jste zapnout různé módy opakování (dvakrát vedle sebe,

třikrát, dvojnásobná šířka bodů apod.)

Všechny tyto objekty měly přiřazenou barvu a svou pozici na řádku (Atari

2600 pracovalo s horizontálním rozlišením 160 bodů). Programátor tedy

nastavil výše uvedené hodnoty do obvodu TIA, a obvod vygeneroval jeden

řádek (tedy dva televizní). Programátor mezitím připravil nové hodnoty

a jelo se znovu.

Vypadá to velmi komplikovaně, a při prvních experimentech to asi

komplikované bude, ale dá se na to zvyknout. Obvod TIA navíc informoval

programátora o tom, jestli na daném řádku došlo ke kolizi mezi

jednotlivými objekty, třeba mezi hráčem a střelou, mezi hráči navzájem,

mezi hráči a míčem, mezi míčem a střelou atd., předával informace o tom,

jak jsou nastavené ovladače, a zároveň generoval zvuk.

Velká výhoda tohoto přístupu byla, že programátorovi stačilo nastavit pro

každý řádek jen několik málo údajů. Nevýhoda byla, že musel řešit, který

řádek se právě vykresluje a jaké údaje má tedy poslat, a to celé musel

stihnout v poměrně malém čase. Ale pro Atari 2600 vznikly tisíce her, takže

to zcela zjevně šlo. Navíc v základním nastavení měl programátor

k dispozici pouhých 128 bajtů RAM…

Konkrétní implementaci nechám na vás. Vždyť – je to vaše konzola! Vy ji

budete programovat! Můžete se inspirovat mým řešením, je na GitHubu, ale

budu rád, když vymyslíte lepší.

Asi jsem to ještě nezmínil, ale všechny konstrukce v této knize jsou

k dispozici pod svobodnými licencemi typu MIT (software), CC (texty)

nebo CERN OHL (hardware). To znamená, že i hardware můžete

libovolně používat, přepracovat, vylepšovat a dále šířit dle vlastního

uvážení, pokud uvedete autora. Nikdo vás nenutí, abyste své úpravy

zveřejňovali, ale pokud to uděláte, budu velmi rád.

Přihodím proto jen pár námětů na vylepšení.

Můžete použít barevný displej – za příznivé ceny lze sehnat barevný displej

128x128 bodů, který se připojuje přes zjednodušené rozhraní SPI.

Budete pravděpodobně chtít i víc operační paměti. Můžete sáhnout třeba po

sériových RAM, anebo po větším procesoru, jako je už zmíněný BluePill

s procesorem STM32F103C8. Překlad knihoven i připojení periferií je bez

problémů a získáte tím velmi rychlý (72 MHz) procesor s 20 kB RAM.

12 Omen Delta (koncepce)

12.1 Spojení starého a nového

Na rovinu přiznávám, že u Delty jsem se inspiroval zapojením uživatele

„Just4Fun“ či „SuperFabius“, které zveřejnil na serveru Hackaday:

https://8bt.cz/z80

Jeho zapojení tvoří čtyři integrované obvody: Procesor Zilog Z80, paměť

RAM 128 kB (ale využívá se jen polovina), mikrokontrolér Atmel AVR

ATMega32 a obvod 7400, jehož nejdůležitější funkcí je správně zastavit

procesor, když se pokouší přistupovat k periferii.

Samozřejmě že by šlo postavit klon Alphy, jen s procesorem Z80, a vše by

fungovalo. Na výše odkazovaném zapojení mě zaujalo právě to, že se na

něm snadno demonstruje práce více procesorů v jednom systému.

12.2 Jak to funguje?

V systému jsou dva procesory a jedna paměť RAM, která zabírá celý

prostor. Paměť ROM chybí, respektive není potřeba. Procesor Z80 je ten,

který vykonává vlastní program, a ATMega je v roli koprocesoru, ovšem

tento koprocesor má v systému větší „váhu“.

Může to vypadat zvláštně, ale zas tak překvapivé to není. Bývalo téměř

pravidlem, že například videoprocesor měl při přístupu k paměti přednost

a procesor čekal. Je to logické: videoprocesor nepočká, musí posílat

obrazová data na výstup stále, a kdyby neměl přednost, obraz by se

rozsypal. U ZX Spectra tak obvod ULA, který mj. generoval právě obraz,

měl při přístupu k paměti prioritu, a pokud náhodou procesor v tu chvíli

přistupoval ke stejné oblasti v paměti, ULA ho prostě pozastavila.

ATMega proto řídí skoro vše, co se s procesorem Z80 děje. Generuje pro

něj hodinové pulsy, řídí jeho chod (tj. zastavuje a odpojuje od sběrnice), na

začátku práce nahraje do paměti potřebné programy a v průběhu práce

funguje jako univerzální vstupně-výstupní zařízení.

Tím se dostáváme k funkci obvodu 7400. Jeho jedna polovina (dvě hradla)

budí LED, které signalizují stavy WAIT a DMA. Druhá polovina slouží

jako klopný obvod RS, jehož funkce je následující:

Pokud procesor Z80 hodlá přistupovat k periferiím (aktivuje signál IORQ),

klopný obvod se přepne a rovnou procesor uvede do stavu WAIT. To

znamená, že procesor nechá na adresové sběrnici vystavenou adresu,

popřípadě data na datové sběrnici při zápisu. Zároveň se tím pošle signál do

ATMegy, která má nyní čas zjistit, co vlastně procesor chce (datová

i adresová sběrnice Z80 je přivedena na její vývody) a buď načíst data

z datové sběrnice, nebo naopak požadované vystavit. Když je hotovo,

ATMega pošle signál BUSRQ, vynuluje klopný obvod (čímž zruší stav

WAIT), počká na načtení dat procesorem Z80, pokud šlo o operaci čtení,

pak se od sběrnice opět odpojí, aby nerušila, a nakonec zruší stav DMA

(BUSRQ).

Mezikrok s požadavkem na sběrnici BUSRQ využívá toho faktu, že

zatímco signál WAIT drží procesor uprostřed instrukce tak, aby na sběrnici

byla požadovaná data, tak do stavu DMA (Bus Request) se vstupuje až na

konci celého instrukčního cyklu, to znamená poté, co jsou data přenesena.

Tímto trikem se tedy docílí toho, že procesor Z80 přenese data a zastaví se.

ATMega se pak bezpečně odpojí od sběrnice a nechá Z80 pokračovat.

Boot, tedy úvodní zavedení programu pro Z80, probíhá dvoufázově.

V první fázi začíná ATMega, která odpojí Z80 od sběrnice a nahraje krátký

zaváděcí program do paměti. Pak povolí Z80 práci a resetuje ho. Procesor

Z80 začne provádět tento kód, který načítá vlastní programové vybavení

z paměti FLASH v ATMega pomocí vstupně-výstupních operací,

popsaných výše. Tím se nahraje vlastní firmware do paměti. Zároveň je to

odpověď na otázku „jak to, že to funguje bez ROM?“ (Samozřejmě je

riziko, že si programem přepíšete část firmware a celý systém zhavaruje.)

Pojďme se teď podrobněji podívat na procesor Z80, ale než tak učiním,

dovolte jednu autorskou vsuvku.

12.3 Autorská vsuvka

Samozřejmě že bych vám nejradši prozradil úplně všechno, co mě kolem

osmibitů napadá. Rád bych vám ukázal všechny možné procesory

a vysvětlil vám, jak si takový vlastní procesor zkonstruujete, a to nejen

teoreticky, ale i prakticky! Jenže pak by tato kniha měla skoro dvojnásobný

rozsah, proto si něco budu muset nechat do pokračování. Vydavatel slíbil,

že drobné pikantérie dokáže vydat v nějakém menším nákladu pro zájemce,

tak mi to připadá jako vhodnější řešení než zbytečně prodražovat tuto

knihu.

Bohužel to s sebou přineslo nutnost rozhodnout, které konstrukce zůstanou

v této knize a které se přesunou do pokračování. Stejně tak rozhodnout,

který procesor zůstane a který bude muset počkat.

Když jsem se o této knize zmiňoval lidem, všichni měli za

nezpochybnitelné a ložené, že v knize bude velká část věnována procesoru

Z80. Proč? No přeci – to je jasný! Byl ve Spectrech, v Amstradu, ve Sharpu

i Sordu, v MSX i v počítačích s CP/M, spousta lidí ho tu zná, je

kompatibilní s procesorem 8080, existuje pro něj spousta materiálů, třeba

Bity do bytu nebo různé klubové materiály, v knížkách je zmiňován, takže

vlastně je jasné, že tu být musí.

Když jsem nad tím přemýšlel hlouběji, musel jsem dát lidem zapravdu.

Ano, v různých knihách o mikroprocesorech, co tu vyšly, je procesor Z80

popisován, měl seriál v Amatérském rádiu, klubové zpravodaje ho

popisovaly zleva zprava, existuje velké množství konstrukcí… Ale není to

spíš argument pro to, že tu být nutně nemusí?

A tak, s plným vědomím, že jsem právě naštval spoustu čtenářů, říkám:

Místo opakování toho, co napsali o procesoru Z80 jiní, jinde, mnohokrát

a různými způsoby, jsem se rozhodl, že Z80 věnuju jen obecnou

přehledovou kapitolu a zájemce o podrobnosti odkážu na výše zmíněné

pokračování. Namísto toho si popíšeme jiný procesor, který u nás není tak

moc rozšířený, používaný a dokumentovaný, ale je to určitě škoda.

Do dodatků se tím dostává i OMEN Delta…

12.4 Architektura procesoru Zilog Z80

Z80 je mikroprocesor, který výrazně vylepšoval koncept 8080, ale zároveň

udržel kompatibilitu. Můžete vzít přeložený program pro 8080, a nejspíš

vám bude fungovat i na Z80 (výjimkou jsou programy, které počítaly s tím,

že instrukce trvají nějaký přesný počet cyklů – na Z80 jsou většinou

rychlejší). Procesor Z80 nepotřebuje podpůrné obvody a na rozdíl od 8080

si vystačí s jedním napájecím napětím (procesor 8080 potřeboval +5, +12

a -5 voltů, navíc zapínané v určitém pořadí).

Z programátorského hlediska vycházel Z80 přímo z 8080, ale rozšiřuje jeho

možnosti o mnoho instrukcí, včetně posunů či blokových přenosů dat,

přidává druhou sadu registrů, možnost využít indexování pomocí

speciálních registrů IX, IY, navíc integruje i obvody, které usnadňují

připojení dynamických pamětí.

Obrázek 45: Registry Z80

Sada registrů je podobná 8080 či 8085. Druhá, stínová sada registrů (na

obrázku šedé, označovaly se zápisem s apostrofem) nebyla přístupná přímo,

ale pomocí určitých instrukcí šlo obě sady „přehodit“ a pracovat

s alternativní.

Kromě indexových registrů IX a IY přibyl registr R, který slouží k výše

zmíněnému obnovování dynamických pamětí, a registr I, v němž je uložena

vyšší polovina adresy vektorů přerušení (pouze ve speciálním přerušovacím

módu IM2).

Z80 dále vylepšuje například subsystém přerušení, vystačí si s jedním

prostým hodinovým signálem, navíc může fungovat na vyšší frekvenci než

8080A – a vůbec s ním byla radost pracovat. Procesor Z80 se tak stal

základem mnoha počítačů té doby, od známých Sinclairových počítačů ZX

až po poloprůmyslové počítače se systémem CP/M. V Československu byl

méně rozšířený než 8080, to proto, že klon Z80 se začal vyrábět až později

v tehdejším NDR (pod označením U880D / UB880D), zatímco klon 8080

vyráběla přímo TESLA.

Všimněte si, že základ zůstává stejný: osmibitová datová sběrnice,

šestnáctibitová adresová… Další vývody řídí sběrnici a tok dat.

Na co měl 8080 signály /MEMR, /MEMW, /IOR a /IOW, na to má Z80

signály /MREQ, /IORQ, /RD a /WR (Memory Request, IO Request, Read,

Write) a vždy kombinace dvou signálů určuje, jaká operace probíhá.

Rozdíly popisuje následující tabulka, která ukazuje, jaké signály jsou

aktivní pro jakou činnost:

Činnost 8080 Z80

Čtení z paměti /MEMR /MREQ + /RD

Zápis do paměti /MEMW /MREQ + /WR

Čtení z periferie /IOR /IORQ + /RD

Zápis do periferie /IOW /IORQ + /WR

/WAIT

Obdoba signálu READY, ale u Z80 se jmenuje /WAIT. Pokud je v logické 0

poté, co se procesor pokouší přistoupit k paměti nebo periferii, zastaví se,

udržuje informace na datové sběrnici a čeká, až periferie potvrdí, že stihla

data zpracovat a vrátí signál /WAIT zpět do logické 1. Procesor nijak

nepotvrzuje, že čeká.

DMA

U procesoru Z80 žádá okolí o odpojení od sběrnice pomocí signálu

/BUSRQ (Bus Request), procesor jej potvrzuje signálem /BUSACK (Bus

Acknowledge)

Halt

V procesoru Z80 existuje (stejně jako u 8080) instrukce HALT. Jakmile ji

procesor vykoná, dostává se do čekacího stavu, v němž stále dokola

vykonává prázdnou instrukci NOP (No OPeration). Z tohoto stavu jej

vyvede až RESET nebo přerušení. K čemu to je dobré? Většinou se tato

instrukce používala k čekání na nějaké vnější přerušení, až některá

z periferií dokončí svou práci. To, že je Z80 ve stavu HALT, dává najevo

výstupním signálem, který se, nepřekvapivě, jmenuje /HALT.

/M1

Tento výstup spolu se signálem /MREQ oznamuje, že procesor právě teď

čte z paměti operační kód instrukce – probíhá cyklus FETCH. (Pokud je

tento signál aktivní s /IORQ, znamená to, že očekává přerušovací vektor,

viz dál.)

/RFSH

Poté, co procesor vyzvedne z paměti operační kód instrukce, začne ji

dekódovat. V tu dobu nepotřebuje přistupovat k vnějším zařízením, tak

návrháři Z80 přišli s nápadem, že během této doby pomohou občerstvovat

dynamické paměti. Dynamické paměti, připomeňme si, potřebují poměrně

často obnovovat informace, které jsou v nich uložené. Obnovení probíhá

tak, že se „naprázdno“ přečte jeden řádek informace. Pokud není určitý

řádek přečten po delší dobu, informace se poškodí – a „delší doba“ jsou

třeba jednotky milisekund (u oblíbeného obvodu 4116 to byly dvě

milisekundy). Proto procesor obsahuje speciální osmibitový registr R

(Refresh), jehož hodnota se každým instrukčním cyklem zvyšuje o 1.

Nejvyšší bit se nikdy nemění, takže efektivně čítá hodnoty 0-127 (resp.

128 – 255). Ale to nevadilo, protože většina dynamických pamětí v té době

měla sedmibitové adresy řádků. Po cyklu M1 tedy procesor pošle na

adresovou sběrnici sedm bitů z registru R a aktivuje signál /RFSH.

Přerušení

Procesor Z80 má dva různé typy přerušení – maskovatelné

a nemaskovatelné. Maskovatelné přerušení odpovídá tomu, co známe

z procesoru 8080, ovšem v procesoru Z80 máme k dispozici tři módy, které

může programátor přepnout speciální instrukcí. V módu 0 je funkce totožná

s procesorem 8080. V módu 1 je funkce zjednodušená: přerušení vždy

vyvolá skok na adresu 0038h. V módu 2 se po přerušení čte z datové

sběrnice takzvaný „přerušovací vektor“, což je obecně osmibitová hodnota.

Uvnitř procesoru se tato hodnota použije jako dolní polovina adresy. Horní

polovina se vezme z registru I (ten předtím nastaví programátor). Tím se

získá adresa v paměti, z níž se postupně přečtou dva bajty (z buňky na této

adrese a z buňky na adrese o 1 vyšší). A tyto dva bajty udávají adresu, na

které se nachází přerušovací rutina. Tento mód je tedy nejflexibilnější, ale

také nejnáročnější.

Každopádně maskované přerušení může programátor zakázat –

„zamaskovat“ – pomocí speciální instrukce DI (Disable Interrupt). Tato

instrukce nastaví vnitřní příznak v procesoru. Vstup /IRQ (Interrupt

Request) je tímto příznakem „maskován“ – pokud je přerušení zakázáno,

signál se nedostane dál a požadavek je ignorován. „Odmaskovat“ přerušení

lze instrukcí EI (Enable Interrupt).

Kromě maskovaného přerušení /IRQ existuje i signál nemaskovaného

přerušení /NMI (Non Maskable interrupt). Tento signál vždy vyvolá

přerušení, a donutí procesor odskočit na adresu 0066h.

 http://www.ecstaticlyrics.com/electronics/Z80/system\_design/

 https://hackaday.io/project/7354-zaviour-board-avrz80-hybrid

12.5 Assembler Z80 ve zkratce (a se zvláštním přihlédnutím

k instrukcím 8080)

O programování v assembleru Z80 vyšlo v češtině velké množství

publikací, proto jsem dospěl k názoru, že není potřeba zacházet do velkých

podrobností a zájemce odkázat například na knihu Ladislava Zajíčka „Bity

do bytu“ nebo na publikaci „Assembler a ZX Spectrum“ od Tomáše Vilíma

(známého pod značkou Universum).

Už jsem psal, že Z80 je zpětně binárně kompatibilní s procesorem 8080. To

znamená, že například instrukce s kódem CDh představuje skok do

podprogramu a instrukce s kódem 7Eh přenese do akumulátoru (registru A)

hodnotu z paměti. Rozdíl je ale v pojmenování většiny instrukcí.

Důvod je prý obchodní: Intel tvrdil, že mnemotechnické názvy instrukcí

procesoru 8080 jsou jeho autorským dílem a nikdo jiný je nesmí použít,

takže v Zilogu zvolili nejjednodušší způsob, totiž nechali instrukce stejné

a dali jim jiná pojmenování.

První zásadní rozdíl je, že dvojice registrů se neoznačují jménem vyššího,

jako u 8080 (třeba v instrukci PUSH B), ale oběma písmeny – BC, DE, HL

(Z80: PUSH BC).

Druhý rozdíl je v tom, že se začaly používat závorky okolo operandů všude

tam, kde se odkazuje na paměť. S tímto pravidlem také přišlo to, že místo

lehce mystického registru M se v assembleru Z80 objevuje zápis (HL).

A konečně třetí, největší rozdíl: snad všechny instrukce, které odněkud

někam přesouvají data, se jmenují „LD“ (ze slova „load“).

8080 Z80 Význam

MOV A,B LD A,B A <- B

MOV A,M LD A,(HL) A <- paměť (HL)

MVI A,55h LD A, 55h A <- 55h

LDA 1234h LD A, (1234h) A <- paměť (1234h)

STA 1234h LD (1234h), A paměť(1234h) <- A

LXI H,1234h LD HL, 1234h HL <- 1234

LDAX B LD A, (BC) A <- paměť (BC)

Na jednu stranu se tím syntax zjednodušila a zpřehlednila, na druhou stranu

je potřeba si pamatovat, jaké kombinace operandů lze použít a jaké ne.

Podobně byly například sjednoceny aritmetické instrukce – sčítání je vždy

ADD (nebo ADC), ať se sčítají registry (ADD A,B), přičítá konstanta

(ADD A,23h) nebo sčítají dvojice registrů (ADD HL, DE).

Z80 používá 252 operačních kódů pro běžné instrukce a čtyři kódy jako

takzvané prefixy. Kódy, které mají u 8080 definovanou funkci, zůstaly

zachovány. Volná místa mezi nimi zaplnily například instrukce relativních

skoků JR (které dokážou skočit v rozsahu -128 až +127 byte od aktuální

adresy), instrukce DJNZ, která sníží hodnotu v registru B o 1 a pokud je

nenulová, udělá relativní skok, podobně jako instrukce JR, instrukce EX

AF,AF‘, která prohazuje zmíněnou dvojici registrů za její „stínovou“

variantu apod.

Kódy DDh a FDh slouží k adresování pomocí indexových registrů IX a IY.

Většinou tak, že nahrazuje adresování pomocí registrů HL hodnotou z IX

(IY), k níž je připočítán posun (osmibitové číslo se znaménkem). Například

instrukce 7Eh je LD A,(HL) – u 8080 se jmenuje MOV A,M. Pokud ale

zapíšeme před tuto instrukci prefix DDh, tj. DDh 7Eh, stane se z ní

instrukce LD A,(IX+d). Hodnota „d“ (displacement) je výše zmíněný posun

a je uložena ve třetím bajtu instrukce. Kompletní znění je tedy např. DDh

7Eh 12h, mnemotechnické vyjádření „LD A,(IX+12h)“ a význam je „vezmi

hodnotu z registru IX, přičti 12h a výsledek ti dá adresu. Hodnotu z této

adresy zkopíruj do registru A“.

Takto šlo „oprefixovat“ instrukce, které využívaly dvojregistr HL. Co se

stane, když tento prefix dáte před instrukci, která pracuje jen s registrem H

nebo L? Zilog o nich mlčí, v datasheetu jsou na místě těchto instrukcí

prázdná místa, ale poměrně rychle se ukázalo, že tyto instrukce dokáží

pracovat s registry IX a IY po polovinách (IXH, IXL, IYH, IYL)

Další prefix, CBh, přinášel řadu rotací, posunů a bitových operací. Rotace

byly už u 8080, u Z80 můžete rotovat libovolným osmibitovým registrem,

včetně (HL), tedy obsahem paměti. Existují i duplikáty instrukcí pro registr

A, které nastavují jinak příznaky.

Posuny u 8080 nebyly – jsou to instrukce, které se chovají podobně jako

rotace, jen přetékající bit se nevrací zpátky. Prázdné místo je buď zaplněno

nulou (SLA, SRL), nebo kopií nejvyššího bitu (SRA). Existuje

i nedokumentovaná instrukce SLL (SLIA), která posouvá obsah registru

doleva a doplňuje v nejnižším bitu jedničkou.

Bitové operace představuje sada instrukcí bit, set a res, například BIT 4,H

nebo SET 6,(HL). Instrukce SET nastavuje konkrétní bit na 1, instrukce

RES daný bit nuluje a instrukce BIT přenáší jeho hodnotu do příznaku Z.

Poslední prefix EDh přináší jen pár instrukcí, zato velmi zajímavých.

Například šestnáctibitové přenosy, jako LD (1234h), BC. Zde jsou

i speciální instrukce pro návrat z přerušení, nastavování přerušovacích

módů, instrukce přístupu k periferiím – tedy jako IN a OUT u 8080, ale

u Z80 můžete adresovat pomocí registru C a vysílat a číst libovolný

osmibitový registr. Po pravdě to není tak úplně přesné, protože např. při

instrukci OUT (C),H se na adresovou sběrnici neposílá jen obsah registru C,

ale kompletní obsah registrů BC. Proto lze u Z80 použít pro periferie

šestnáctibitový adresovatelný prostor.

Kromě těchto instrukcí jsou zde i instrukce blokového přesunu, blokového

porovnání, blokového vstupu a blokového výstupu. Jedná se o poměrně

komplexní instrukce, které používají většinu obecných registrů. Posuďte

sami:

Instrukce LDI udělá následující:

1. Přečte jeden byte z paměti na adrese (HL)

2. Zapíše tento byte do paměti na adresu (DE)

3. Zvýší HL o 1

4. Zvýší DE o 1

5. Sníží BC o 1

Její varianta s opakováním, instrukce LDIR, opakuje tyto kroky, dokud není

BC rovno nule. Varianty LDD, LDDR fungují stejně, jen s tím rozdílem, že

se adresy v DE a HL nezvyšují, ale snižují o 1.

Další sada instrukcí funguje jako sofistikovanější varianta instrukcí OUT

a IN. Například OUTI vezme obsah z (HL), pošle ho na port, jehož adresa

je v registru C, zvýší HL o 1 a sníží B o 1. O krok dál je instrukce OTIR,

která opakuje OUTI, dokud je B nenulové.

K OUTI existuje dekrementační varianta OUTD, která adresu v HL snižuje

o 1. OTDR opakuje OUTD, dokud je B nenulové.

Analogicky k této čtveřici existují instrukce INI, INIR, IND a INDR.

Poslední sada blokových operací slouží k hledání hodnoty v bloku paměti.

Instrukce CPI provede následující kroky:

1. CP (HL) – porovná hodnotu v registru A s hodnotou v (HL)

2. INC HL

3. DEC BC

V příznaku Z je 1, pokud se hodnota v A shodovala s obsahem paměti na

adrese HL (před zvýšením).

Instrukce CPIR provádí CPI, dokud je BC nenulové, nebo pokud nenajde

buňku, v níž je stejný obsah jako v registru A (Z=1).

CPD a CPDR jsou opět varianty, které postupují směrem k nižším adresám,

tedy v každém kroku hodnotu v HL snižují.

Pokud jste přešli z procesoru 8080 k Z80, otevřel se před vámi naprosto

úžasný svět! Těch možností, taková krása… Pamatuju se, že mě úplně

uchvátily blokové operace. Až později jsem si uvědomil, že jsou vlastně

velmi pomalé, a naučil se spoustu triků, jak přenášet obsah paměti

mnohem rychleji. Ale i tak je Z80 velmi výkonný a komplexní

mikroprocesor s pokročilými možnostmi.

13 Intermezzo obrazové

Pokud jste v osmdesátých letech měli domácí počítač, měli jste ho

pravděpodobně připojený k televizi, která sloužila jako monitor. U nás to

pravděpodobně byla černobílá televize, u barevné hrálo roli ještě to, jestli

pracovala jen v normě SECAM, nebo jestli uměla i „západní“ normu PAL.

Počítač se staral o to, aby vytvořil obraz v takové podobě, kterou dokázala

televize zpracovat. Což nebylo úplně jednoduché. Považte sami:

Počítač míval většinou vyhrazenou oblast paměti pro informace o obraze,

takzvanou video RAM. Z obsahu paměti v této oblasti generoval černobílý

nebo barevný signál, a to tak, že posílal obraz po jednotlivých

mikrořádcích. Takto vzniklý surový videosignál jste mohli připojit k televizi

s přímým video vstupem – ale takové moc nebývaly, takže většina počítačů

té doby měla zabudovaný ještě takzvaný modulátor. Modulátor

z videosignálu udělal namodulováním na vysokofrekvenční signál

ekvivalent toho, co přijímač chytal z antény. Anténním kabelem se tento

signál přenesl do anténního vstupu televize, která si z něj opět

demodulovala původní videosignál, a ten zobrazila. Kvalita samozřejmě tím

modulačním mezikrokem utrpěla, proto se šířily návody, jak modulátor

v počítači obejít a jak v televizi najít vstup, kam lze připojit přímo

videosignál.

13.1 Černobílý videosignál PAL/SECAM

Samotný signál je vlastně velmi jednoduchý (pokud je řeč o černobílém

obrazu), ale chce to trošku pozornosti.

Obraz se rozkládá na jednotlivé body v mřížce. Počty řádků se liší podle

normy, v normě PAL to je 312,5 řádku. Videosignál se přenáší postupně po

jednotlivých řádcích zleva doprava, od nejvyššího řádku k nejnižšímu.

Přenos každého řádku začíná zatemněním – signálem „černá barva“ (front

porch) a horizontálním synchronizačním pulsem, díky němuž se obvody

připraví na vykreslování jednoho řádku. Po synchronizačním pulsu

následuje chvíli signál „černá barva“ (back porch) a pak následuje přenos

samotných obrazových dat (velmi jednoduše kódováno: čím vyšší napětí,

tím vyšší jas). Tím končí přenos jednoho řádku.

Přenos celého snímku vypadá podobně – nejprve je posláno zatemnění, pak

vertikální synchronizační puls (v podobě dlouhých synchronizačních

pulsů), pak přijde opět zatemnění a následují obrazová data.

U analogových televizí s vakuovými obrazovkami a vychylovacími cívkami

zabralo přesunutí paprsku z jednoho konce obrazovky zpátky na začátek

nějaký čas. Během tohoto přesunu muselo být takzvané elektronové dělo

vypnuté, aby nezanechávalo na stínítku stopu, proto se posílala černá barva,

respektive úroveň ještě o kousek menší, než má černá. Dnes u plochých

obrazovek LCD, LED a podobných už žádný paprsek ani vychylovací cívky

nejsou, ale přesto je dobré na termín „návrat paprsku“ nezapomenout.

Ve skutečnosti se to celé zobrazí lehce posunuté – front porch je vlastně

ještě „konec předchozího řádku“ (na obrazovce vpravo), synchronizační

puls je na začátku řádku a back porch vidíte vlevo.

Tohle všechno proběhne padesátkrát za sekundu v Evropě, kde máme

normu PAL; ve Spojených státech a dalších zemích, kde se používala norma

NTSC, byla obnovovací frekvence 60 Hz (u černobílého vysílání, později

u barevného byla frekvence změněna na 59,94 Hz). Aby to nebylo tak

jednoduché, tak se při televizním vysílání používalo takzvané prokládání

(interlacing) – skutečná frekvence obrázků byla 25 za sekundu s tím, že se

poslal jeden půlsnímek, a druhý byl o půl řádku posunutý. Tím se

zdvojnásobilo vertikální rozlišení na 625 řádků, ovšem přinášelo to

problémy, lehký třas obrazu, rozmazání hran atd. Při sledování

budovatelské veselohry ze života družstevníků to moc nevadilo, ale

u připojení k počítači je to velký problém, protože roztřesená a rozpitá

písmenka unavují oči.

U domácích počítačů se proto prokládání nepoužívalo a posílaly se

půlsnímky bez posunutí, takže maximální rozlišení bylo na výšku 312

řádků. Ovšem nepoužívaly se všechny, některé jsou určené pro

synchronizaci a na začátku a na konci se nechávalo několik řádků volných,

aby nebyl obraz až úplně na kraji obrazovky. (U počítačů pro americký

a japonský trh to bylo samozřejmě jinak, používalo se 525 řádků

prokládaných s obrazovou obnovovací frekvencí 30 Hz.)

Samotný videosignál je jednoduchý analogový signál v rozmezí 0 V až

1,073 V. Synchronizační puls má 0 voltů, černé barvě odpovídá 0,339 V,

bílá je 1 V.

Některá videorozhraní, například VGA, oddělují synchronizační pulsy do

samostatného signálového vedení. Je to kvůli kvalitnějšímu obrazu

Nejdůležitější parametr je čas. Televize, zejména ty staré, jsou docela

robustní zařízení, zvyklé poradit si s lecčíms, takže vše, co plus mínus

vyhoví normě, nějak zobrazí. Paradoxně může být problém s novými

televizemi – nadšenci do starých počítačů vědí, že některé staré počítače,

které fungují se starými televizemi bez problémů, po připojení k novým

LCD televizím nefungují a na obrazovce je vidět jen NO SIGNAL – to

proto, že generují video mimo toleranci a moderní obvody si s tím už

neporadí, respektive nechtějí.

V dalším textu budu primárně používat časování pro evropskou normu

PAL. NTSC má princip obdobný, jen časy jsou jiné.

Každý televizní řádek trvá 64 µs. Úvodní zatmění (front porch) má mít 1,65

µs, synchronizační puls 4,7 µs, back porch 5,7 µs a na samotné aktivní

video zbývá 51,95 µs. Norma předpokládá nějakou toleranci, televize

obvykle jdou ještě dál a v praxi se ukazuje, že je dostatečné posílat 4 µs

synchronizaci, 8 µs back porch a 52 µs video signál.

64 µs na řádek odpovídá řádkové frekvenci 15625 Hz. Když tuto frekvenci

podělíme počtem řádků (312,5), získáme 50 Hz obrazové frekvence – takže

to hezky vychází…

Vertikální synchronizace jsou vlastně jen řádky bez obrazové informace,

pouze se střídá zatemnění a horizontální synchronizace. Nejprve jde 6

půlřádků (32 µs) s krátkou synchronizací – 2 µs synchronizační puls, 30 µs

černá, 2 µs synchronizační puls, 30 µs černá. Pak jde pět půlřádků

s dlouhou synchronizací – 30 µs synchronizační puls, 2 µs černá. Pak pět

půlřádků s krátkou synchronizací. U dlouhých půlřádků by měl být paprsek

„vlevo nahoře“.

Obrázek 46: časování signálu PAL

Při generování videosignálu v počítači se zjednodušuje, nerozlišují se liché

a sudé půlsnímky a generuje se 312 řádků.

Když budeme předpokládat displej s 240 řádky, musíme vše nastavit tak,

aby šel vertikální synchronizační puls (5 dlouhých + 5 krátkých půlřádků),

pak X černých řádků, pak 240 řádků videa, Y černých řádků a po nich 6

půlřádků synchronizace. Na synchronizaci tedy připadá úhrnem 8 řádků,

zbývá 304 řádků pro užitečná data. 240 z toho jsou video, zbývá 64 černých

řádků (respektive řádků okraje, border). Součet X a Y proto musí být roven

64, aby byl celkový počet 312. Obvykle se nastavuje X=Y, tedy stejný počet

před obrázkem a za obrázkem, a posunutím těchto konstant můžeme

posunout obraz na stínítku výš či níž.

Počet bodů na řádku je dán pouze tím, jak rychle jsme schopni změnit

signál během 52 µs. Tedy vlastně jakou maximální frekvenci dokážeme

vygenerovat. Když dokážeme změnit signál každé 2 µs, získáme

horizontální rozlišení 26 bodů. Což není mnoho. S frekvencí 1 MHz, tedy

změnou každých 0,5 µs, získáme teoretické rozlišení 104 bodů. Když

přitlačíme na 0,2 µs, což je 2,5 MHz, získáme 260 bodů horizontálně…

A teď počítejme: OMEN Alpha běží na frekvenci 1,8432 MHz. Nejkratší

instrukce NOP trvá něco málo přes 2 µs. To nedáme ani náhodou! Jak to

tedy dělaly ty počítače dřív?

No, neměly to lehké. Video musel zajišťovat samostatný obvod, který běžel

na vyšší frekvenci a staral se o všechny ty synchronizace, o načítání dat

z paměti a jejich posílání na video výstup. U těch lepších strojů na to byly

samostatné procesory a koprocesory s vlastní pamětí, československé

počítače té doby používaly divoké zapojení čítačů, multiplexorů

a posuvných registrů, a některé stroje, namátkou ZX-80 a ZX-81, používaly

ke generování videosignálu speciální zapojení, v němž hrál svou roli

i procesor, který tak v době, kdy se zobrazoval obraz, nedělal nic, a veškeré

výpočty a běh programů musel stihnout v době, kdy se nezobrazovalo nic

a „vracel se paprsek“. Tedy během těch osmi synchronizačních řádků. Což

není moc, to je nějakých 2,5 % času.

Ani takové ZX Spectrum na tom nebylo o moc lépe. Sice mělo vyspělejší

obvod ULA, který dokázal generovat i barevný obraz, a mělo dvě sady

pamětí RAM (16 kB + 32 kB), ale pokud běžel program někde na adresách

4000h – 7FFFh, přetahoval se procesor o přístup do pamětí s obvodem

ULA, a ta měla prioritu, takže procesor byl na krátké okamžiky

pozastavován a program tak běžel o něco pomaleji.

http://digitarworld.uw.hu/z80_video.png

13.2 Arduino a video

Proč Arduino? Protože je o něco rychlejší – pracuje na 16 MHz, ale

procesory AVR zvládnou i 20 MHz. Navíc mají i zabudovanou periferii pro

řízení sériové sběrnice SPI, z níž lze využít „serializátor“ – tu část, která

převádí paralelní data na sériovou posloupnost bitů.

K zapojení budeme potřebovat dva výstupní piny. Jeden pro synchronizaci,

druhý pro barvu. Nějak takto:

Obrázek 47: nejjednodušší videovýstup

Na výstupu nebude „televizní signál“ jako z antény, ale videosignál.

Zobrazí vám ho televizor nebo monitor, který umí pracovat s takzvaným

„composite video“ signálem.

Hodnoty rezistorů jsou zvoleny tak, aby odpovídaly standardní řadě hodnot

a výsledek se co nejvíc blížil potřebným hodnotám. Na videovstup

v televizi můžeme pohlížet jako na další odpor 75 Ω a protože známe

i výstupní napětí na pinech mikrokontroléru (5 V), můžeme spočítat úroveň

napětí pomocí Ohmova zákona.

Isync= Uin / (Rsync+Rout) (5 / 1075 = 4,6511 mA)

Ivideo= Uin / (Rvideo+Rout) (5 / 545 = 9,1745 mA)

Usync= Isync* Rout ( = 0.34V)

Uvideo= Ivideo* Rout ( = 0.688V)

Uvideo+sync= (Ivideo+Isync) * Rout ( = 1.03V)

Vidíme tedy, že jsme získali sadu napětí, pomocí které můžeme pohodlně

vytvořit černobílý obraz (či černo-šedo-bílý).

VIDEO SYNC V Význam

0 0 0 Synchronizační puls

0 1 0.34 Černá

1 0 0.68 Šedá

1 1 1.03 Bílá

Po dobu generování HSYNC stačí stáhnout piny VIDEO a SYNC k log. 0.

Pak nastavíme SYNC na log. 1 a získáme na výstupu „téměř černou“.

Změnou hodnoty na výstupu VIDEO pak přepínáme černou a bílou.

Zapojení a knihovny naleznete na Arduino Playground pod názvem TVOut:

https://playground.arduino.cc/Main/TVout

Další odkazy ke studiu a vlastním experimentům jsou zde:

 NTSC displej z AVR:

https://hackaday.com/2013/03/27/color-ntsc-video-directly-from-an-avr-

chip/

 ATTiny s výstupem na VGA + zvuk:

http://www.avrfreaks.net/forum/quark-85-demo-kube-184-x-240-vga-8-

colors-and-sound-tiny85

 https://sites.google.com/site/retroelec/hardware

Pro vaše vlastní konstrukce si vám dovolím navrhnout zapojení, které

publikoval Grant Searle na svém webu.

http://searle.hostei.com/grant/MonitorKeyboard/index.html

Využívá dvojice mikrokontrolérů ATmega 88 (168, 328). Jeden obsluhuje

klávesnici standardu PS/2, druhý generuje monochromatický obraz včetně

jednoduché semigrafiky. K vlastnímu počítači se připojují přes sériové

rozhraní s rychlostí 115200 Bd. Výstup připojíte k televizoru, jako ve zlaté

éře domácích počítačů.

13.3 OMEN Echo (koncepce)

Velmi zajímavou konstrukci s názvem DAN64 navrhl Juan J. Martínez:

https://www.usebox.net/jjm/dan64/

Jeho konstrukce využívá procesoru AVR a sériové paměti RAM typu

23LC512 (šlo by použít i větší 23LC1024). Tyto paměti vyrábí Microchip

a nabízejí 64 kB, popř. 128 kB RAM s připojením SPI / DualSPI /

QuadSPI.

Autor velmi důvtipně využil faktu, že instrukce čtení z paměti dokáže

posílat obsah paměťových buněk po sobě, aniž by bylo potřeba opakovaně

zadávat adresu, z níž se má číst. Na začátku televizního mikrořádku proto

nastaví „čtení z paměti od zadané adresy“, pak přepojí sériový výstup

z paměti (MISO) na televizní výstup a posílá pouze hodinové pulsy. Paměť

automaticky posílá bit po bitu obsah paměti a po každé osmici bitů přejde

na další buňku… Na konci mikrořádku zase procesor připojí výstup paměti

ke svému rozhraní a může pokračovat v práci.

Uvnitř AVR běží časovač, který se stará o generování synchronizačních

pulsů a výše uvedený mechanismus generování obrazu. Když má procesor

„volno“, běží emulátor procesoru 6502 a může vykonávat program.

Já jsem konstrukci trochu upravil. Odstranil jsem nahrávání programů

pomocí audiovstupu a použil jsem větší procesor AVR, takový, kde je

možné využít volné piny i jako paralelní port.

Z počítače DAN64 jsem zachoval vstup z klávesnice PS/2. Výhoda je, že

nemusíte stavět vlastní, ale použijete standardní klávesnici k PC – ještě

stále se dají sehnat i nové.

Klávesnice PS/2

Klávesnice tohoto typu se připojují jednoduchým konektorem DIN, kde

kromě napájení (+5 V a zem) jsou dva signálové vodiče: hodiny a data.

Klávesnice komunikuje vlastně standardním synchronním sériovým

protokolem (osm bitů + paritní bit), ale přináší jednu záludnost: hodinový

takt pro přenos generuje sama klávesnice. Procesor je tedy v roli toho, kdo

musí zareagovat na signál, nemůže si přenos řídit sám. Používá se proto

takové zapojení, kde hodinový signál vyvolává přerušení a v obsluze tohoto

přerušení se načítají jednotlivé bity.

Klávesnice PS/2 většinou vysílá informace o tom, že byla nějaká klávesa

stisknuta a puštěna. Jsou ale situace, kdy je naopak ona v roli příjemce dat –

typicky když počítač potřebuje změnit stav signalizačních LED nebo když

je potřeba klávesnici resetovat. V takovém případě vyzve procesor

klávesnici k příjmu tím, že stáhne hodinový vstup k logické nule alespoň na

0,1 ms, pak uvede datový vodič do stavu 0 a uvolní hodiny. Na tuto výzvu

klávesnice zareaguje, začne generovat hodinové pulsy a procesor může

posílat data.

13.4 Barevný videosignál

Zatímco černobílý videosignál snadno vytvoříte pomocí jednočipu,

u barevného signálu je to velmi obtížné. Barevná informace se totiž přenáší

pomocí vysokofrekvenčního signálu, který je přidán k výše popsanému

jasovému signálu. V systému PAL je „barvonosná“ frekvence rovna

4,43361875 MHz a kóduje se nikoli jako RGB složky, ale jako rozdílové

signály modré a červené složky vůči jasu (U, V).

Ke generování barevného videosignálu se proto používají specializované

obvody, zvané RGB enkodéry, například AD724 nebo MC1377.

S dostatečně výkonným procesorem je možné samozřejmě generování

barevného signálu zvládnout, ale je to velmi náročné na přesné časování.

Rickard Gunée postavil videohru, která generuje barevný videosignál,

s mikrokontrolérem SX taktovaným na 50 MHz.

http://www.rickard.gunee.com/projects/video/sx/howto.php

Některé televizory s konektorem SCART dokázaly zpracovat přímo RGB

signály, ale podle mých testů je velká náhoda na takový televizor dnes

narazit.

Mnohem jednodušší, než generovat barevný signál PAL / NTSC, je

generování obrazu pro monitory VGA. Toto rozhraní používá dva oddělené

synchronizační signály a tři analogové vstupy pro jednotlivé barevné složky

R, G a B. Problém je, že VGA vyžaduje mnohem vyšší frekvence signálů

než PAL, a i když je možné takový signál vygenerovat mikrokontrolérem,

už nezbývá moc času na další činnosti.

Níže naleznete seznam zajímavých konstrukcí, které umožňují pracovat

s VGA – některé z nich fungují jako sériové terminály, takže není problém

je připojit k našim konstrukcím. Zajímavá konstrukce je „Octapentaveega“,

v níž autor použil tři jednočipy ATTiny85. Každý z nich generuje jednu

barevnou složku a všechny dohromady fungují jako sériovým portem řízený

barevný terminál.

 Displej k počítači z RasPi:

https://hackaday.io/project/9567-5-graphics-card-for-homebrew-z80

 VGA terminál se STM32 (ChibiTerm): https://hw-by-

design.blogspot.com/2018/07/low-cost-vga-terminal-module-project.html

 Arduino a VGA: https://github.com/smaffer/vgax

 Arduino VGAOut: https://code.google.com/archive/p/arduino-

vgaout/downloads

 ATMega VGA/PAL: http://tinyvga.com/avr-vga

 AVR VGA demo: https://github.com/leonsodhi/avr-vga-demo

 VGA s třemi ATtiny: https://github.com/rakettitiede/octapentaveega

 http://www.instructables.com/id/Arduino-Basic-PC-With-TV-Output/

14 OMEN Kilo

14.1 Architektura procesoru Motorola 6809

Vraťme se zase na chvíli do historie. Motorola po svém prvním komerčně úspěšném

procesoru 6800 samozřejmě neusnula na vavřínech a připravila několik variant téhož

procesoru (s integrovanou pamětí, s omezenější instrukční sadou atd.) Zároveň se ale

připravovala i na věci příští, a tak vyvíjela vhodného nástupce. Bylo jasné, že musí

vyvinout šestnáctibitový procesor, ale zároveň nechtěla opustit osmibitový trh, protože pro

osmibity bylo ještě mnoho let uplatnění. Proto začaly vznikat v laboratořích Motoroly dva

procesory naráz. Jedním z nich byl 68000 – šestnáctibitový procesor, který byl ale navržen

jako plně 32bitový s 16bitovou sběrnicí (model 68008 dokonce s osmibitovou – v té době

znamenalo rozšíření datové sběrnice na dvojnásobek neúnosné zdražení celého systému).

A druhým byl právě 6809.

V časopise Byte vyšel svého času článek od dvou návrhářů 6809, takže docela dobře víme,

proč byl procesor navržen právě tak, jak byl navržen. Dnes je to cenný historický materiál,

který popisuje tehdejší stav vývoje a mikroelektroniky. Pojďme se podívat na rozhodnutí,

která návrháři udělali.

V první řadě bylo jasné, že nelze zahodit kompatibilitu s existujícím software pro 6800.

Nakonec padlo rozhodnutí obětovat binární kompatibilitu (jako má třeba Z80 zpětně

s 8080), ale zachovat kompatibilitu na úrovni zdrojového kódu. Tedy tak, aby programy

v assembleru 6800 šly přeložit pro nový procesor ve funkčně ekvivalentní podobě.

Instrukce se tedy jmenovaly stejně, i když se překládaly na jiné operační kódy.

Další rozhodnutí mělo za úkol snížení nákladů. Proto bylo rozhodnuto, že návrháři recyklují

části, které se osvědčily v 6800 – například kombinační logiku pro dekódování instrukcí

(6809 nepoužíval mikrokód).

Vývojáři také podrobili existující zdrojové kódy pro procesor 6800 statické i dynamické

analýze, aby zjistili, co vlastně programátoři používají a jak.

Pro zajímavost – statická analýza, která nezohledňuje např. průběhy smyčkou a pouze

počítá výskyty instrukcí, ukázala, že instrukcí LOAD (tedy přesuny z paměti do registrů)

je v kódech 23,4 %, STORE (opačným směrem) 15,3 %, volání podprogramů a návratů je

13 procent, 11 procent tvoří podmíněné skoky atd., až ke třem procentům instrukcí sčítání

a odčítání. Bylo tedy zřejmé, co je třeba posílit, jaké instrukce jsou často používané

(a mají tedy zůstat jednobajtové) a jaké je možné přesunout mezi instrukce s prefixem…

Další analýza se zaměřila na instrukce, které adresují pomocí indexu. Nejčastěji (53 %

případů) byl index v rozmezí 1 – 31, ve 40 % případů byl index roven nule, 6 % případů

připadalo na index v rozmezí 64 – 255, no a poslední procento tvořily indexy v rozsahu

32 – 63. Tohle zjištění vedlo například k výraznému rozšíření adresních módů.

Vzhledem k tomu, jak časté byly instrukce INC a DEC ve spojení s adresováním, padlo

rozhodnutí přidat adresní mód, který dokáže automaticky zvyšovat a snižovat hodnotu

v indexovém registru.

No a v neposlední řadě se rozrostl počet registrů: K šestnáctibitovému indexovému registru

X přibyl druhý šestnáctibitový registr Y, k ukazateli zásobníku S přibyl ukazatel

uživatelského zásobníku U, návrháři přidali osmibitový registr DP (direct page) a přidali

možnost spojit registry A a B do jednoho šestnáctibitového registru D.

Obrázek 48: registry 6809

Registr DP souvisí s adresováním. Procesory Motorola mají totiž možnost odkazovat buď

plnou adresou (2 bajty), nebo zkrácenou, kdy adresu tvořil jen jeden bajt, ten nižší, a vyšší

je vždy 0. S tímto přístupem jsme se setkali i u procesoru 6502. U procesoru 6809 existuje

taky zkrácené adresování, ale vyšší bajt není automaticky 0, ale je roven právě obsahu

registru DP. Programátor tedy může „nultou stránku“ posunout kamkoli v paměti (resp.

nastavit vyšší bajt adresy). Místo „Zero page“ se takové adresování nazývá „direct page“.

Registr CC má stejnou funkci jako u Z80 registr F – je to registr příznaků (Condition Code).

Jeho bity jsou (od nejvyššího):

Bit Název Funkce

7 E Entire – při obsluze přerušení říká, zda je na zásobníku kompletní sada registrů, nebo jen PC a CC

6 F FIRQ mask: když je 1, je zakázáno přerušení FIRQ

5 H Half carry – přenos mezi horním a dolním půlbyte během sčítání

4 I IRQ mask: když je 1, je zakázáno přerušení IRQ

3 N Negative – záporný výsledek

2 Z Zero – nulový výsledek

1 V Overflow – přetečení

0 C Carry – přenos

Adresní módy a indexy

Adresní módy zůstaly stejné jako u procesoru 6800 (a hodně podobné těm z 6502). Výrazně

byly rozšířeny možnosti indexace. Instrukce, které používají indexovanou adresaci,

obsahují (minimálně) o jeden bajt navíc. V tomto bajtu, zvaném „post byte“, je uložena

informace o tom, jak se indexuje a s jakými registry.

Obecně lze pro indexování použít indexové registry X a Y, ukazatele zásobníku S a U,

a s určitými omezeními i ukazatel PC. Co máme tedy na výběr?

 Indexový registr (X, Y, S, U) + konstantní offset. Zde se rozlišuje několik možností

podle toho, jak velký je offset. Pokud je 0, je to označeno v post byte a není zapotřebí

další paměťová buňka. Druhá možnost je, že offset je v rozmezí -16 až +15. V takovém

případě je offset zapsán rovněž v post byte. Zbývající dvě možnosti jsou „osmibitový

index“ a „šestnáctibitový index“.

 K indexovému registru (X, Y, S, U) je přičtena hodnota registru A, B nebo D (D je

šestnáctibitový virtuální registr, vzniklý spojením registrů A a B).

 Adresa je vzata přímo z indexového registru (X, Y, S, U) a poté je jeho hodnota zvýšena

o 1 nebo 2. (Postinkrement)

 Hodnota v indexovém registru (X, Y, S, U) je snížena o 1 nebo 2 a pak je vzata

k adresaci. (Predekrement)

 Adresa je dána programovým čítačem PC, k němuž je přičten osmibitový nebo

šestnáctibitový offset.

Slušná sestava, že? A vynásobte si ji dvěma, protože všechny tyhle adresní módy (až na dvě

výjimky) lze použít jako nepřímé (indirect), tj. adresa, kterou získáme indexací, ještě není ta

cílová, ale ukazuje do paměti, ze které se přečtou dva bajty, a teprve ty udávají efektivní

adresu, se kterou se bude pracovat.

Představme si, že od adresy 0800h máme uložené adresy nějakých dat ke zpracování

a chceme je všechny projít. Není třeba žádných čachrů s mnoha registry, stačí třeba do X

uložit adresu té tabulky adres (0800h) a pak načítat data přímo z cílových lokací pomocí

LDA [X++] (hranaté závorky značí nepřímou adresaci, X++ je postinkrement o 2.)

Zmíněné dvě výjimky u nepřímé adresace jsou právě postinkrement o 1 a predekrement

o 1. Pokud používáte nepřímou adresaci, nelze ji zkombinovat s posunem o 1, vždy o 2!

Relokace

Výrazné designérské rozhodnutí bylo posílení podpory relokace. Pokud jste pracovali

s osmibitovými procesory jako třeba 8080, byla adresa, na jakou má být program nahrán,

zadána při překladu. Pokud se pak kód ocitl na jiných adresách, vedly skoky nazdařbůh

a havárie nastala v řádu milisekund. Z80 nabídl relativní skok, ale ten není všespásný: jen

128 bajtů dozadu a dopředu, navíc volání podprogramu je opět s absolutní adresou. Řešení

bylo dvojí – buď byly programy napevno od nějaké adresy (třeba u CP/M to bylo 0100h),

nebo byla na začátku rutina, která všechny absolutní adresy v kódu vlastního programu

změnila podle toho, kde byl program nahraný.

Návrháři 6809 posílili „relokovatelnost“ programů významnou měrou: všechny relativní

skoky mohou mít osmibitový i šestnáctibitový offset, včetně instrukce volání podprogramu

(JSR). Mohou využívat i indexované adresace, jak jsem psal výše.

Dva zásobníky

Možná vás napadne jazyk FORTH, pro který je tento koncept jako stvořený. Ve skutečnosti

návrháři měli na mysli jinou situaci: představte si, že podprogram potřebuje vrátit víc

hodnot. Pokud je uloží někam do paměti na pevně danou adresu, nebude reentrantní (tzn.

nelze daný podprogram vyvolat znovu v rámci provádění sebe sama). Pokud je předá na

zásobníku, je potřeba nejprve vytáhnout návratovou adresu, tu si někam uložit (kam ale?),

uložit data a pak vrátit návratovou adresu. Právě tenhle problém vývojáři obešli druhým

zásobníkem U. Podprogram prostě PUSHuje data, která chce předat, do druhého zásobníku.

Instrukční sada 6809 obsahuje dvě instrukce pro ukládání na zásobník – PSHS a PSHU.

První ukládá na standardní zásobník, druhá na uživatelský. Ale co ukládá? Samozřejmě

obsah registrů. Zde návrháři použili další trik: za operačním kódem PSHx je další bajt, který

říká, které registry se mají na zásobník uložit. Jednou instrukcí tak můžeme uložit

kompletní sadu registrů. Což je poměrně elegantní řešení, protože se instrukce pro ukládání

obsahu registrů většinou vyskytují v sériích, navíc nemuseli pro každou kombinaci registrů

a zásobníků dělat vlastní operační kód.

Výtky

Ve výše zmíněném článku z Byte jsou sepsány i výhrady čtenářů a uživatelů, na které

konstruktéři odpovídají. Například: Proč nejsou blokové operace? Nejsou. Něco bylo třeba

obětovat, navíc podle vývojářů je programové řešení blokových operací díky mocným

možnostem indexace poměrně jednoduché.

Nebo: Proč nejsou bitové operace? Odpověď: prodražilo by to celý procesor, tak jsme je,

vzhledem k tomu, že nejsou často používané, oželeli. Proč je násobení, ale není dělení?

Protože násobení je mnohem častější (třeba při přístupu k dvojrozměrným polím).

Potěšila mě devátá výtka: „Proč jste přidali všechny ty adresní módy? Já je nikdy

nepoužiju!“ Jako bych si četl diskuse na některých programátorských webech…

Na otázku proč nemá registr DP vlastní instrukce LOAD a STORE? odpověděli tvůrci

šalamounsky: jeho obsah je natolik důležitý, že by si programátor měl být vědom toho, že

mění něco podstatného, tak to není úplně přímočaré.

Spousta drobností navrch

Procesor 6809 má třeba dvojici instrukcí TFR / EXG. TFR (transfer) přesouvá obsah

z jednoho registru do druhého, EXG vzájemně vymění obsah dvou registrů. Platí to jak pro

osmibitové (A, B, DP a CC – příznakový registr), tak pro šestnáctibitové (X, Y, S, U, SP

a D).

Přerušení (hardwarové – IRQ i softwarové – instrukce SWI, SWI2 a SWI3) uloží

automaticky na zásobník všechny registry. Instrukce návratu z přerušení pak zase všechny

obnoví. Procesor má ale i vstup FIRQ (Fast IRQ), který vyvolá přerušení, ale registry

neukládá.

Podmíněné skoky testují nejen čtyři základní příznakové bity, ale i jejich možné kombinace,

takže můžete např. vyvolat skok, pokud je první hodnota větší nebo rovna druhé hodnotě

v bezznaménkové aritmetice (BHS – Higher or Same), ale můžete kontrolovat totéž pro

čísla se znaménkem (BGE – Greater or Equal).

Většina instrukcí je velmi rychlá, zabírá jen pár taktů. Na rozdíl od procesorů z rodiny

8080/Z80, které třeba pro načtení operačního kódu a jeho dekódování zaberou čtyři takty,

u 6809 je vše mnohem rychlejší: NOP dva takty, podmíněný relativní skok 3 takty,

aritmetické či logické operace 6 taktů, násobení 11 taktů (6809 totiž obsahuje hardwarovou

násobičku 8×8 bitů). Samozřejmě pokud je potřeba pracovat s indexovaným adresním

módem a načítat post byte, prefix či offset, musíte si patřičný počet taktů přičíst…

Kam s ním?

6809 přišel na trh na konci 70. let, čtyři roky po Z80. Mohly tyhle čtyři roky znamenat, že

6809 už nijak výrazně do osmibitové éry nepromluvil? Dost možná ano. I když všechna ta

Spectra a Atari přišla až začátkem 80. let, měl 6809 smůlu. Pravděpodobným důvodem byla

cena, a pak další náklady na přepsání software nebo učení nové instrukční sady.

A tak vlastně jediný „známější“ počítač, který používal 6809, byl TRS-80 CoCo, neboli

„Tandy/RadioShack Color Computer“, který přišel na trh v roce 1980. (Číslice 80

v označení TRS-80 odkazuje nikoli na rok výroby, ale na předchozí model tohoto počítače,

který používal Z80.) Postupně vznikly tři verze, v Británii se vyráběly podobné počítače

pod označením Dragon 32 / Dragon 64. Z dalších osmibitů používaly 6809 francouzské

počítače Thomson MO5 / TO7 / TO8, japonské FM7 a FM8 od Fujitsu, nebo počítač

Aamber Pegasus (1981), který svým minimalistickým návrhem připomínal trochu

ZX80/ZX81.

Všimněte si, že počítače s 6809 byly na trhu dřív než třeba Sinclairovy geniální stroje se

Z80. Na chvíli se zasněte a představte si, jak by vypadalo Spectrum s 6809…

Pro 6809 vznikl i zajímavý software. Kromě FORTHu nebo operačního systému OS-9

(později upraven jako NitrOS-9) to byl třeba i Microsoft BASIC – ten ještě v době, kdy Bill

Gates psal sám programy. Gates později v rozhovoru označil 6809 za nejlepší osmibitový

procesor vůbec.

Škoda jen, že přišel (asi) pozdě. Sice bylo možné pomocí transpileru přeložit zdrojové

programy 6809 pro mikroprocesor 68000, ale to už byla spíš jen labutí píseň, stejně jako

procesor Hitachi HD6309, o kterém rozhodně stojí za to se zmínit. Příslušnou kapitolu

najdete v příloze.

14.2 Zapojení MC6809

Možná nepřekvapí jistá podobnost s procesorem 6502. Je to logické, protože, jak jsme si už

několikrát řekli, 6502 i 6809 vycházejí ideově z téhož předchůdce, 6800.

Popis vývodů

Procesor má vyvedené obě hlavní sběrnice, jak datovou (D0 – D7), tak adresní (A0 – A15).

Tady nás nečeká žádné překvapení. Signály nejsou multiplexované a jsou plně k dispozici.

Vstup /RESET slouží k inicializaci procesoru do výchozího stavu. Na vstupu je Schmittův

klopný obvod, takže stačí jednoduché zapojení s kondenzátorem a rezistorem, podobně jako

u předchozích počítačů. Po RESETu se načte adresa (2 bajty) z adres FFFEh a FFFFh

a získaná hodnota se použije k nastavení programového čítače PC. Nezapomeňte, že 6809

používá ukládání ve stylu Big Endian, tedy nejprve vyšší část adresy, poté nižší. Vyšší část

tedy bude na adrese FFFEh, nižší na FFFFh.

Výstup R/W informuje okolí o tom, jestli procesor hodlá číst (=1), nebo zapisovat (=0).

Opět, podobně jako u 6502, se nerozlišují periferie a paměť, pro procesor je vše „paměť“.

Pro připojení krystalu se používají vývody XTAL a EXTAL. Pokud použijete externí

generátor časovacích pulsů, přiveďte signál na vstup EXTAL a XTAL nechte nezapojený.

Uvnitř poběží procesor na frekvenci, která je rovna čtvrtině frekvence krystalu (popřípadě

přivedené frekvenci). U OMEN Kilo jsem tedy použil frekvenci 7,3728 MHz, která po

podělení čtyřmi dává naši oblíbenou pracovní frekvenci 1,8432 MHz.

Existují tři varianty tohoto procesoru, které se liší podle maximální pracovní frekvence:

6809, 68A09 a 68B09. Varianta bez písmene pracuje na frekvenci 1 MHz, varianta

A používá 1,5 MHz a varianta B může pracovat až s frekvencí 2 MHz (to znamená, že

externí krystal může mít frekvenci 4, 6, resp. 8 MHz).

Pro řízení vnějších obvodů slouží hodinové signály E a Q. E má stejnou funkci, jakou má

u 6502 výstup PHI2. Sestupnou hranou na výstupu E oznamuje procesor, že začíná operační

cyklus. Poté přijde vzestupná hrana na výstupu Q a oznámí, že na adresní sběrnici je platná

adresa. Následuje vzestupná hrana signálu E, sestupná signálu Q (bez speciálního významu)

a celý cyklus ukončuje (a zároveň zahajuje nový) sestupná hrana signálu E, při níž přečte

procesor data ze sběrnice.

Obrázek 49: časování 6809

Pro většinu jednoduchých případů můžeme signál Q (Quadrature time) ignorovat a pracovat

pouze se signálem E, stejně jako u 6502.

Pozor na variantu 6809E! Tato varianta nemá interní oscilátor, vyžaduje externí generátor

dvoufázových hodin a zapojení vývodů je lehce odlišné.

Výstupy BA a BS informují o tom, zda je procesor odpojený od sběrnice (ve stavu HALT /

DMA) či zda reaguje na požadavek na přerušení apod. Za normálního chodu jsou oba v 0

a pokud nepotřebujete nějak speciálně reagovat na výjimečné stavy, můžete oba ignorovat.

Vstup MRDY slouží k témuž, k čemu sloužily vstupy READY, /WAIT či RDY – informuje

o tom, že externí obvody nezpracovaly požadavek a že potřebují, aby procesor počkal.

Pokud je tento vstup v log. 0, hodiny se zastaví ve stavu E=1, Q=0 a čeká se, až bude

MRDY opět 1. Teprve pak procesor dokončí čtení dat, popřípadě přestane posílat data

k zápisu, a pokračuje se dál.

Vstup /DMA/BREQ slouží k přerušení práce procesoru a jeho odpojení od sběrnice. Pokud

je na tomto vstupu na konci aktuálního cyklu 0, procesor se uvede do stavu DMA a uvolní

sběrnici. Uvolnění sběrnice signalizuje nastavením BS = BA = 1. Okolní zařízení teď má až

15 cyklů na to, aby si udělalo, co je potřeba. Po 15 cyklech si procesor vezme dva cykly pro

vnitřní refresh a na tu dobu nastaví BS = BA = 0. Pokud stále trvá požadavek na DMA, celý

postup se opakuje.

Vstup /HALT zastaví procesor podobně jako předchozí vstup. Do stavu HALT se procesor

přepne poté, co dokončí aktuálně prováděnou instrukci. Opět se odpojí od datové i adresní

sběrnice, odpojí i výstup R/W, a nastaví BS = BA = 1.

Přerušení

Poslední tři vstupy, o nichž jsem se ještě nezmínil, jsou vstupy /NMI, /FIRQ a /IRQ. Jejich

stav je vyhodnocován ve chvíli sestupné hrany Q (E=1).

/NMI je dobře známé „nemaskovatelné přerušení“. Logická 0 na tomto vstupu vyvolá

přerušení, které programátor nemůže programově zamaskovat. Jediná výjimka je těsně po

RESETu, dokud není nastaven obsah v registru ukazatele zásobníku (S). Po detekování

požadavku na NMI je na zásobník automaticky uložen obsah registrů PC, U, Y, X, DP, A, B

a CC a procesor si z adres FFFCh a FFFDh načte adresu obsluhy nemaskovatelného

přerušení. Toto přerušení má zároveň nejvyšší prioritu.

Téměř identicky se chová požadavek /IRQ. Dva rozdíly tu ale jsou. Zaprvé: adresa obsluhy

přerušení se bere z adres FFF8h a FFF9h. A zadruhé: pokud je bit I v registru CC roven 1,

přerušení se nevykoná.

Vstup /FIRQ (Fast IRQ) funguje obdobně jako IRQ. I tento vstup vyvolá přerušení (adresa

obsluhy je v paměti na FFF6h a FFF7h), i toto přerušení lze zamaskovat bitem F v registru

CC, ale hlavní rozdíl je, že neukládá na zásobník žádné jiné registry, jen programový čítač

PC a registr příznaků CC.

14.3 6809E

Zmínil jsem se o této variantě výš, tak jen pro představu, jak odlišný je to procesor. Sám

jsem se s ním setkal, když se mi dostala do rukou várka procesorů, označená jako 68B09,

ale tvářila se jako nefunkční. Když jsem je z čiré zvědavosti zkusil zapojit jako 6809E,

ukázalo se, že jsou funkční, jen špatně označené!

Z hlediska programátora jsou oba typy totožné. Z hlediska hardware je šest pinů, jejichž

funkce je rozdílná.

Pin 6809 6809E

33 /DMA (vstup) Busy (výstup)

34 E (výstup) E (vstup)

35 Q (výstup) Q (vstup)

36 MRDY (vstup) AVMA (výstup)

38 EXTAL LIC (výstup)

39 XTAL TSC (vstup)

Nový výstup BUSY hodnotou 1 oznamuje, že procesor provádí operaci „načti-a-zapiš“

a během té doby by neměl žádný jiný obvod měnit obsah paměti, popřípadě že načítá

dvoubytový operand.

AVMA oznamuje, že procesor bude požadovat přístup ke sběrnici. Pokud je v log. 0,

oznamuje, že je procesor ve stavu HALT nebo SYNC (stojí a čeká).

LIC oznamuje, že procesor vykonává poslední instrukční cyklus (Last Instruction Cycle).

Sestupná hrana na tomto výstupu znamená, že během následujícího taktu se bude číst

operační kód další instrukce.

Vstup TSC řídí datovou sběrnici, adresní sběrnici a výstup R/W. Pokud je v log. 0, procesor

funguje normálně, pokud je v log. 1, procesor přepne zmíněné vývody do třetího stavu

(odpojeno).

A konečně vývody E a Q změnily směr. Zatímco u 6809 to jsou výstupy, u 6809E to jsou

vstupy a o jejich generování se musí postarat vnější obvody. Nejčastější zapojení je pomocí

dvojice klopných obvodů J-K nebo dvojice klopných obvodů D:

Obrázek 50: generování hodin Q, E pomocí 74LS72

Obrázek 51: generování hodin Q, E pomocí 74HC74

14.4 OMEN Kilo CPU

Základní deska vychází z koncepce OMEN Bravo. Obsahuje jen procesor, 32 kB RAM, 8

kB EEPROM, dekodér signálů a nezbytné obvody okolo (RESET, krystal). Nakonec jsem

k „nezbytným obvodům“ přidal i nám důvěrně známý 68B50 pro sériovou komunikaci.

Díky tomu může být OMEN Kilo použit jako jednodeskový počítač, bez jakýchkoli dalších

obvodů.

Obrázek 52: Kilo, CPU

Na zapojení procesoru není nic, co bychom už neviděli. Vstup DMA zůstane nepoužitý, je

proto připojen na napájecí napětí, výstupy Q a BS jsou ponechány nezapojené.

Obrázek 53: Kilo, dekodér

Dekodér pamětí a signálů /RD, /WR funguje naprosto stejně jako u počítače Bravo. Opět

stačí jeden obvod 7400. Jen místo výstupu PHI2 je použit výstup E se stejnou funkcí.

Obrázek 54: Kilo, paměti

Paměti jsou vyřešené doslova stejně jako u předchozích počítačů. Na místě EEPROM jsem

použil obvod 28C64 s kapacitou 8 kB, ale schéma je připravené i pro 28C256 – pak je

potřeba přepínačem BANK zvolit vybranou polovinu paměti.

Obrázek 55: Kilo, dekodér periferií

Dekodér pro periferie je zapojen tak, aby využíval adresy, kde je A15 = 1 a A14 = A13 = 0,

tedy 8000h až 9FFFh. Pro každou periferii je vyhrazen prostor 1 kB, a to takto:

Periferie Adresa

IO0 8000h – 83FFh

IO1 9000h – 93FFh

IO2 8800h – 8BFFh

IO3 9800h – 9BFFh

IO4 8400h – 87FFh

IO5 9400h – 97FFh

IO6 8C00h – 8FFFh

IO7 9C00h – 9FFFh

Periferii IO0 věnujeme, podobně jako u Brava, sériovému portu.

Obrázek 56: Kilo, sériové rozhraní s ACIA 6850

Vstup RS, výběr registru, připojíme opět k A0, takže se sériový port objeví jako dvojice

registrů na adresách 8000h – 83FFh. Na sudých to bude řídicí registr, na lichých datový.

Opět doporučuju použít takové adresy, které mají v nedekódovaných bitech 1, tedy využít

adresy 83FEh (řídicí) a 83FFh (datový).

Poslední část je připojení na sběrnici. Nevyvádím kompletní systémové sběrnice, pouze

datovou a z adresní jen tři nejnižší bity. Kromě těchto signálů na sběrnici vyvádím i signály

/WR, /RD, E, RESET, vstupy /WAIT (jiný název pro MRDY), /BUSRQ (jiný název pro

HALT), /IRQ a /FIRQ.

14.5 Koncept „backplane“

Poloprofesionální a profesionální počítače z 80. let často používaly tento koncept, čímž se

lišily od většiny „domácích počítačů“, které bývaly celé na jedné desce plošných spojů.

Koncept „backplane“ pracoval s tím, že existovalo několik desek, zapojených do společné

sběrnice. Tato sběrnice byla nejčastěji „vzadu“ v konstrukci počítače, proto „backplane“.

Počítač pak sestával z nějaké základní desky, na níž byl procesor a nezbytné obvody okolo,

většinou i paměť RAM a EPROM. Dále pak bývaly k dispozici desky paralelních portů,

sériových portů, rozhraní pro klávesnici, displej, pro diskety, rozšiřující paměť atd.

Například český počítač SAPI-1 sestával z několika základních desek: JPR-1, která

obsahovala procesor a minimum paměti, ARB-1, což byla deska backplane sběrnice,

REM-1, která rozšiřovala paměť, ANK-1 pro připojení alfanumerické klávesnice, AND-1,

což byl alfanumerický televizní displej. K této sestavě existovalo velké množství dalších

desek pro řízení, měření, ovládání, dokonce i alternativní desky JPR-1A (bez paměti

RAM) a JPR-1Z (s procesorem Z80)…

Podobná stavebnicová koncepce počítače přináší vyšší variabilitu – můžete si poskládat

sestavu tak, jak vám bude vyhovovat. Ostatně podobná koncepce stojí za úspěchem systémů

IBM PC a dodnes se s ní u PC setkáváme. Jen místo „backplane“ říkáme „motherboard“

a sběrnice už dávno nejsou takové, jaké byly v době osmibitové.

OMEN Kilo se tak vlastně promění v sérii malých a jednoduchých desek, pospojovaných

do jednoho systému. Díky tomu bude celý systém variabilnější. Komu stačí připojení přes

sériový port, ten použije jen desku procesoru a sériového portu, kdo bude chtít víc, použije

třeba modul pro připojení externí paměti, displeje apod.

15 Základy programování

v assembleru 6809

15 Základy programování v assembleru 6809

Už jsem zmínil, že 6809 je mnohými vývojáři považován za nejlépe

navržený osmibitový procesor své doby. Pojďme se podívat, čím je

okouzlil.

Mnoho věcí, s nimiž se v assembleru 6809 potkáte, vám bude povědomých

z kapitol o 6502. Jak už jsem psal: oba tyto procesory mají společného

předka. U 6809 přímého, u 6502 spíš jako inspiraci.

Procesor 6809 má i svou vylepšenou variantu od Hitachi s označením 6309.

Protože jsou oba modely stále k sehnání, rozhodl jsem se i 6309 zahrnout

do popisu.

15.1 Adresní módy 6809

Podobně jako u 6502 má i u 6809 každá instrukce několik různých

adresních módů, podle nichž se určuje, kde je uložený operand instrukce,

tedy data, s nimiž instrukce pracuje.

Efektivní adresa

Před popisem samotných adresních módů je na místě říci si pár slov

o konceptu efektivní adresy. U procesoru 6809 se pod efektivní adresou

myslí adresa v paměti, kde je uložený operand – data, s nimiž se bude

pracovat. Protože 6809 intenzivně využívá práci s pamětí (na rozdíl od

8080 a jemu podobných nemá tolik vnitřních registrů), musí vnitřní logika

nejprve zjistit, s jakou adresou v paměti se má pracovat. Někdy bývá

zadána přímo, ale často je výsledkem kratšího výpočtu.

Inherent

První adresní mód je mód inherent – odpovídá tomu, co jsme si u 6502

nazvali módem implicitním. Tedy přímo v samotné instrukci je

zakódováno, s jakými daty a odkud pracuje. nejčastěji jde o data v některém

z registrů. Kupříkladu instrukce CLRB nuluje obsah registru B. U tohoto

adresování nemá smysl mluvit o efektivní adrese.

Značení registrů u 6809 je následující:

Registr Označení Jméno (v assembleru)

Akumulátor A ACCA A

Akumulátor B ACCB B

Spojený akumulátor A:B ACCD D

Indexový registr X IX X

Indexový registr Y IY Y

Ukazatele zásobníku SP, US S, U

Programový čítač PC PC

Registr stránky pro přímý přístup DPR DP

Registr příznaků CCR CC

Delší pojmenování se používá v případech, kdy se popisují jednotlivé

registry. Kratší notaci používají assemblery.

Immediate

Druhý adresní mód je nazvaný immediate, v češtině se používá označení

„přímý“. Přímý operand může být osmibitový nebo šestnáctibitový

a následuje přímo za operačním kódem instrukce. Příkladem mohou být

instrukce pro přičítání konstant k akumulátorům nebo pro zápis

konstantních hodnot do registrů. Assemblery používají symbol # (hash) pro

označení, že instrukce má pracovat přímo se zadanou hodnotou:

0823 86 12 LDA #$12

0825 8E FE DC LDX #$FEDC

0828 10 42 LDY #$42

Znakem $ se v mnoha assemblerech označuje hexadecimální hodnota

(obdoba „céčkovské“ sekvence 0x…) U procesoru 6809 (nebo Z80) je to

zažitá konvence, proto ji budu ve výpisech používat místo konvence 1234h,

jakou jsem používal třeba u procesoru 8080.

Efektivní adresa je u tohoto adresování rovna adrese, na níž se nachází

operand. U výše ukázaných instrukcí to je tedy po řadě 0824h, 0826h

a 0829h.

Extended

Rozšířená adresa – extended – odpovídá módu, který měl u 6502 název

absolute. Za operačním kódem instrukce následuje přímo kompletní

efektivní adresa, tedy dva bajty adresy.

0200 B6 12 34 LDA $1234

0203 BE FE DC LDX $FEDC

První instrukce načte do registru A obsah na adrese 1234h. Druhá instrukce

načítá obsah do registru IX – a protože je tento registr šestnáctibitový,

budou se načítat dva bajty. První, vyšší část, z adresy FEDCh, druhý bajt

z FEDDh. Vlastně se jedná o přímo zapsanou kompletní efektivní adresu.

Extended indirect

Nepřímá varianta výše uvedeného adresování. Za operačními kódy

instrukce následuje adresa, z níž se načtou dva bajty efektivní adresy. Až

tato adresa určuje, kde leží operand.

0200 BE 02 13 LDX test

0203 AE 9F 02 13 LDX [test]

…

0213 02 04 test: DW $204

První instrukce LDX načte do X hodnotu, která je uložena na adrese test,

tedy 204h (rozšířené adresování). Druhá instrukce LDX, která používá

nepřímé adresování (vyznačeno hranatými závorkami), nejprve načte

adresu (2 bajty) z adresy test (=204h). To je efektivní adresa této instrukce,

a na této adrese bude hledat operand. Zde to je 9F02h (obsah z adres 204h,

205h). V registru IX bude tedy hodnota 9F02.

Direct

Adresní mód direct je podobný módu extended, ale nepoužívá plnou

16bitovou adresu, ale pouze zkrácenou, osmibitovou. Těchto osm bitů je

použito jako spodní polovina efektivní adresy. Horní polovina je tvořena

obsahem registru DPR (Direct Page Register).

Pokud je v DPR nula, je tento mód ekvivalentní módu „zero page“, jaký

známe z 6502.

Assembler se často rozhoduje, jaký mód použije, podle toho, kam směřuje

cílová adresa. U 6502 to je jednoduché: pokud je cílová adresa v rozmezí 0-

255, jde o zero page a lze použít speciální mód. U 6809 může být „direct

page“ kdekoli. Assembler ale neví, kam je právě nastavený registr DPR,

a proto je mu potřeba pomoci. Slouží k tomu direktiva SETDP.

SETDP má jeden parametr, a to je číslo v rozsahu 0 – 255. Toto číslo

odpovídá hornímu byte adresy, a assembler bude předpokládat, že stejná

hodnota je v registru DPR. Viz následující příklad:

0001 .ORG 1

0001 00 TEST0: DB 0

0102 .ORG $102

0102 00 TEST1: DB 0

0103 ;

0203 .ORG $203

0203 00 TEST2: DB 0

0204 ;

1000 .ORG $1000

1000 ;

1000 96 00 LDA 0

1002 ;

1002 96 01 LDA test0

1004 B6 01 02 LDA test1

1007 B6 02 03 LDA test2

100A ;

100A SETDP 1

100A B6 00 01 LDA test0

100D 96 02 LDA test1

100F B6 02 03 LDA test2

1012 ;

1012 SETDP 2

1012 B6 00 01 LDA test0

1015 B6 01 02 LDA test1

1018 96 03 LDA test2

Jsou definovány tři paměťové buňky: test0 na adrese 0001h, test1 na adrese

0102h a test2 na adrese 0203h. Překladač překládá tři instrukce LDA, a volí

mezi módy direct / extended podle toho, co mu řekne direktiva SETDP.

Důležité je, že direktiva SETDP slouží jen pro informaci překladače. Sama

nijak obsah registru DPR nenastavuje ani nemění.

Tento mód opět nepoužívá efektivní adresu. Operandem jsou některé

z registrů.

TFR X,Y

EXG A,B

PSHS A,B,X,Y

PULU X,Y,D

První instrukce přesune obsah registru IX do registru IY (všimněte si, že

pořadí je opačné, než na jaké jsme byli dosud zvyklí – přiřazuje se zleva

doprava). Druhá vymění obsah registrů A a B. Třetí uloží na systémový

zásobník registru ACCA, ACCB, IX a IY, čtvrtá přečte z uživatelského

zásobníku registry IX, IY a D.

Indexed

Adresace s indexem je u procesoru 6809 velmi komplexní a silný mód.

Obecně lze říct, že indexovaná adresace pracuje s hodnotou v některém

z šestnáctibitových registrů IX, IY, SP, US, někdy i s programovým čítačem

PC, k níž se přičítá offset, aby se získala efektivní adresa (na které je

samotný operand).

Operační kód instrukce, která používá tento mód adresace, je dvoubajtový.

Za samotným operačním kódem následuje takzvaný postbyte, který říká,

o jaký typ indexace jde. Někdy následuje i další bajt či dva samotného

indexu.

Nejjednodušší index je nulový index. K hodnotě v indexovém registru

(nemusí být jen IX a IY, ale i ukazatelé zásobníku, viz výše)

LDD 0,X

LDA Y

První instrukce znamená „vezmi hodnotu v X, přičti nulu a výsledek udává

efektivní adresu“. Druhá instrukce udělá totéž, ale zápis je zkrácený,

vynechává se „0,“.

Další typ indexace je konstantní index. Konstantní index je vždy se

znaménkem a může být

 pětibitový (-16 až +15) – v takovém případě je hodnota uložena přímo

v postbyte

 osmibitový (-128 až +127) – za postbyte následuje jeden bajt

 šestnáctibitový (-32768 až 32767) – za postbyte následují dva bajty

Assembler vybírá nejvhodnější variantu sám, takže programátor se většinou

nemusí starat o to, který index použít.

LDA 42,X

LDX -5,U

LDY 5000,X

Instrukce má tvar index,registr.

Třetí typ indexu, akumulátorový, je podobný předchozímu, ale index není

konstantní, nýbrž je v některém z akumulátorů ACCA, ACCB, ACCD

(16bitová varianta). Hodnota v registru je opět brána jako hodnota se

znaménkem, je přičtena k hodnotě v indexovém registru, a tak je získána

efektivní adresa.

LDA B,Y

LDX D,U

Poslední typ indexu je index s postinkrementací / predekrementací.

Tento mód je ideální pro procházení tabulek hodnot nebo pro práci se

zásobníkem. Postinkrementace funguje tak, že z indexového registru je

načtena hodnota efektivní adresy a poté je hodnota v indexovém registru

zvýšena o 1 nebo 2:

LDA ,X+

LDD ,Y++

První instrukce tedy vezme adresu z registru IX, do registru ACCA přesune

hodnotu z této adresy a pak obsah v registru X zvýší o 1. U druhé instrukce

se bere efektivní adresa z registru Y, hodnota z této adresy je načtena do

registru ACCD (16 bytů) a pak je hodnota v IY zvýšena o 2.

Predekrementace funguje obdobně, jen s tím rozdílem, že hodnota

v indexovém registru je nejprve snížena o 1 či 2, a teprve poté je s ní

nakládáno jako s efektivní adresou.

LDA ,-X

LDD ,--Y

Představte si, že provedete operaci STX, která ukládá obsah registru X do

paměti, a přitom použijete režim s postinkrementací:

STX ,X++

Co se stane? Nejprve je do dočasného registru efektivní adresy načtena

hodnota v IX. Poté je obsah registru IX zvýšen o 2, a tato nová hodnota je

uložena do paměti na efektivní adresu. Pokud je před provedením instrukce

v registru IX hodnota 1200h, je výsledek ten, že se na adresy 1200h

a 1201h uloží šestnáctibitová hodnota 1202h. Tatáž hodnota zůstane

i v registru IX.

Indexed indirect

Připadá vám, že teď už je sada možných způsobů adresování kompletní?

Tak si prosím ke všem předchozím možnostem, s výjimkou

postinkrementu/predekrementu o 1 a pětibitového konstantního offsetu,

přidejte ještě možnost nepřímé adresace. Tedy takové, že z efektivní adresy,

kterou byste získali prostou indexovou adresací, načtete dva bajty, a teprve

tyto vám dají reálnou efektivní adresu. Příklad:

0200 LDA [$10,X]

…

0310 03

0311 12

0312 55

…

Dejme tomu, že v registru IX je hodnota 300h. První krok, indexace, vezme

tuto hodnotu, přičte k ní 10h a získá tak efektivní adresu 310h.

U indexové adresace by se z této adresy načetl jeden bajt (03h), uložil do

registru ACCA a hotovo. U nepřímé indexové adresace (indikují ji hranaté

závorky) se z této adresy načtou dva bajty (0312h), které dají novou

efektivní adresu. Až z ní je teď načtena hodnota (55h) a uložena do registru

ACCA.

Relative

Procesor 6809 nabízí možnost relativní adresace vzhledem k obsahu

programového čítače. K jeho obsahu je přičten osmi-, nebo šestnáctibitový

offset, a výsledek udává efektivní adresu. Na tuto adresu můžete skákat

pomocí instrukcí skoků, popřípadě pracovat s daty zde uloženými.

Relative indirect

Nepřímá varianta předchozího adresování. Získaná adresa slouží jen jako

ukazatel do paměti, z níž je přečtena teprve reálná efektivní adresa.

15.2 Jak to ten procesor dělá?

U procesorů 8080 a 6502 platilo, že co instrukce, to jeden jednobajtový

kód. U Z80 jsme se setkali s takzvanými prefixy, což byly speciální kódy,

které znamenaly: Pozor, následující kód má pozměněný význam. U 6809 je

koncepce odlišná. Není tu vlastně velké množství různých instrukcí, jen

velké množství adresních módů a instrukcí mnohem méně. Návrháři tedy

pro každou instrukci, u níž to má smysl, vyhradili několik operačních kódů.

Nejčastěji jeden pro přímý operand, druhý pro přímou adresu (1 bajt adresy,

Direct Page), třetí pro plnou přímou 16bitovou adresu (Extended) a čtvrtý

pro všechny možné indexované varianty. V takovém případě následuje za

operačním kódem již zmiňovaný postbyte, v němž je zakódováno, který

mód se přesně používá.

Postbyte je použit i u instrukcí ukládání na zásobník / čtení ze zásobníku /

přenosů dat mezi registry. U těchto instrukcí udává, jakých registrů se

operace týká.

15.3 Postbyte

7 6 5 4 3 2 1 0 M T #

0 R R F F F F F (+/- 4 bit offset),R 1 0

1 R R 0 0 0 0 0 ,R+ 2 0

1 R R I 0 0 0 1 ,R++ 3 0

1 R R 0 0 0 1 0 ,-R 2 0

1 R R I 0 0 1 1 ,--R 3 0

1 R R I 0 1 0 0 ,R 0 0

1 R R I 0 1 0 1 (+/- B),R 1 0

1 R R I 0 1 1 0 (+/- A),R 1 0

1 X X X 0 1 1 1 Illegal u u

1 R R I 1 0 0 0 (+/- 7 bit offset),R 1 1

1 R R I 1 0 0 1 (+/- 15 bit offset),R 4 2

1 X X X 1 0 1 0 Illegal u u

1 R R I 1 0 1 1 (+/- D),R 4 0

1 X X I 1 1 0 0 (+/- 7 bit offset),PC 1 1

1 X X I 1 1 0 1 (+/- 15 bit offset),PC 5 2

1 X X X 1 1 1 0 Illegal u u

1 0 0 1 1 1 1 1 [address] 5 2

Sloupec T udává, kolik taktů hodin je potřeba přidat k základní době trvání

instrukce, sloupec # pak říká, kolik bajtů dat následuje za postbyte.

Bity, označené F, udávají hodnotu offsetu (pětibitové číslo, resp. čtyřbitové

se znaménkem). Bit I udává, jestli se jedná o adresování nepřímé (1), nebo

přímé (0). Bity R udávají indexový registr, s nímž se pracuje: 00 je X, 01 je

Y, 10 je U a 11 je S.

Postbyte mají i instrukce pro záměnu a přenos (TFR a EXG). Postbyte

těchto instrukcí se dělí na horní část (bity 4 – 7), která udává zdroj, a dolní

část (bity 0 – 3), která udává cíl.

0000 D

0001 X

0010 Y

0011 U

0100 S

0101 PC

1000 A

1001 B

1010 CC

1011 DP

Postbyte používají i instrukce PSHx a PULx. V tomto postbyte jsou

označené registry, které se ukládají nebo čtou.

7 6 5 4 3 2 1 0

PC S/U Y X DP B A CC

15.4 Instrukce pro přesun dat

Začneme opět tím nejjednodušším tématem. Tedy zdánlivě, ve skutečnosti

jsou, díky bohatosti adresních módů, přesuny dat u 6809 velmi silný

nástroj, ačkoli by se mohlo zdát, že nabízejí jen dvě základní instrukce, totiž

LDr a STr, kde r je registr (osmibitový nebo šestnáctibitový)

LDr, STr

LD (Load) jsou instrukce pro přesun z paměti do registru, instrukce ST

(Store) slouží k přesunu dat z registru do paměti. Instrukce LD nabízí

adresu přímou (Direct), rozšířenou (Extended) nebo indexovanou (všechny

možné varianty), popřípadě přímou hodnotu operandu (Immediate) pro

načtení konstanty. Instrukce ST nabízejí stejnou sestavu módů, s výjimkou

módu immediate, který u ukládání nedává smysl (jak uložit obsah registru

do konstanty?).

Osmibitové adresy pracují s registrem A nebo B: LDA, LDB, STA, STB.

Mají jeden operand:

LDA #$12

LDA $12

LDA $1234

LDA ,X

LDA -X

STB $12

STB $1234

STB Y+

Šestnáctibitové varianty pracují s registry D (což jsou ve skutečnosti

spojené registry A a B, kde registr A tvoří vyšší byte), S, U, X a Y. Jinak

platí totéž, co u osmibitových variant: jméno registru tvoří součást názvu

instrukce (LDD, STD, LDS, STS, LDU, STU, LDX, STX, LDY a STY)

a instrukce má jediný operand, totiž efektivní adresu, ze které (nebo na

kterou) se čtou / zapisují data.

LEAr

Autorům instrukční sady přišlo jako dobrý nápad, a on to dobrý nápad

docela je, nabídnout instrukci, která se chová skoro jako LD, totiž spočítá

efektivní adresu operandu v paměti, ale místo toho, aby si na tuto adresu

sáhla pro operand, udělá to, že tuto adresu uloží do 16bitového registru.

Instrukce se jmenuje LEA (Load Effective Address) a má opět čtyři

varianty podle toho, do kterého šestnáctibitového registru efektivní adresu

ukládá: LEAX, LEAY, LEAS, LEAU.

LEAX $12

LEAX Y++

LEAX [$0E,U]

TFR

Probrali jsme instrukce přesunů z paměti a do paměti. Ano, jsou vlastně jen

dvě, s jedním drobným bonusem pro vyhodnocování efektivní adresy. Co

chybí, to jsou nějaké instrukce pro přesuny mezi vnitřními registry. Asi

nepřekvapí, že je opět jen jedna, totiž TFR (Transfer). Instrukce má dva

operandy, zdrojový a cílový registr:

TFR zdroj, cíl

Pozor! Pořadí operandů je přesně opačné, než bývá zvykem např.

u assembleru 8080, Z80 nebo x86. Nejprve je zdroj, poté cíl. Zápis tedy

neodpovídá obvyklé formě „a = b“, známé z programovacích jazyků, ale

spíš „b->a“. Ale hodně záleží na konvencích překladače – maně si

vzpomínám, že inline assembler x86 v překladači GCC používá stejný

zápis.

Operandy musí mít stejnou velikost. Tedy buď 16 bitů (D, X, Y, U, S, PC),

nebo 8 bitů (A, B, DP, CC).

Pozor, trik! U 16bitových přenosů můžeme instrukci TFR nahradit

instrukcí LEA s indexovým adresováním, která bývá rychlejší. Například

místo TFR Y,U pro přenos obsahu registru Y do registru U můžeme

použít „LEAU ,Y“ – která spočítá efektivní adresu (= Y) a přenese ji do

registru U. Obě instrukce mají 2 bajty, ale LEA trvá jen 4 cykly, zatímco

TFR 6.

EXG

Když už je instrukce TFR, proč nenabídnout i její variantu, která

nepřesouvá data ze zdroje do cíle, ale navzájem prohodí obsah zdrojového

a cílového registru (i když zde označení „zdroj“ a „cíl“ ztrácí smysl). Jinak

platí to, co bylo napsáno o TFR. Bohužel, interní přenos probíhá přes skrytý

osmibitový pracovní registr, takže výměna obsahu mezi šestnáctibitovými

registry probíhá jako dvě osmibitové výměny:

EXG A,B

EXG X,U

TFR A,CC

TFR B,DP

15.5 Operace se zásobníkem

Když se podíváte na sestavu indexových adresních módů, napadne vás, že

vlastně přímé operace se zásobníkem nemají příliš význam. Uložení

registru A na zásobník vlastně zastane instrukce STA –S, načtení obsahu

registru D ze zásobníku zařídíme pomocí LDD S++, a je hotovo.

Jenže jak jsem zmiňoval v úvodu: vývojáři si před návrhem instrukční sady

udělali analýzu mnoha tisíců programů, takže jim neuniklo, že instrukce

PUSH a POP chodí často spolu. Po vstupu do podprogramu se ukládají

registry na zásobník, při návratu se zase načítají. Proto navrhli instrukce

tak, aby pracovaly rovnou se sadou více registrů.

Za instrukčním kódem PUSH a PULL (tak se u 6809 nazývá instrukce,

jinde známá jako POP) následuje jeden bajt, který udává, jakých registrů se

operace týká. Registrů může být až osm: PC, U, Y, X, DP, B, A, CC. První

čtyři jsou šestnáctibitové, poslední čtyři osmibitové. Pokud je

v informačním bajtu příslušný bit nastaven, registr se ukládá, pokud je bit

nulový, registr se přeskočí.

Instrukce ukládání na zásobník postupuje ve výše zmíněném pořadí, od PC

k CC, instrukce načtení postupuje, logicky, v obráceném pořadí.

A protože má procesor 6809 dva ukazatele zásobníku, nazvané

S a U (Systémový a Uživatelský), jsou i dvě dvojice instrukcí: PSHS, PULS

pro práci se systémovým zásobníkem, PSHU a PULU pro práci

s uživatelským zásobníkem.

Drobný rozdíl je ten, že instrukce PSHU / PULU neumožňuje uložit obsah

registru U, namísto toho ukládá obsah registru S. U těchto instrukcí je tedy

sada registrů lehce obměněná: PC, S, Y, X, DP, B, A, CC.

PSHS A,B,X,Y

PSHU X,Y,S,PC

Na pořadí registrů při zápisu nezáleží, pořadí je pevně dané a odpovídá

tomu, co jsme si popsali výše – ukládá se od PC a končí se CC.

Všimněte si, že mezi registry je i programový čítač. Pokud instrukce PULS,

PULU obnovuje i obsah registru PC, je jasné, že se tím zároveň provede de

facto skok na uloženou adresu, tedy vlastně návrat z podprogramu:

SUB1: PSHS X,Y,A,B

… nějaké operace

PULS X,Y,A,B

RTS ;návrat z podprogramu

; načte ze zásobníku SP obsah

; čítače instrukcí PC

Tato konstrukce může být vlastně přepsána následujícím způsobem:

SUB1: PSHS X,Y,A,B

… nějaké operace

PULS X,Y,A,B,PC

Poslední PULL obnoví uložené registry, a jako poslední si přečte uložený

obsah registru PC, což je návratová adresa.

15.6 Příznaky

O registru příznaků (CC, Condition Code) jsem se zmiňoval už v kapitole

o architektuře, ale zopakujme si, že jeho bity jsou (od nejvyššího):

Bit Název Funkce

7 E

Entire – při obsluze přerušení říká, zda je na zásobníku kompletní sada registrů, nebo jen PC

a CC

6 F FIRQ mask: když je 1, je zakázáno přerušení FIRQ

5 H Half carry – přenos mezi horním a dolním půlbyte během sčítání

4 I IRQ mask: když je 1, je zakázáno přerušení IRQ

3 N Negative – záporný výsledek

2 Z Zero – nulový výsledek

1 V Overflow – přetečení

0 C Carry – přenos

Bity 6 a 4 nastavuje programátor a pomocí nich může maskovat přerušení

IRQ a FIRQ. Bit 7 informuje o tom, jestli při vstupu do obslužné rutiny

přerušení byl na zásobník uložen stav všech registrů (jako u IRQ nebo

NMI), nebo jen PC a CC. S tímto příznakem pracuje instrukce RTI (návrat

z přerušení) a podle něj správně obnoví obsah uložených registrů.

Zbývající bity jsou klasické příznaky, jaké známe z jiných procesorů.

Příznak Z (zero) je nastaven, pokud výsledek předchozí operace byl 0.

Tento příznak nastavují nejen aritmetické a logické operace, ale i instrukce

load a store!

Příznak N (Negative) je 1, pokud je výsledek předchozí operace záporný.

A protože procesory používají znaménkovou aritmetiku tak, že nejvyšší bit

udává znaménko čísla, je tento příznak roven nejvyššímu bitu výsledku.

Tento příznak opět nastavují nejen aritmetické a logické operace, ale

i instrukce LD a ST.

Příznak C (Carry) označuje přenos z nejvyššího bitu při aritmetických

operacích. Pokud sčítáme dvě jednobajtová čísla (bez znaménka)

a výsledek je větší než 255, je nastaven přenos. Podobně tento příznak

udává, že při odečítání (a podobně u porovnávání, což je technicky shodné

s odečítáním) výsledek klesl pod 0 a bylo nutno si „vypůjčit“ jedničku do

nejvyššího bitu. Tento příznak nastavují pouze aritmetické instrukce.

Příznak V (Overflow) je podobný příznaku Carry, ale s tím rozdílem, že

udává přetečení / podtečení nikoli z nejvyššího bitu, ale z druhého

nejvyššího. U operací nad čísly se znaménkem nahrazuje příznak C, protože

nejvyšší bit u těchto čísel udává znaménko. Proto nedává smysl řešit přenos

z nejvyššího bitu.

Příznak H (Half carry) je podobný příznaku C, ale místo přenosu

z nejvyššího bitu udává tento bit, zda došlo k přenosu mezi 3. a 4. bitem

výsledku (tedy v polovině bajtu). Jeho hodnota se používá při práci s čísly

v kódu BCD a nastavují ho správně pouze instrukce sčítání (operace

odčítání jej ale mění také).

Instrukce pro změnu příznaků

Zatímco dříve probírané procesory měly speciální instrukce pro nastavování

toho či onoho příznaku, procesor 6809 to celé spláchl osmibitovými

variantami instrukcí AND a OR, nazvanými ANDCC a ORCC. Tyto

instrukce mají pouze jediný adresní model, totiž přímý operand, a dělají to,

co byste čekali: operace AND nebo OR mezi obsahem registru CC a přímo

zadaným operandem. To stačí, protože pomocí OR snadno nastavíme bity

do log. 1 a pomocí AND je nastavíme do log. 0. U OR platí, že výsledek

operace bude mít 1 všude tam, kde má operand logické 1, u AND platí, že

výsledek má log. 0 tam, kde má operand logické 0. U nastavování proto

použijeme operand s jedničkami tam, kde chceme mít ve výsledku 1, ostatní

bity budou nulové. Při mazání bude mít operand nuly tam, kde chceme

vynulovat hodnotu bitu, ostatní budou 1.

Nastavení bitů F a I pro zamaskování obou přerušení tedy zařídíme snadno

pomocí ORCC #$50 (50h = 01010000b), vynulování příznaku I (což je bit

4) vyřešíme pomocí ANDCC #$EF (=11101111b).

15.7 Skoky

Procesor 6809 nabízí standardní sadu skokových instrukcí. Jsou to instrukce

nepodmíněného skoku (JMP), nepodmíněného volání podprogramu (JSR),

návratu z podprogramu (RTS, RTI) a podmíněných skoků (Bxx, LBxx).

JMP

Základní instrukce nepodmíněného skoku. Umožňuje skok na zadanou

adresu. Adresa může být krátká, dlouhá (direct, extended), popřípadě

indexovaná, kde asi největší smysl dávají skoky na adresy relativní

k obsahu registru PC. Máme tak k dispozici plně relativní skoky

v kompletním rozsahu.

JSR

Instrukce je obdobou předchozí, s tím rozdílem, že před skokem uloží na

zásobník SP hodnotu PC, která ukazuje na následující instrukci.

RTS

Logický doplněk předchozí instrukce. Přečte ze zásobníku S uložený obsah

registru PC, čímž se vyvolá návrat z podprogramu. Samozřejmě – pokud

jste tam mezitím uložili něco jiného, skočí se někam úplně jinam.

RTI

Tato instrukce je podobná instrukci RTS s tím rozdílem, že před návratem

obnoví ze zásobníku uložené registry. Podle obsahu příznaku E se obnovují

buď registry PC a CC (E=0), nebo kompletní sada: CC, A, B, DP, X, Y,

U a PC

15.8 Podmíněné skoky

Procesor nabízí i instrukce podmíněných relativních skoků, nazvaných

Branch (Bxx). Mají krátkou variantu s osmibitovou relativní adresou, nebo

dlouhou variantu (LBxx) s plným 16bitovým offsetem.

Varianty jsou:

Instrukce Podmínka Instrukce Podmínka

BCC / BHS C = 0 BCS / BLO C = 1

BNE Z = 0 (R != n) BEQ Z = 1 (R == n)

BPL N = 0 (R >= 0) BMI N = 1 (R < 0)

BVC V = 0 BVS V = 1

BHI R > n BLS R <= n

BHS R >= n BLO R < n

Instrukce Podmínka Instrukce Podmínka

BGT R > n (signed) BLE R <= n (signed)

BGE R >= n (signed) BLT R < n (signed)

Podmínky jsou buď pojmenované podle testovaného bitu, nebo podle toho,

jaký je očekávaný výsledek předchozí operace srovnání.

U bitových testů (V, C) je přidáno písmeno, které označuje, jestli

očekáváme bit vynulovaný (clear), nebo nastavený na 1 (set): BCC (Branch

if C is Clear), BCS (Branch if C is Set), BVC, BVS.

Instrukce BMI a BPL má mnemoniku „Branch if MInus“ / „Branch if

PLus“.

Instrukce, které testují bit Z, se nejmenují ZC / ZS, ale odkazují k tomu, že

nula je výsledkem porovnávací operace CMP, pokud obsah registru

a testovaná hodnota jsou stejné. Proto se jmenují BEQ (Branch if EQual,

Z = 1) a BNE (Branch if Not Equal, Z = 0)

Instrukce CMP totiž, podobně jako u jiných procesorů, dělá to, že od

obsahu akumulátoru odečte zadanou hodnotu, podle výsledku nastaví

příznakové bity a výsledek zahodí.

Zbývající skoky už netestují jednotlivé bity, ale jejich kombinace, a názvy

odkazují k výsledkům porovnání:

CMPA #n Signed Unsigned

A > n BGT (Greater Than) BHI (Higher)

A >= n BGE (Greater or Equal) BHS (Higher or Same)

A < n BLT (Less Than) BLO (Lower)

A <= n BLE (Less or Equal) BLS (Lower or Same)

Ve skutečnosti třeba instrukce BGT testuje podmínku (Z or (N xor V) ==

0), BLE její opak. BLS / BHI testují výsledek C or Z , BGE a BLT testují

výraz N xor V. Instrukce BLO a BHS dokonce testují pouze bit C, a tak jsou

to synonyma k BCC / BCS.

Kromě těchto instrukcí máme i dvě speciální: BRA a BRN. První testuje

podmínku, která je vždy pravda, a tak skočí vždy (BRanch Always). Druhá

testuje vždy nepravdivou podmínku, a tak neskočí nikdy (BRanch Never).

BRA je vlastně totéž jako JMP s krátkou relativní adresou (a LBRA je totéž

jako JMP s dlouhou relativní adresou), jen s tím rozdílem, že BRA je o 1

bajt kratší než JMP s relativní adresou a o 1 takt rychlejší.

Poslední instrukce z rodiny relativních skoků je instrukce BSR. Technicky

odpovídá instrukci JSR, tedy skoku do podprogramu, jen s tím rozdílem, že

tato instrukce je vždy relativní, a proto zabírá méně bajtů a je o něco

rychlejší.

Všechny výše jmenované instrukce mají dlouhou variantu LBxx, která se

liší tím, že není omezena na relativní rozsah -128 .. +127, ale nabízí plné

relativní adresování v rozsahu -32768 .. +32767.

15.9 Aritmetické instrukce

Co by to bylo za procesor, kdyby nenabízel instrukce pro počítání.

Samozřejmě je nabízí, a rozhodně neskrblí.

INC, DEC

Instrukce pro zvýšení obsahu registru nebo paměti o 1, popřípadě snížení

o 1. Každá nabízí tři varianty, buď pro práci s akumulátorem (INCA, INCB,

DECA, DECB), nebo pro práci s osmibitovým operandem v paměti (DEC,

INC). Při práci s pamětí máme stejné možnosti výběru adresního módu jako

třeba u instrukce STA – přímou adresu, plnou adresu, popřípadě

indexovanou adresu.

Moment, říkáte si. Kde jsou instrukce INC a DEC pro práci

s šestnáctibitovými registry? Nejsou. Jak to?

Většinou to totiž není potřeba. Šestnáctibitové registry se často používají

pro přístup do paměti a nejčastější situace, kdy je potřeba zvýšit takový

registr o 1 nebo snížit o 1, je tehdy, když se přistupuje do paměti. Tam je

nejjednodušší použít adresní mód s postinkrementací nebo

predekrementací, který je ještě o něco flexibilnější než INC a DEC.

Pokud opravdu potřebujeme zvýšit obsah registru (třeba X) o 1, můžeme

použít LEAX 1,X. Připomeňme si: Tato instrukce spočítá hodnotu efektivní

adresy (X + 1) a uloží ji do X. LEA můžeme pro podobné účely použít

nejen pro přičítání a odčítání 1 – až do rozsahu -32 .. +31 zvládneme vše

v rámci dvoubajtové instrukce, a pokud nevadí bajt či dva navíc, můžeme

přičítat a odčítat naprosto jakoukoli hodnotu.

CLR

Instrukce CLR nuluje zadaný registr. Mohlo by se zdát, že to sem tak moc

nepatří, ale pokud vám vadí, že je tato instrukce zařazená mezi aritmetické,

představte si, že dělá operaci „násobení hodnoty registru nulou“. Opět

máme varianty podobné instrukcím INC, DEC. Tedy instrukce CLRA

a CLRB, které nulují zadaný registr, a instrukci CLR, která nuluje bajt na

zadané adrese (krátká / dlouhá / indexovaná).

COM, NEG

COM má stejné varianty jako předchozí CLR, totiž COMA, COMB

a COM. Tato instrukce nenuluje, ale počítá dvojkový doplněk

(complement). Vlastně udělá operaci R = –R. Udělá to tak, že hodnotu

registru nebo paměti neguje bit po bitu a přičte jedničku.

NEG je podobná COM, se stejnými variantami (NEGA, NEGB, NEG)

a možnostmi, ale místo doplňku počítá negaci, tedy změní všechny bity 0

na 1 a obráceně. R = NOT R.

TST

Instrukce TST (Test) má opět stejné varianty (TSTA, TSTB, TST)

i adresovací možnosti jako COM či NEG. Tato operace zkontroluje hodnotu

v registru či v zadané buňce paměti a podle ní nastaví příznaky Z a N.

ADD, ADC

Sčítání existuje ve verzi bez přenosu (ADDA, ADDB, ADDD)

a s přenosem (ADCA, ADCB – 16bitová verze není). Operandem může být

buď přímá hodnota, nebo adresa (přímá či rozšířená), popřípadě indexovaná

adresa. Tedy stejné možnosti jako u instrukce LD.

SUB, SBC

Analogicky ke sčítání existují instrukce pro odčítání. Jsou zrcadlovým

obrazem předchozích dvou, takže máme instrukce pro odčítání bez přenosu

(SUBA, SUBB, SUBD) a s přenosem (SBCA, SBCB), obě se stejnými

možnostmi zadávání operandu.

CMP

Porovnávání je technicky stejná operace jako odčítání. Od obsahu registru

se odečte operand, nastaví se správně příznaky a výsledek se zahodí.

Instrukce CMP existuje v několika variantách. Kromě těch, co známe

z ADD a SUB, tedy CMPA, CMPB a CMPD, nabízí i šestnáctibitové

varianty CMPS, CMPU, CMPX a CMPY. Všechny mají operand

definovaný stejně jako třeba SUB – tedy přímá hodnota, nebo krátká/dlouhá

adresa, nebo indexovaná adresa.

ABX

Tato instrukce je bez operandů a bez variant. Jediné, co udělá, je, že

k obsahu registru X přičte obsah registru B (bez znaménka, tedy např. 255

je opravdu 255 a ne -1).

Funkce je shodná jako u instrukce LEAX B,X, jen ABX zabírá o 1 bajt

méně a je o 2 takty rychlejší.

SEX

Já vím, jak to vypadá, ale to to není. Jedná se o rozšíření čísla se

znaménkem (Sign Extended). Operand je v registru B a výsledek bude

v registru D. Instrukce dělá to, že do registru A uloží 0, pokud je B

v rozsahu 0 – 127. Pokud je v rozsahu -128 až -1 (80h – FFh), tak do

A uloží hodnotu FFh. Vlastně zkopíruje nejvyšší bit v registru B do všech

bitů registru A.

DAA

Instrukce, která se vám bude hodit při práci s čísly ve formátu BCD. Její

funkce je taková, že po operaci součtu, když jsou správně nastavené

příznaky H a C, přičte k obsahu registru A hodnoty tak, aby zůstalo

zachováno správné formátování BCD číslic. V praxi to znamená, že se

přičítá 0, 6, 60h, 66h nebo 76h.

Proč zrovna 6? Odpověď je jednoduchá: vychází to z vlastností BCD

čísel, které pro každou polovinu bajtu využívají jen 10 čísel z 16 možných

kombinací. Pokud tedy například sčítáme 05h a 06h, je výsledek 0Bh, což

je správně (=11), ale není to ve formátu BCD. V kódu BCD je to správně

11h (tedy 17). Ergo je potřeba přičíst těch 6 pro přeskočení hodnot A-F.

MUL

Instrukce násobení dvou osmibitových čísel bez znaménka. Vynásobí obsah

registru A obsahem registru B a výsledek uloží do registru D.

Sice patří mezi jedny z nejpomalejších (11 taktů), ale stále je to proti

procesorům, které jsme si představovali dosud, neskutečný luxus.

15.10 Logické instrukce, rotace a posuny

Další část instrukcí jsou instrukce, které nepracují s čísly, ale s jednotlivými

bity.

AND, OR, EOR

Operace logického násobení (and, disjunkce), sčítání (or, konjunkce)

a výhradního OR (exclusive OR, xor, nonekvivalence) mají vždy dvě

varianty, pro registr A a pro registr B. Tedy ANDA, ANDB, ORA, ORB,

EORA, EORB. Možnosti zadání operandu jsou stejné jako u aritmetických

instrukcí: přímá hodnota, nebo krátká / dlouhá / indexovaná adresa.

Instrukce AND a OR mají i dříve zmíněné varianty ANDCC a ORCC, ale

pouze s přímou hodnotou.

BIT

Instrukce BIT se má k instrukci AND jako instrukce CMP k instrukci SUB.

Tedy méně krypticky: BIT je obdoba AND, ale po provedení operace

a nastavení příznakových registrů se výsledek zahodí. Opět jsou dvě

varianty, BITA a BITB, a čtyři možnosti zadání operandu.

ROL, ROR

Instrukce ROL a ROR rotují bitově obsah registrů A, B, nebo paměti. ROL

doleva, ROR doprava. Při rotaci se rotuje přes příznak C.

Varianty jsou opět, jako u aritmetických instrukcí, ROLA, ROLB, ROL,

RORA, RORB, ROR. Adresní módy jsou buď implicitní (když se pracuje

s registry A, B), nebo „svatá trojice“ krátká / dlouhá / indexovaná.

ROL posune bity o 1 doleva. To znamená, že bit 0 se přesune na pozici 1,

bit 1 na pozici 2, bit 2 na pozici 3 a tak dál, a bit 7, který nám vypadne

zleva ven, je zapsán do příznaku C, a původní hodnota z C je přesunuta do

pozice 0 v registru A. ROR funguje stejně, jen obráceným směrem.

Graficky to vypadá nějak takto:

Operace

Bity v registru / paměti Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 C

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 C

ROL Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 C Bit 7

ROR C Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

LSL, LSR, ASL, ASR

Posuny se od rotací liší v tom, že „vypadnuvší“ bit je přesunut do příznaku

C, ale původní hodnota tohoto příznaku je zahozena a místo ní vstoupí zpět

hodnota 0.

Logické posuny (LSL, LSR) posouvají doleva / doprava, a do uvolněného

bitu doplňují log. 0. Aritmetický posun doprava (ASR) funguje stejně jako

logický (LSR) a jedná se o synonymní označení pro stejnou instrukci.

Aritmetický posun doprava funguje jako logický, ale v nejvyšším bitu je

ponechána jeho původní hodnota.

Varianty opět stejné jako u rotací: ASLA, ASLB, ASL; ASRA, ASRB,

ASR; LSLA, LSLB, LSL; LSRA, LSRB, LSR. Adresní módy také stejné

jako u rotací.

Matematicky odpovídá posun doleva vynásobení hodnoty dvojkou, posun

doprava pak celočíselnému dělení 2 (zbytek je v příznaku C). Grafické

znázornění zde:

Operace

Bity v registru / paměti Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 C

Operace

Bity v registru / paměti Příznak

7 6 5 4 3 2 1 0 C

Výchozí stav Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 C

ASL

LSL

Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 „0“ Bit 7

ASR Bit 7 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

LSR „0“ Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

15.11 Přerušovací a speciální instrukce

NOP

Instrukce, která nedělá nic. Nic nemění, nic neukládá, nic nepočítá, jen trvá

dva takty.

Mimochodem, u procesoru 8085 trvala instrukce NOP 4 takty. U OMEN

Alpha jich za sekundu proběhne při pracovní frekvenci 1,8432 MHz

rovných 460 800. U OMEN Kilo s procesorem 6809 dvojnásobek, tedy

921 600. U Brava s procesorem 6502, který běží na kmitočtu 3,6864

MHz, je těch NOPů dokonce dvakrát tolik než u Kila (taky běží na

dvojnásobné frekvenci).

SWI, SWI2, SWI3

Instrukce jsou v lecčems podobné instrukcím RST u procesoru 8080. SWI

vyvolá „softwarové přerušení“, jehož chování odpovídá hardwarovému

přerušení signálem /IRQ. Tedy: uloží se na zásobník kompletní obsah

registrů kromě S, nastaví se bity I a F (tedy aby nemohlo přijít další

přerušení) a zavolá se rutina, jejíž adresa je uložená na FFFAh (2 bajty).

SWI2 a SWI3 se liší v tom, že nemaskují další přerušení (neovlivňují bity

I a F) a že svou adresu berou z jiného místa. SWI2 z adresy FFF4h a SWI3

z adresy FFFF2h (vždy 2 bajty).

Tabulka vektorů

Je vhodná chvíle shrnout si tabulku vektorů pro různé situace.

Adresa Vektor pro

FFFEh, FFFFh /RST

FFFCh, FFFDh /NMI

FFFAh, FFFBh SWI

FFF8h, FFF9h /IRQ

FFF6h, FFF7h /FIRQ

FFF4h, FFF5h SWI2

FFF2h, FFF3h SWI3

FFF0h, FFF1h Vyhrazeno (využito u HD6309)

SYNC

Instrukce podobná instrukci HLT u 8080 nebo HALT u Z80. Zastaví chod

procesoru a čeká na přerušení. Pokud přijde signál přerušení, není

zamaskované a trvá alespoň 3 takty, ke vyvolána obsluha přerušení

a procesor pokračuje v práci.

Pokud je přerušení zamaskované nebo impuls kratší, stane se pouze to, že

se procesor probudí a pokračuje v práci.

CWAI

Instrukce je podobná předchozí instrukci SYNC s tím rozdílem, že CWAI

má jeden přímo zadaný operand (immediate). Nejprve provede ANDCC

s tímto operandem, aby programátor mohl případně vynulovat bity I a F,

pak uloží na zásobník kompletní obsah registrů jako u ostatních

přerušovacích rutin a čeká na přerušení. Po jeho příchodu zavolá příslušnou

přerušovací rutinu.

Co se stane, když přijde požadavek /FIRQ, který, jak známo, očekává, že na

zásobník se ukládá jen CC a PC? Pokud programátor nevyžaduje žádné

speciální operace a používá standardní instrukce pro obsluhu přerušení,

nestane se nic, protože instrukce RTI si zkontroluje bit E (který CWAI

nastavuje) a správně obnoví obsah všech registrů i v rutině pro obsluhu

/FIRQ.

15.12 Další instrukce

Už žádné další nejsou. To je vše. Vážně. Tohle, co jsme si teď ukázali,

donutilo Billa Gatese k citovanému výroku. Posuďte sami, nakolik

oprávněně.

15.13 Pseudoinstrukce (Direktivy)

U assembleru 680x se používaly mírně odlišné direktivy. Shrnuje je

následující tabulka:

Význam 8080 Z80 6809

Uložení bajtů DB DEFB FCB

Uložení slov DW DEFW FDB

Vyhrazený prostor DS DEFS RMB

15.14 Tipy

 Instrukce, které pracují implicitně s obsahem registru X (STX, LDX,

CMPX) jsou kratší a rychlejší než jejich varianty s registrem Y (STY,

LDY, CMPY). U indexovaného adresování je jedno, jestli použijete X

nebo Y, tam to vliv nemá.

 Instrukce, které používají adresu z některého registru, jsou rychlejší

a kratší než s přímo zadanou kompletní adresou. Pokud přistupujete

několikrát po sobě ke stejnému místu v paměti, je dobré využít některý

z šestnáctibitových registrů.

 Pokud potřebujete často využívat offsetů 0 až 31, zkuste popřemýšlet,

jestli by nešlo hodnotu indexového registru zvýšit o 16 a používat offsety

-16 až +15

 Hledáte šestnáctibitové sčítání? Co třeba použít LEAX D,X?

Nulování paměti

Dejme tomu, že máme za úkol do bloku 8 kB paměti od adresy 6000h

nahrát samé nuly. Tedy na adresy 6000h až 7FFFh. Představte si, že je třeba

například rychle smazat obsah obrazové paměti.

Instrukce CLR by samozřejmě šla použít, ale byla by pomalá. Pojďme

využít rychlejší variantu:

LDX #$6000

LDU #0

LOOP: STU ,X++ ; 8 T

CMPX #$6000+$2000 ; 4 T

BNE LOOP ; 3 T

Ve smyčce se instrukcí STU nulují dva bajty najednou a pomocí

postdekrementace registru X máme postaráno o posunutí ukazatele. Smyčka

tedy proběhne 4096x a zabere 4096 x 15 = 61440 T. U OMEN Kilo to tedy

stihneme třicetkrát během sekundy, což je dostatečné pro mazání

obrazovky, ale nic jiného už nestihneme.

Nejznámější způsob urychlení programu je obětovat pár bytů paměti

a vnitřek smyčky „rozbalit“. Můžeme instrukci STU opsat 16x, to znamená,

že jeden průchod smyčkou nuluje 32 bajtů a budeme potřebovat 256

průchodů.

LDX #$6000

LDU #0

CLRA ;potřebujeme v A mít 256, což je nula

LOOP: STU ,X++ ; 8 T

STU ,X++ ; 8 T

(16x celkem)

DECA ; 2 T

BNE LOOP ; 3 T

Tato rutina bude vyžadovat 34048 T. Za sekundu ji Kilo stihne vykonat

54krát, což je skoro dvojnásobně lepší výsledek.

Pomocí ABX a indexovaného adresování můžeme napsat ještě rychlejší

variantu.

LDX #$6000

LDU #0

LDD #$0010 ;potřebujeme v B mít 16

LOOP: STU ,X ; 5 T

STU 2,X ; 6 T

STU 4,X ; 6 T

STU 6,X ; 6 T

STU 8,X ; 6 T

STU 10,X ; 6 T

STU 12,X ; 6 T

STU 14,X ; 6 T

ABX ; 3 T

STU ,X ; 5 T

STU 2,X ; 6 T

STU 4,X ; 6 T

STU 6,X ; 6 T

STU 8,X ; 6 T

STU 10,X ; 6 T

STU 12,X ; 6 T

STU 14,X ; 6 T

ABX ; 3 T

DECA ; 2 T

BNE LOOP ; 3 T

Všimněte si, že používáme indexovaný přístup s offsety 0 až 14, což se

vejde do postbyte a přinese jen jeden T navíc, a během smyčky dvakrát

přičteme B k registru X velmi rychlou instrukcí ABX. V registru A je opět

počítadlo průchodů. Tato rutina zabere 26880 T. Za sekundu ji tedy

stihneme 68krát.

Ještě o něco rychlejší varianta používá absolutní adresování v rozsahu -16

až +14. Tím srazíme čas na 26368 T.

Nejrychlejší metoda používá instrukci PUSH (PSHU), která potřebuje

k uložení dvoubajtové hodnoty 5 + 2n cyklů, kde N je počet ukládaných

dvoubajtových hodnot.

LDU #$6000 + $2000 ; od konce

LDD #0

LDX #0

LEAY ,X ;rychlejší než TFR

LOOP: PSHU D,X,Y ; 11 T

PSHU D,X,Y ; 11 T

PSHU D ; 7 T

CMPU #$6000 ; 5 T

BHI LOOP ; 3 T

Ve smyčce se opět ukládá 16 x 2 bajty = 32 bajtů. Je použito pět instrukcí

PSHU se třemi dvoubajtovými registry (D, X, Y) a jednou PSHU D na

doplnění do celkového počtu 16 ukládání.

Když si spočítáme náročnost této smyčky, dojdeme k tomu, že trvá 17920 T.

Za sekundu tedy proběhne stodvakrát…

Další možnost optimalizace je využití registru S a ukládání PSHU D, X, Y,

S. Tady je potřeba si uložit obsah registru S do paměti a pak jej opět načíst.

Máme šanci ušetřit přes 2500 T.

16 Další periferie

16.1 Než začneme rozšiřovat…

Následující řádky platí nejen pro Kilo, ale i pro další konstrukce.

Nejjednodušší způsob rozšiřování osmibitového počítače je vyvést

kompletní sběrnice – datovou, adresní i řídicí, minimálně signály pro čtení,

zápis a přerušení. Důležité je ale pamatovat na to, že pracujeme se signály

s megahertzovými frekvencemi, a takové signály potřebují alespoň trochu

péče.

Zaprvé: vedení nesmí být příliš dlouhé. Jednotky, maximálně nízké desítky

centimetrů.

Zadruhé: cokoli, co se připojuje a odpojuje, představuje riziko. Nejen při

samotném připojování a odpojování (to lze vyřešit pravidlem „připojovat

a odpojovat pouze při vypnutém napájení“), ale třeba tím, že v případě více

periferií nedokáže procesor dát dostatek proudu pro signály. To se projeví

nejprve nenápadnými chybami, později tím, že systém přestane pracovat.

Proto je víc než vhodné před rozšiřovací konektory zapojit budiče

a posilovače sběrnice. U datové sběrnice nezapomeňte na to, že je potřeba

vyřešit její obousměrnost.

Můžete použít například obvod 74HC245, který jsme použili v konstrukci

OMEN Alpha. Směr určí signál /RD – pouze pokud procesor čte, tak by

měl obvod pouštět informace do systému. Ale pozor – pouze při čtení

z oblasti, která není obsazená nějakou vnitřní pamětí či periferií, jinak se

data znehodnotí. Druhá možnost je zapojit tento obvod až k samotné

periferní desce a využít její dekodér.

U adresní sběrnice můžete využít dva obvody 74HC244 – to jsou

osminásobné datové budiče s třístavovým výstupem. Řízení třístavového

výstupu nechte buď v log. 0 (na výstupech pak bude stále adresa, kterou

posílá procesor), nebo jej připojte k signálu Bus Acknowledge, tedy k tomu,

který potvrzuje odpojení procesoru od sběrnice (u 8080 je to HLDA, u Z80

/BUSACK – nutno invertovat, u 6809 je to signál BA).

Vhodné je posílit i řídicí signály a případně hodinový signál. Hodinový

signál je pro práci celého systému esenciální, a jeho případné zkreslení či

rušení může způsobit opět nefunkčnost, případně chybovost celého

systému.

Obecně platí, že s obvody paměti a dvěma periferiemi si nemusíte ještě moc

lámat hlavu. Třetí periferie už je na hraně a trošku sázka do loterie, a pokud

plánujete čtvrtou a další, už byste měli posílení sběrnice řešit.

Některé periferní obvody jsou konstruované tak, že je lze připojit přímo

k procesoru. Kromě standardní výbavy té které procesorové řady (většinou

sériový obvod, paralelní, časovač, řadič přerušení, řadič DMA a další) mezi

ně patří i další obvody, namátkou hodiny reálného času, displeje nebo disky.

Za chvíli se podíváme na připojení paměťové karty Compact Flash. Tyto

paměťové karty mají standardní rozhraní ATA (IDE), a když se podíváte na

návrh tohoto rozhraní, zjistíte, že vypadá velmi podobně, jako třeba

rozhraní obvodů PIA. Máte datovou sběrnici (u IDE má 16 bitů), několik

adresních signálů (u IDE jsou čtyři), signály zápisu a čtení, signál výběru

periferie (chip select)…

Totéž platí třeba i pro známé znakové LCD displeje 1602, 2004 apod. Tyto

displeje mají rovněž osmibitovou datovou sběrnici a řídicí signály a vlastně

nám nic nebrání připojit je přímo k procesoru.

Jiné periferie vyžadují speciální rozhraní, a ty je lepší připojit k nějakému

dedikovanému komunikačnímu obvodu (VIA, PIA apod.) a ovládat je až

pomocí tohoto obvodu.

Někdy může být výhodné připojit i periferie jako jsou displeje nebo

zmíněný IDE disk prostřednictvím obvodu paralelního rozhraní (8255,

6820). Ušetříte si práci s posilovačem sběrnice a oddělíte je tím od zbytku

systému. Případná chyba periferie tak neovlivní práci celého počítače. Na

druhou stranu je práce s takto připojenou periferií o něco pomalejší, což

někdy může vadit.

16.2 Paralelní port PIA (6821)

Použili jsme už obvod PPI 8255 (u OMEN Alpha) i VIA 6522 (u Brava).

Obvod PIA 6821 (v rodině 65xx má analogický obvod 6521 – liší se pouze

označením některých vývodů, např. místo E je PHI2) je jednodušší verze

obvodu VIA 6822 / 6522. Obsahuje dva osmibitové paralelní porty

s možností nastavit každý bit každého portu nezávisle jako vstup nebo

výstup.

Opět vidíme ze strany procesoru standardní rozhraní: datovou sběrnici se

signály D0 – D7, dva vstupy pro výběr registrů (RS0 a RS1 – připojte je

k adresní sběrnici, třeba na A0 a A1), signály R/W a E, které odpovídají

signálům u procesoru 6809, vstup /RESET, tři vybavovací vstupy CS0, CS1

a /CS2 (obvod reaguje, pokud CS0 = CS1 = 1 a /CS2 = 0) a dva přerušovací

výstupy /IRQA a /IRQB. Tyto výstupy jsou v provedení „s otevřeným

kolektorem“, tak je můžete bez problémů spojit dohromady a připojit oba

ke vstupu /IRQ, /FIRQ nebo /NMI (nezapomeňte na pull up rezistor).

Ze strany portů jsou k dispozici port A (PA0 – PA7), port B (PB0 – PB7)

a dva řídicí signály pro každý port (CA1, CA2, CB1, CB2).

Řídicí signály CA1, CB1 slouží jako zdroj požadavků na přerušení. Lze

nastavit, jestli reagují na vzestupnou, nebo sestupnou hranu signálu,

případně lze přerušení od těchto vstupů zamaskovat.

Řídicí signály CA2, CB2 mohou být naprogramovány buď jako zdroj

přerušení, stejně jako v předchozím případě, nebo jako datový výstup.

Výstup můžete řídit buď přímo, nebo můžete určit, že se výstup chová jako

signalizace „data na portu připravena“. Signály Cx2 mají zapojený interní

pull-up rezistor.

Porty A a B nejsou identické. Port A je vybavený pull-up rezistory a při

čtení vrací vždy hodnotu, která je na vstupním pinu.

Port B má namísto toho klasický třístavový výstup, kompatibilní

s úrovněmi TTL, a může budit vyšší zátěž. Při čtení se chová různě podle

toho, jestli je nastaven jako vstup, nebo jako výstup. Pokud je nastaven jako

vstup, čte se hodnota z pinu. Když je nastaven na výstup, při čtení z tohoto

portu získáte data, která jste si uložili do registru.

Obvod PIA má šest interních registrů, ale přímo adresovatelné jsou jen čtyři

(máme dva adresní vstupy RS0 a RS1). Jedná se o řídicí registr (CR),

datový registr (PORT) a registr směru toku dat (DDR), všechny ve

variantách pro port A a port B: CRA, CRB, PORTA, PORTB, DDRA,

DDRB.

Jak návrháři vyřešili problém přístupu k šesti registrům, když jsou

adresovatelné jen čtyři? Je to prosté: Na adresách 1 a 3 jsou řídicí registry

CRA a CRB, na adresách 0 a 2 jsou datové a směrové registry

(PORT/DDR). Bit 2 příslušného řídicího registru (CRA2, CRB2) udává,

jestli na adrese 0, resp. 2, je k dispozici datový registr (PORTA, PORTB –

když bit 2 = 1), nebo registr řízení směru (DDRA, DDRB – bit 2 = 0).

RS1 RS0 CRA2 CRB2 Registr

0 0 1 X PORTA

0 0 0 X DDRA

0 1 X X CRA

1 0 X 1 PORTB

1 0 X 0 DDRB

1 1 X X CRB

Registry PORT nastavují hodnoty, které jsou poslané na výstupní piny. Při

čtení z těchto registrů získáte buď hodnoty na pinech (port A, port B

v režimu vstup), nebo hodnoty předtím uložené do registru PORT (port B

v režimu výstup).

Každý jednotlivý pin lze nastavit individuálně jako vstupní, nebo jako

výstupní, a to zápisem hodnoty 0 nebo 1 do příslušného bitu registru DDR.

Hodnota 0 znamená, že se příslušný pin chová jako vstup, hodnota 1

znamená výstup.

Řídicí registr CRx ovládá, kromě už zmíněného přepínání mezi datovým

a směrovým registrem, hlavně chování vývodů Cx1, Cx2. Zároveň udržuje

dva příznaky pro přerušení.

Bit 0 udává, jestli je povolené přerušení vstupem Cx1. Pokud je 0, je

přerušení zakázané.

Bit 1 říká, jestli je přerušení vyvolané sestupnou (0), nebo vzestupnou (1)

hranou na vstupu Cx1.

Bit 2 přepíná, jak už bylo zmíněno, přístup k registru DDR (0) nebo

k PORT (1).

Bit 5 nastavuje chování vývodu Cx2. Pokud je 0, je Cx2 vstup, pokud je 1,

je Cx2 výstup.

Bit 6 oznamuje, že došlo k přerušení od vstupu Cx2. Je automaticky

vynulovaný při čtení datového registru, nebo RESETem. Pokud je Cx2

nakonfigurovaný jako výstup, je tento bit 0.

Bit 7 oznamuje, že došlo k přerušení od vstupu Cx1. Vynulovaný je při

čtení datového registru a při RESETu.

Vynechal jsem bity 3 a 4. Tyto bity ovládají vývody Cx2 a jejich role se liší

podle toho, jestli je tento vývod nakonfigurovaný jako vstup (bit 5 = 0),

nebo jako výstup (bit 5 = 1).

Pokud je bit 5 = 0 (Cx2 je vstup), fungují analogicky jako bity 0 a 1. Tedy

bit 3 zakazuje (0) nebo povoluje (1) přerušení od vstupu Cx2, bit 4 aktivuje

přerušení od sestupné (0) nebo vzestupné (1) hrany.

Pokud je bit 5 = 1, tak můžeme buď přímo ovládat úroveň na tomto výstupu

(pokud je bit 4 = 1, tak na výstup Cx2 je zapsána hodnota z bitu 3), nebo

nastavit Cx2 jako strobovací signál (bit 4 = 0).

Strobovací mód je asi nejsložitější, navíc se liší u portu A a portu B.

U portu A funguje jako příznak „procesor přečetl data“. Jakmile přečte data

z registru PORTA, nastaví se při sestupné hraně vstupu E pin CA2 do log.

0. Zpátky do log. 1 je nastaven podle toho, co je v bitu 3 řídicího registru

CRA. Pokud 0, čeká se na aktivní přechod na vstupu CA1 (který přechod je

aktivní určuje bit 1 řídicího registru). Pokud je tam 1, čeká se na první

sestupnou hranu signálu E.

U portu B funguje jako příznak „data připravena ke čtení“. Jakmile

procesor zapíše data do registru PORTB, nastaví se při následující

vzestupné hraně vstupu E pin CB2 do log. 0. Zpátky do log. 1 je nastaven

podle toho, co je v bitu 3 řídicího registru CRB. Pokud 0, čeká se na aktivní

přechod na vstupu CB1. Pokud je tam 1, čeká se na první vzestupnou hranu

signálu E.

Já jsem si udělal malý modul, který obsahuje pouze tento obvod a pinové

lišty. Pomocí switche přepínám mezi adresami IO1 – IO7. Tento obvod lze

docela dobře připojit ke všem dosud probíraným konstrukcím. Doporučuju

variantu 68B21, která zvládá vyšší rychlosti (verze 6821 do 1 MHz, 68A21

do 1,5 MHz, 68B21 do 2 MHz).

Díky tomuto modulu tak získávám velmi užitečné rozhraní, na které mohu

pohlížet i jako na 16 konfigurovatelných vývodů. Díky nim mohu

připojovat moderní periferie s rozhraním SPI (4 vývody) a I

C (3 vývody)

…

16.3 Moderní periferie (SPI)

Několik jsem jich zmínil v Hradlech, voltech. Spousta dalších je ale

použitelná i s „novými starými osmibity“. Jako příklad mě napadá třeba SD

karta nebo některé displeje s rozhraním SPI.

Staré osmibity bohužel nemají přímo rozhraní SPI, to vzniklo až mnohem

později. Dokonce nejsou ani široce dostupné obvody, které by člověk mohl

k těmto procesorům připojit a ony by fungovaly jako řadiče sběrnice SPI.

Existuje řešení, implementované v obvodech CPLD (Xilinx XC9532

apod.), popřípadě přímo obvodově, pomocí posuvných registrů a čítačů.

Výhodou takového řešení je vysoká přenosová rychlost, klidně i vyšší, než

je pracovní rychlost procesoru.

Jednodušší řešení nechává většinu námahy na procesoru a programátorovi.

Nejčastěji se použije paralelní port, buď PPI 8255, nebo PIA/VIA, popsané

v minulé kapitole, a jeho piny se využijí na vstup a výstup dat. U PIA/VIA

je to o něco snazší, u 8255 musíme myslet na to, že jako vstup či výstup

může být nastavena vždy celá brána A, B, případně polovina brány C.

Potřebné průběhy signálů pak musíte generovat programem, a to včetně

hodinových pulsů SCK. Není to nijak složité, jen to zabere nějaký čas

a paměťový prostor.

Zkusím hrubý odhad: na vyslání jednoho bitu bude u procesoru 6809

potřeba cca 16 – 20 taktů hodin. Je potřeba nejprve připravit datový bit

a hodinový puls do registru, jeho obsah poslat do PIA, negovat bit

s hodinami, opět poslat obsah do PIA a rotovat data. Vyslání jednoho bajtu

tak bude trvat 128 – 160 taktů. Počítejme 150. Teoreticky tedy stihneme za

jednu sekundu poslat 12 kilobajtů. Čtení bude ještě o něco pomalejší.

Pokud by rozhraní SPI běželo na kmitočtu, rovném hodinovému, stihli

byste za sekundu poslat 225 kilobajtů.

Je to málo? Je to moc? Pokud budete přes SPI připojovat třeba externí

paměť, tak asi není problém počkat pár sekund na načtení celých 32 kB do

paměti RAM. Pokud ale zvažujete připojit přes SPI například displej, tak na

nějaké akční divoké hrátky s obrazem spíš zapomeňte – nebo sáhněte po

obvodovém řešení.

16.4 Hodiny reálného času (RTC)

Oblíbený obvod DS1307, který znáte z Arduina, jde použít, pokud si

postupem z minulé kapitoly implementujete rozhraní I

C. Je to ale poněkud

nepohodlné. Můžeme sáhnout k obvodu, který se používal dřív, a nese

označení RTC72421 (výrobce Epson). Tento obvod má rozhraní,

kompatibilní s osmibitovými procesory, a navíc má přímo v pouzdru

integrovaný krystalový oscilátor.

Jeho zapojení je trochu netradičnější, především proto, že datová sběrnice je

pouze čtyřbitová. Obvod RTC se navenek chová jako paměť 16x4 bity. Má

tedy čtyři adresní vstupy A0 – A3, čtyři datové obousměrné vývody D0 –

D3, má vstupy /RD a /WR, které indikují zápis či čtení, má vstupy /CS0

a CS1 a vstup ALE, známý z procesoru 8085.

Vstup ALE můžete připojit k napájecímu napětí, obvod se pak chová zcela

normálně jako každý jiný periferní obvod.

Vstupy /CS0 a CS1 můžete používat tak, jak jste zvyklí, ale nejčastější

způsob je ten, že používáte pouze /CS0. CS1 je připojený na napájecí napětí

a dokáže indikovat jeho výpadek (vynuluje bity HOLD a RESET).

Kromě výše popsaných signálů nabízí obvod i výstup, nazvaný STD.P

(STanDard Pulse). Tento výstup používá otevřený kolektor (je tedy možné

ho spojit například s výstupy INT u obvodu PPI). Na tomto výstupu se

objevují pulsy s periodou jedné hodiny, jedné minuty, jedné sekundy nebo

1/64 sekundy (lze naprogramovat). V daný čas se STD.P přepne do logické

0, a zpět se vrátí buď po uplynutí 7.8125 ms (výstup s pevnou délkou

pulsu), nebo poté, co procesor vynuluje interní příznak IRQF (vynuluje bit

2 registru Dh – režim přerušení).

Obvod pracuje s čísly ve formátu BCD a v registrech 0h – Bh udržuje

informace o sekundách (registry 0, 1), minutách (2, 3), hodinách (4, 5),

dnech (6, 7), měsících (8, 9) a letech (Ah, Bh). Vždy v nižším registru jsou

jednotky, ve vyšším desítky. Registr Ch udržuje informaci o dnu v týdnu.

Z popsaného je vidět, že informace o roku je pouze dvouciferná (00 – 99),

což asi nebude až tak velký problém. Obvod umí pracovat s přestupnými

roky, ale letní čas za vás nevyřeší.

Registr Dh (řídicí registr D) obsahuje následující bity:

Bit 0 – HOLD. V tomto registru je za normálního provozu 0. pokud

potřebujete nastavit nebo číst informace o času, nastavte tento bit na 1. Tím

se pozastaví změna času až na jednu sekundu, což je dostatek času k tomu

nastavit nebo přečíst obsah registrů 0 – Ch. Pokud po nastavení nevrátíte bit

HOLD zpět do nuly, budou hodiny stát.

Bit 1 – BUSY. Pokud chcete zapsat čas, nastavíte HOLD na 1 a čtěte stav

bitu BUSY. Měl by být 0. Pokud bude 1, znamená to, že se během operace

změnila hodnota sekund. Nyní byste měli zapsat do bitu HOLD opět nulu,

počkat alespoň 190 mikrosekund a pak postup opakovat. (BUSY je pouze

ke čtení.)

Bit 2 – IRQF. Tento bit je nastaven do log. 1, pokud došlo k události

časovače (výše zmíněná změna minut, hodin, sekund, nebo uplynutí

intervalu jedné čtyřiašedesátiny sekundy). Pokud používáte režim

„interrupt“, zapište do tohoto bitu 0, aby se výstup STD.P vrátil zpět do log.

Bit 3 – 30sec ADJ. Tuto funkci pamatujete možná ze starých digitálních

hodin. Když jste čekali na časové znamení, mačkali jste průběžně tlačítko

ADJUST, které vynulovalo počítadlo sekund. Pokud před stisknutím byla

hodnota 30 – 59, přičetla se jednička k počítadlu minut. Přesně tak funguje

tento bit. Pokud do něj zapíšete 1, provede se zaokrouhlení času na nejbližší

minutu.

Registr Eh obsahuje bity, které řídí výstup STD.P.

Bit 0 – MASK. Zapsáním 1 do tohoto bitu deaktivujete výstup STD.P a ten

zůstane stále v log. 1 (přesněji řečeno odpojen).

Bit 1 – ITRPT/STND. Logická 0 zapíná výstup s pevnou periodou (STD.P

se vrací k 1 po 1/128 sekundy), logická 1 zapíná mód „přerušení“. (STD.P

se vrací k 1 po vynulování příznaku IRQF).

Bity 2 a 3 – Timing. Tyto bity nastavují frekvenci událostí na výstupu

STD.P. OO nastavuje periodu 1/64 sekundy, 01 nastavuje periodu 1

sekunda, 10 znamená periodu jedné minuty a 11 je perioda jedné hodiny.

Poslední registr Fh obsahuje bity RESET (bit 0; pokud je 1, nuluje se

interní čítač milisekund), STOP (bit 1; pokud je zde log. 1, hodiny stojí), bit

12/24 (bit 2; logická 1 znamená 24hodinový režim) a bit TEST (bit 3; tady

musí být vždy 0).

Obvod RTC má smysl hlavně tehdy, pokud oplývá záložní baterií. Bez ní

musíte po každém zapnutí počítače nastavovat hodiny znovu, a to není moc

příjemné. Návrháři EPSONu s tímto počítali, a tak obvod RTC72421 má

sice ve specifikaci napájecí a provozní napětí +5 V, ale k udržení informace

o čase stačí pouhé 2 volty. V takovém případě má obvod udávanou

maximální spotřebu 5 mikroampérů.

V praxi tedy stačí přivést na napájecí vstup jednak samotné napájecí napětí,

ideálně přes Schottkyho diodu, a k němu paralelně přes další Schottkyho

diodu připojit třívoltovou baterii.

Pokud máte k dispozici dobíjecí akumulátor NiCd, můžete jej připojit přes

rezistor 500 – 800 ohmů a vynechat diodu mezi akumulátorem a napájecím

napětím. Oddělovací rezistor je naprosto nezbytný, akumulátory se nesmí

dobíjet velkými proudy. Pro NiCd akumulátory platí empirické pravidlo, že

nabíjecí proud v mA musí být menší než desetina kapacity akumulátoru

v mAh.

Obrázek 57: Zapojení záložní baterie a záložního akumulátoru pro RTC

16.5 Pořádně velké úložiště (CF IDE)

Zatím naše konstrukce umožňovaly komunikaci s obsluhou, nahrání

programu po sériové lince, případně načtení zpět do počítače, ale chyběla

možnost si svou práci uložit. Chyběl ekvivalent kazetového magnetofonu…

Samozřejmě že by šlo použít kazetový magnetofon, klidně vzít i přímo

nějaké rutiny z tehdejších počítačů, šlo by i patřičně zpomalit sériový port

a modulovat jeho výstup pro audio, jako to dělal třeba PMD-85, ale ruku na

srdce: Vy máte ještě kazeťák a kazety? Jasně že by to bylo vyntyč a retro,

ale zase poněkud nepraktické.

V posledních letech se objevuje mnoho konstrukcí, které k původním

počítačům z 80. let doplňují možnost ukládání na moderní periferní

zařízení, většinou paměťové karty typu SD nebo Compact Flash.

SD karta je velmi šikovná periferie. Můžete ji připojit přes standardní

rozhraní SPI a nabízí naprosto perfektní poměr cena / kapacita. Daní za to

je trochu složitější ovládání, a u konstrukcí s osmibitovými procesory pak

nízká rychlost, protože nejsou dost dobře dostupné řadiče SPI a celý přenos

pak většinou musí zvládnout samotný procesor pomocí řízení bitů

paralelního portu.

Lepší možnosti v tomto směru nabízejí karty Compact Flash. Tyto karty

mají standardní rozhraní IDE, které znáte z počítačů PC. Rozhraní IDE je

vlastně velmi podobné periferním obvodům, jaké jsme si popisovali

v předchozích kapitolách. Má datovou sběrnici, několik adresových vstupů,

vstupy Chip Select, Write a Read – takže vlastně na úrovni například

obvodu VIA 6522.

Trochu problém může být, že IDE je šestnáctibitové. Buď musíte připojit

IDE třeba k obvodu 8255 a využít dva paralelní porty pro data, nebo prostě

polovinu kapacity obětovat a použít jen nižší bity datové sběrnice. Ovšem

velké množství Compact Flash karet umí pracovat v osmibitovém režimu.

Pak je práce s takovou kartou opravdu na úrovni připojení jakéhokoli jiného

periferního obvodu.

Lehká nevýhoda je interoperabilita. Pokud chcete využít standardní

souborové systémy, jako třeba FAT, aby bylo možné přenášet soubory mezi

vaším strojem a standardním počítačem, není to úplně jednoduché. Nikoli

neřešitelné, ale poměrně náročné. A standardizované souborové systémy

pro „malé soubory“ nejsou.

Různé konstrukce například emulují funkci starých disket pro systém CP/M

pomocí souborů – na kartě je standardně zapsán třeba soubor disk000.dta

s velikostí rovnou kapacitě tehdejší diskety, a obslužný software překládá

přístup k „disketě“ na čtení a zápis v rámci tohoto souboru. Což ovšem

předpokládá, že soubor není fragmentovaný.

Další problém je, že paměti, založené na technologii Flash, mají omezený

počet cyklů zápis / mazání, a souborové systémy jako je FAT, kde se velmi

často přepisuje jedno a totéž místo na disku (alokační tabulka), dokážou

tyto cykly velmi brzy vyčerpat. Sofistikovanější média to řeší tím, že na

pozadí používají vlastní souborové systémy, ale u jednoduchých CF nebo

SD karet, nebo dokonce přímo u paměťových čipů, doporučuji použít jinou

organizaci dat.

Pokud u CF nebo SD použijete ryze vlastní organizaci, tedy budete např.

ignorovat MBR a rozdělení média na oddíly, přijdete tím o možnost

přístupu k datům na PC, protože se karta bude hlásit jako poškozená.

Když pro vlastní souborový systém použijete vyhrazený oddíl, nebude

sice obsah viditelný, ale zbytek média můžete využít standardním

způsobem.

Možnou inspirací mohou být takzvané logové souborové systémy (log-

structured file system), jako je třeba YAFFS (Yet Another Flash File

System). Tyto systémy pohlížejí na paměť jako na pole sektorů, které

postupně plní. Když je potřeba nějakou informaci přepsat (nejen data, ale

třeba i velikost souboru apod.), zapíší se nová data na konec aktuálních

záznamů a nastaví se jim stejný identifikátor, jako u předchozího záznamu,

jen se o 1 zvýší číslo „verze“ (zjednodušeně řečeno). Stará data se pak

označí jako neplatná (nastaví se příznak na 0).

Nevýhodou podobného souborového systému je, že software musí

procházet jednotlivé sektory a hledat, kde soubory začínají, aby je vůbec

mohl vypsat, navíc musí kontrolovat, jestli není někde jinde novější verze

téhož sektoru.

 https://z80project.wordpress.com/2015/07/06/z80-8-bit-compact-flash-

card-interface-part-1/



http://www.elektronika.kvalitne.cz/ATMEL/necoteorie/IDEtesty/rizeni_C

F_HDD.html

 http://searle.hostei.com/grant/cpm/index.html

 http://www.waveguide.se/?article=8-bit-compact-flash-interface

16.6 Lepší zvuk

Pamatuju se, jak jsem, coby mladý Spectrista, experimentoval se zvukem.

Jeden jediný bit, přesné časování, a ono to nakonec hrálo. Bylo to strašlivé

a citlivější jedinci si zacpávali uši, ale správný Spectrista v tom škvrčení

a pískání poznal i melodii. Kolegové, co měli Atari nebo Commodory, se

mohli jen usmívat. Jejich počítače totiž obsahovaly speciální obvody na

generování zvuku – u Atari se mu říkalo POKEY, u Commodora to byl

známý obvod SID 6581 (později vylepšený 8580).

I Spectristi se dočkali s příchodem ZXS128 – ten obsahoval, rovněž známý,

obvod AY-3-8912, což je zmenšená verze čipu AY-3-8910. Tentýž čip,

respektive jeho plná verze, se objevoval i v nejrůznějších domácích

konstrukcích. Interface „Melodik“ pro Didaktiky obsahoval přesně tento

zvukový obvod. Yamaha vyráběla vlastní, mírně vylepšenou variantu pod

označením YM2149 – byla použitá například v Atari ST.

SAM Coupé, duchovní nástupce ZX Spectra, obsahoval o něco výkonnější

obvod SAA1099 – na rozdíl od tříkanálového AY produkoval SAA1099

šestikanálový zvuk.

K osmibitovým počítačům bylo možné připojit ještě pokročilejší obvody,

například OPL2 od Yamahy (YM3812), ale to se, pokud vím, moc nedělo.

Obvody OPL2 se objevily až ve zvukových kartách pro PC (AdLib,

SoundBlaster).

Vlastní zvukový čip vyráběl i gigant mezi výrobci integrovaných obvodů,

Texas Instruments. Pro svůj vlastní počítač TI-99/4A vyvinul čip, později

prodávaný jako SN76489. Tento čip byl použit kromě zmíněného TI-99/4A

i v některých konzolích, nebo v počítačích Sharp MZ-800 a Sord M-5,

známých i u nás. Svými zvukovými schopnostmi odpovídá plus mínus

zmíněnému obvodu AY, největší rozdíl je asi ten, že všechny tři zvukové

kanály mixuje dohromady už uvnitř pouzdra, takže ven jde pouze jeden

monofonní audiosignál.

Který je ten nejlepší?

To je dodneška spolehlivý startér nekonečných debat. Jak se říká: každý jen

tu svou má za jedinou a je ochoten se za ni, respektive za něj, bít do

roztrhání těla, občanského průkazu a pozbytí důstojnosti.

Vynechme novější čipy OPL, které nabízejí FM syntézu, devítikanálový

zvuk a podobné vymoženosti. Zaměřme se na obvody, používané

v osmibitech.

Zde je nekorunovaným králem asi Commodore SID. Nabízel tři kanály

s rozsahem osmi oktáv, z nichž každý mohl používat jeden ze čtyř průběhů

(pila, trojúhelník, obdélník a šum). Dále programovatelný filtr, obálky

hlasitosti a tři kruhové modulátory. Díky všem těmto vymoženostem byl

zvuk SIDu velmi bohatý a tehdejší hudebníci (namátkou: Martin Galway,

Rob Hubbard, Chris Hülsbeck nebo Ben Daglish) dokázali z tohoto obvodu

vyždímat melodie, které se staly už klasikou. SID zároveň obsahoval A/D

převodníky, které se používaly k obsluze herních ovladačů či později myši.

SID má ale zásadní nevýhodu: je jich málo a jsou drahé. Na burzách není

problém potkat SIDy za cenu přes 200 Kč. Existují ale náhrady, například

SwinSID (který emuluje zvukový generátor pomocí procesoru ATmega)

nebo ARMSID.

POKEY od Atari je zákaznický obvod, který měl na starosti nejen zvuk, ale

především obsluhu klávesnice, joysticků a sériového rozhraní. Nabízí čtyři

zvukové kanály s možností volby průběhu (obdélník nebo šum)

a programovatelný filtr (horní propust). Použití POKEY ve vlastních

konstrukcích je možné, ale obvod samotný je téměř nesehnatelný.

Philips SAA1099 je o něco novější než předchozí jmenované. Nabízí šest

zvukových kanálů a stereofonní výstup. Zvukové generátory opět používají

jediný typ průběhu, totiž obdélník. Obvod obsahuje i dva nezávislé

generátory šumu. Každý z nich může využít jako „nosnou frekvenci“ (která

ovládá „zabarvení“ šumu) buď jednu ze tří předdefinovaných, nebo

frekvenci generátoru 0 (resp. 3). Máte k dispozici i dva generátory

hlasitostních obálek.

Obvod SAA1099 je docela dobře sehnatelný a jeho cena se pohybuje

v rozumném rozpětí 30 – 50 Kč. Je tedy vhodným kandidátem pro použití

ve vlastní konstrukci.

Dobře sehnatelný je i SN76489. Tento obvod nabízí, jak už jsem se zmínil,

tři zvukové kanály a jeden šumový generátor. Výsledný zvuk je uvnitř

obvodu smíchán do jednoho výstupu, což je asi nejzásadnější rozdíl oproti

obdobnému čipu AY-3-8910. Druhý rozdíl proti AY je ten, že SN nenabízí

hlasitostní obálky.

Konečně AY-3-8910 nabízí tři kanály (se samostatnými výstupy), generátor

šumu a generátor obálky. Kromě zvuku obvod obsahuje i dva osmibitové

obousměrné paralelní porty, takže jej můžete v konstrukcích použít namísto

obvodů 8255 či 6821. Obvod se stále dá sehnat za příznivé ceny, případně

jeho ekvivalent YM2149.

Drobná nevýhoda je adresace. Zatímco předchozí obvody nabízely většinou

standardní rozhraní, na které jsme zvyklí (/CE, /WE, A0 pro výběr řízení /

dat), obvod AY má tři vstupy BDIR, BC1 a BC2. BC2 je navíc nadbytečný,

může být připojen na napájecí napětí. Ovládání je pak na vstupech BDIR

a BC1.

BDIR BC1 Funkce

0 0 Neaktivní

0 1 Čtení dat

1 0 Zápis dat

1 1 Nastavení adresy registru

K adresování je pak nutné použít několik hradel, kterými si z obvyklých

signálů vygenerujete tuto dvojici.

Obvod AY-3-8910 má svého menšího příbuzného AY-3-8912, který

obsahuje pouze jediný paralelní port. Tato verze byla použitá v ZX Spectru

128k. Dnes se o něco obtížněji shání a je výrazně dražší.

Ještě menší varianta AY-3-8913, která neměla žádný paralelní port, se moc

nepoužívala a dnes je téměř k nesehnání.

I pro AY existuje emulátor – hledejte klíčové slovo „avray“…

Pro vlastní konstrukci bych doporučil obvody SN76489 (jsou levné

a jednoduché), popřípadě SAA1099 (jsou v dané kategorii asi

nejvyspělejší). Obvody AY jsou sice dobře dostupné a za rozumnou cenu,

ale tam je výrazným negativem jejich podivné adresování. Obvody SID či

POKEY jsou buď nesehnatelné, nebo extrémně drahé. Z novější generace

bych doporučil k experimentům obvody od Yamahy, jako OPL2,

zjednodušený OPLL (YM2413) nebo OPN2 (YM2612).

Jak vlastně hrají?

Ačkoli se od sebe navzájem jednotlivé obvody výrazně liší, základní

principy práce mají podobné.

Všechny jmenované obvody fungují tak, že mají několik vnitřních registrů

(ty jednodušší třeba 8, 16, komplexní až 256), z nichž každý řídí některý

parametr generování zvuku. Aby návrháři ušetřili adresní vstupy

a zjednodušili zapojení, používá se u těchto obvodů dvoufázový přístup.

V první fázi se do obvodu zapíše adresa registru, s nímž chcete pracovat,

a v druhé fázi se z obvodu čte, nebo se do něj zapisuje.

V konkrétních detailech se obvody liší – většina má nějaký vstup, kterým

odlišuje data a adresu, obvod SN takový vstup nemá a používá

sedmibitová data, osmý bit rozhoduje, zda jde o data, nebo o data a adresu

registru.

Každý z těchto obvodů má vstup, k němuž je zapotřebí připojit nějaký

vnější generátor kmitočtu – většinou v řádech MHz. Uvnitř obvodu je tento

kmitočet předděličkou snížen na kmitočet v řádech desítek kHz. Z tohoto

kmitočtu se generují jednotlivé tóny.

Základním tvarem zvukových průběhů je u probíraných obvodů obdélník.

Vzniká jednoduše podělením hlavní frekvence nějakou konstantou, která je

uložena ve vnitřních registrech.

Většinou bývá tato konstanta deseti- či dvanáctibitová. Výsledná frekvence

vzniká podělením pracovní frekvence hodnotami 1 až 1024 (popř. až 4096

u dvanáctibitových děličů).

Každý kanál má vlastní registr pro tuto hodnotu, která udává přímo

frekvenci generovaného zvuku.

Dále mívá každý kanál vlastní registr pro hlasitost. Většinou bývá

čtyřbitová, v rozsahu 0 – 15.

Obvody mívají i generátor šumu pro vytváření perkusních zvuků (činely

apod.) – k tomuto generátoru bývá často možnost měnit charakteristiku

šumu („frekvenci“).

Důležitý registr je takzvaný směšovač, který určuje, jestli v tom kterém

kanálu zní generovaný tón, nebo šum.

U většiny obvodů najdeme i takzvaný generátor obálky. Obálka hlasitosti

(volume envelopment) je křivka průběhu hlasitosti, která výrazně ovlivňuje

charakter zvuku. Někdy se označuje též ADSR podle svých základních

prvků.

Obecně lze u zvuků pozorovat čtyři fáze, které popisujeme jako náběh

(Attack), pokles (Decay), výdrž (Sustain) a doznívání (Release). Například

při úderu kladívka do struny v pianu se struna nejprve prudce rozezní a pak

její hlasitost poklesne na standardní hodnotu. Tam drží, dokud je klávesa

stisknuta. Jakmile klávesu pustíte, tón se ztrácí, ale ještě krátkou dobu

doznívá.

Každý druh nástroje má vlastní charakteristiku. Některé mají výše

popsanou, některé mají náběh pomalý, některé mají dlouhé doznívání,

některé mají téměř okamžitý náběh, rychlý pokles a výdrž nulovou…

Zvukové generátory mívají generátor takové obálky, který můžete zapnout

pro konkrétní kanál. Parametry ADSR se většinou udávají jako čtyřbitová

čísla, kde A, D a R je čas náběhu nebo doběhu a S je úroveň hlasitosti.

Většina generátorů ale nemá až takové možnosti nastavení a nabízí jen

možnost vybrat předpřipravený tvar a určit jeho rychlost.

Valčík na rozloučenou

Máte svůj vlastní zvukový generátor, připojený ke svému vlastnímu

počítači. Reprobedny fungují. Přeložili jste si vlastní obslužný program,

který nastaví hodnoty do registrů. Spouštíte – a zní tón!

Od tónu k melodii je ale ještě dlouhá cesta. V melodii se tóny různě střídají

a každý má jinou dobu trvání. K tomu, abyste hráli opravdu hudbu, musíte

mít především rytmus. Musíte odpočítat, že tento tón má hrát určitou dobu

a tento tón dvojnásobnou – jinak se vám celá melodie rytmicky rozsype. Jak

toho dosáhnout?

Buď použijete stejný postup, jako u jednobitové hudby, totiž že si

časovacími smyčkami odměřujete čas a počítač během hraní nedělá nic

jiného, nebo využijete periodické přerušení. Ve výše uvedených

konstrukcích bohužel nemáme nic, co by šlo využít jako zdroj periodického

přerušení. U domácích počítačů s výstupem na televizi se často používalo

přerušení, svázané s generováním obrazu, třeba s frekvencí 50 Hz.

Přehrávání hudby je pak jednoduché – každou padesátinu sekundy se

zavolá rutina, která zkontroluje, zda je potřeba zahrát další tón, a pokud

ano, nastaví příslušné registry.

U našich počítačů můžeme využít třeba hodiny reálného času – zmíněný

RTC od firmy EPSON umí generovat pulsy s frekvencí 64 Hz. Popřípadě

můžeme podělit pracovní frekvenci procesoru nějakým vhodným

čítačem – třeba čtrnáctibitovým 74HC4020 (CMOS varianta CD4020).

Při pracovní frekvenci 1,8432 MHz získáme podělením tímto obvodem

frekvenci 112,5 Hz.

Pro všechny výše zmiňované zvukové čipy existuje spousta studijního

materiálu na internetu. Od ukázkových melodií po zajímavé zvukové rutiny

pro ovládání toho kterého čipu.

16.7 A co dál?

Dál už to je, milí čtenáři, na vás. Na vaší fantazii a chuti ponořit se do

bohatého světa programování a mikroelektroniky ve stylu osmdesátých let.

Pokud vás tato cesta zaujala, tak vás zvu k četbě dodatků, v nichž najdete

ještě hlubší ponor do světa mikroprocesorů a syntézy elektronických

obvodů prostřednictvím moderních součástek FPGA.

Já samozřejmě pracuju dál na uvedených konstrukcích a připravuju další

periferie i programové vybavení. Vše naleznete na stránkách této knihy,

kam vás tímto srdečně zvu.

https://8bt.cz

Doslov

Když jsem dopisoval předchozí knihu (Hradla, volty, jednočipy), do závěru

jsem psal, že jsem si spoustu témat nechal na případné pokračování. To jste

právě dočetli.

Díky nabídce od Edice CZ.NIC jsem tak mohl splnit svůj sen, o kterém

jsem se zmiňoval někdy od roku 2015, tedy napsat knihu, která by shrnula

číslicovou a procesorovou techniku ve formě dostupné pro domácí bastlení.

Nakonec z toho byly knihy dvě, plus dodatky, ale to nevadí.

Snažil jsem se popsat a předat vše, co jsem se o procesorech a číslicové

technice naučil od roku 1982, kdy jsem poprvé otevřel Amatérské rádio

a v něm viděl schéma počítače. Byl jsem jako očarovaný – a to jsem tehdy

nemohl tušit, že očarování vydrží dalších pětatřicet let.

Úmyslně jsem vynechal modernější technologii – tedy až na Arduino.

Modernější procesory si totiž tak úplně neosaháte, na koleni si z nich nic

nepostavíte, a pro výuku mají jeden podstatný handicap. Jasně, pro praxi je

moc fajn, když víte, jak pracuje Core i7 a jak se programuje v assembleru.

Ale začínat s učením assembleru přímo u Core nebo u ARMu je problém.

Buď vás bude stát obrovské úsilí pochopit, proč jsou některé věci tak, jak

jsou, nebo na pochopení rezignujete a budete umět programovat na

uživatelské úrovni.

Proto jsem si řekl, že limit jsou osmibitové procesory, používané hlavně

v 80. letech. Zvolil jsem takové, které jsou dodnes k sehnání. Pro mladší

jsou skvělé na učení, pro starší navíc zafunguje i trocha nostalgie.

Ostatně právě vzpomínky lidí z mé generace na jejich první domácí

počítače byly docela hezkou motivací pro napsání obou knih. „To byly

skvělé časy u Spectra. Já vždycky chtěl vědět, jak to uvnitř funguje…“

Doufám, že se mi podařilo trochu přiblížit, jak to uvnitř funguje,

a především posílit chuť si něco takového zkusit vytvořit. Vždyť to přeci

není vůbec těžké!

Opravdu.

A rozhodně to není ani zbytečné.

Přílohy

Instrukce procesoru 8085

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0x00 NOP 1 4

0x01 LXI B,D16 3 10 B = byte 3, C = byte 2

0x02 STAX B 1 7 (BC) = A

0x03 INX B 1 6 --K---- BC = BC+1

0x04 INR B 1 4 SZKAPV- B = B+1

0x05 DCR B 1 4 SZKAPV- B = B-1

0x06 MVI B, D8 2 7 B = byte 2

0x07 RLC 1 4 -----VC A = A << 1; bit 0 = prev bit 7; CY = prev bit 7

0x08 *DSUB 1 10 SZKAPVC HL = HL - BC

0x09 DAD B 1 10 -----VC HL = HL + BC

0x0a LDAX B 1 7 --K---- A = (BC)

0x0b DCX B 1 6 BC = BC-1

0x0c INR C 1 4 SZKAPV- C = C+1

0x0d DCR C 1 4 SZKAPV- C =C-1

0x0e MVI C,D8 2 7 C = byte 2

0x0f RRC 1 4 -----0C A = A >> 1; bit 7 = prev bit 0; CY = prev bit 0

0x10 *ARHL 1 7 -----0C CY = L bit 0; HL = HL >> 1

0x11 LXI D,D16 3 10 D = byte 3, E = byte 2

0x12 STAX D 1 7 (DE) = A

0x13 INX D 1 6 DE = DE + 1

0x14 INR D 1 4 SZKAPV- D = D+1

0x15 DCR D 1 4 SZKAPV- D = D-1

0x16 MVI D, D8 2 7 D = byte 2

0x17 RAL 1 4 -----VC A = A << 1; bit 0 = prev CY; CY = prev bit 7

0x18 *RDEL 1 10 -----VC CY = D bit 7; DE = DE << 1

0x19 DAD D 1 10 -----VC HL = HL + DE

0x1a LDAX D 1 7 A = (DE)

0x1b DCX D 1 6 --K---- DE = DE-1

0x1c INR E 1 4 SZKAPV- E = E+1

0x1d DCR E 1 4 SZKAPV- E = E-1

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0x1e MVI E,D8 2 7 E = byte 2

0x1f RAR 1 4 -----0C A = A >> 1; bit 7 = prev bit CY; CY = prev bit 0

0x20 RIM 1 4 Čtení SID a přerušení

0x21 LXI H,D16 3 10 H = byte 3, L = byte 2

0x22 SHLD adr 3 16 (adr) =L; (adr+1)=H

0x23 INX H 1 6 --K---- HL = HL + 1

0x24 INR H 1 4 SZKAPV- H = H+1

0x25 DCR H 1 4 SZKAPV- H = H-1

0x26 MVI H,D8 2 7 H = byte 2

0x27 DAA 1 4 SZKAPVC special

0x28 *LDHI D8 2 10 DE = HL+d8

0x29 DAD H 1 10 -----VC HL = HL + HL

0x2a LHLD adr 3 16 L = (adr); H=(adr+1)

0x2b DCX H 1 6 --K---- HL = HL-1

0x2c INR L 1 4 SZKAPV- L = L+1

0x2d DCR L 1 4 SZKAPV- L = L-1

0x2e MVI L, D8 2 7 L = byte 2

0x2f CMA 1 4 A = !A

0x30 SIM 1 4 Zápis přerušovací masky a SOD

0x31 LXI SP, D16 3 10 SP.hi = byte 3, SP.lo = byte 2

0x32 STA adr 3 13 (adr) = A

0x33 INX SP 1 6 --K---- SP = SP + 1

0x34 INR M 1 10 SZKAPV- (HL) = (HL)+1

0x35 DCR M 1 10 SZKAPV- (HL) = (HL)-1

0x36 MVI M,D8 2 10 (HL) = byte 2

0x37 STC 1 4 ------1 CY = 1

0x38 *LDSI D8 2 10 DE = SP + d8

0x39 DAD SP 1 10 -----VC HL = HL + SP

0x3a LDA adr 3 13 A = (adr)

0x3b DCX SP 1 6 --K---- SP = SP-1

0x3c INR A 1 4 SZKAPV- A = A+1

0x3d DCR A 1 4 SZKAPV- A = A-1

0x3e MVI A,D8 2 7 A = d8

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0x3f CMC 1 4 ------C CY=!CY

0x40 MOV B,B 1 4 B = B

0x41 MOV B,C 1 4 B = C

0x42 MOV B,D 1 4 B = D

0x43 MOV B,E 1 4 B = E

0x44 MOV B,H 1 4 B = H

0x45 MOV B,L 1 4 B = L

0x46 MOV B,M 1 7 B = (HL)

0x47 MOV B,A 1 4 B = A

0x48 MOV C,B 1 4 C = B

0x49 MOV C,C 1 4 C = C

0x4a MOV C,D 1 4 C = D

0x4b MOV C,E 1 4 C = E

0x4c MOV C,H 1 4 C = H

0x4d MOV C,L 1 4 C = L

0x4e MOV C,M 1 7 C = (HL)

0x4f MOV C,A 1 4 C = A

0x50 MOV D,B 1 4 D = B

0x51 MOV D,C 1 4 D = C

0x52 MOV D,D 1 4 D = D

0x53 MOV D,E 1 4 D = E

0x54 MOV D,H 1 4 D = H

0x55 MOV D,L 1 4 D = L

0x56 MOV D,M 1 7 D = (HL)

0x57 MOV D,A 1 4 D = A

0x58 MOV E,B 1 4 E = B

0x59 MOV E,C 1 4 E = C

0x5a MOV E,D 1 4 E = D

0x5b MOV E,E 1 4 E = E

0x5c MOV E,H 1 4 E = H

0x5d MOV E,L 1 4 E = L

0x5e MOV E,M 1 7 E = (HL)

0x5f MOV E,A 1 4 E = A

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0x60 MOV H,B 1 4 H = B

0x61 MOV H,C 1 4 H = C

0x62 MOV H,D 1 4 H = D

0x63 MOV H,E 1 4 H = E

0x64 MOV H,H 1 4 H = H

0x65 MOV H,L 1 4 H = L

0x66 MOV H,M 1 7 H = (HL)

0x67 MOV H,A 1 4 H = A

0x68 MOV L,B 1 4 L = B

0x69 MOV L,C 1 4 L = C

0x6a MOV L,D 1 4 L = D

0x6b MOV L,E 1 4 L = E

0x6c MOV L,H 1 4 L = H

0x6d MOV L,L 1 4 L = L

0x6e MOV L,M 1 7 L = (HL)

0x6f MOV L,A 1 4 L = A

0x70 MOV M,B 1 7 (HL) = B

0x71 MOV M,C 1 7 (HL) = C

0x72 MOV M,D 1 7 (HL) = D

0x73 MOV M,E 1 7 (HL) = E

0x74 MOV M,H 1 7 (HL) = H

0x75 MOV M,L 1 7 (HL) = L

0x76 HLT 1 5 special

0x77 MOV M,A 1 7 (HL) = A

0x78 MOV A,B 1 4 A = B

0x79 MOV A,C 1 4 A = C

0x7a MOV A,D 1 4 A = D

0x7b MOV A,E 1 4 A = E

0x7c MOV A,H 1 4 A = H

0x7d MOV A,L 1 4 A = L

0x7e MOV A,M 1 7 A = (HL)

0x7f MOV A,A 1 4 A = A

0x80 ADD B 1 4 SZKAPVC A = A + B

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0x81 ADD C 1 4 SZKAPVC A = A + C

0x82 ADD D 1 4 SZKAPVC A = A + D

0x83 ADD E 1 4 SZKAPVC A = A + E

0x84 ADD H 1 4 SZKAPVC A = A + H

0x85 ADD L 1 4 SZKAPVC A = A + L

0x86 ADD M 1 7 SZKAPVC A = A + (HL)

0x87 ADD A 1 4 SZKAPVC A = A + A

0x88 ADC B 1 4 SZKAPVC A = A + B + CY

0x89 ADC C 1 4 SZKAPVC A = A + C + CY

0x8a ADC D 1 4 SZKAPVC A = A + D + CY

0x8b ADC E 1 4 SZKAPVC A = A + E + CY

0x8c ADC H 1 4 SZKAPVC A = A + H + CY

0x8d ADC L 1 4 SZKAPVC A = A + L + CY

0x8e ADC M 1 7 SZKAPVC A = A + (HL) + CY

0x8f ADC A 1 4 SZKAPVC A = A + A + CY

0x90 SUB B 1 4 SZKAPVC A = A - B

0x91 SUB C 1 4 SZKAPVC A = A - C

0x92 SUB D 1 4 SZKAPVC A = A - D

0x93 SUB E 1 4 SZKAPVC A = A - E

0x94 SUB H 1 4 SZKAPVC A = A - H

0x95 SUB L 1 4 SZKAPVC A = A - L

0x96 SUB M 1 7 SZKAPVC A = A - (HL)

0x97 SUB A 1 4 SZKAPVC A = A - A

0x98 SBB B 1 4 SZKAPVC A = A - B - CY

0x99 SBB C 1 4 SZKAPVC A = A - C - CY

0x9a SBB D 1 4 SZKAPVC A = A - D - CY

0x9b SBB E 1 4 SZKAPVC A = A - E - CY

0x9c SBB H 1 4 SZKAPVC A = A - H - CY

0x9d SBB L 1 4 SZKAPVC A = A - L - CY

0x9e SBB M 1 7 SZKAPVC A = A - (HL) - CY

0x9f SBB A 1 4 SZKAPVC A = A - A - CY

0xa0 ANA B 1 4 SZKAPVC A = A & B

0xa1 ANA C 1 4 SZKAPVC A = A & C

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0xa2 ANA D 1 4 SZKAPVC A = A & D

0xa3 ANA E 1 4 SZKAPVC A = A & E

0xa4 ANA H 1 4 SZKAPVC A = A & H

0xa5 ANA L 1 4 SZKAPVC A = A & L

0xa6 ANA M 1 7 SZKAPVC A = A & (HL)

0xa7 ANA A 1 4 SZKAPVC A = A & A

0xa8 XRA B 1 4 SZKAPVC A = A ^ B

0xa9 XRA C 1 4 SZKAPVC A = A ^ C

0xaa XRA D 1 4 SZKAPVC A = A ^ D

0xab XRA E 1 4 SZKAPVC A = A ^ E

0xac XRA H 1 4 SZKAPVC A = A ^ H

0xad XRA L 1 4 SZKAPVC A = A ^ L

0xae XRA M 1 7 SZKAPVC A = A ^ (HL)

0xaf XRA A 1 4 SZKAPVC A = A ^ A

0xb0 ORA B 1 4 SZKAPVC A = A | B

0xb1 ORA C 1 4 SZKAPVC A = A | C

0xb2 ORA D 1 4 SZKAPVC A = A | D

0xb3 ORA E 1 4 SZKAPVC A = A | E

0xb4 ORA H 1 4 SZKAPVC A = A | H

0xb5 ORA L 1 4 SZKAPVC A = A | L

0xb6 ORA M 1 7 SZKAPVC A = A | (HL)

0xb7 ORA A 1 4 SZKAPVC A = A | A

0xb8 CMP B 1 4 SZKAPVC A - B

0xb9 CMP C 1 4 SZKAPVC A - C

0xba CMP D 1 4 SZKAPVC A - D

0xbb CMP E 1 4 SZKAPVC A - E

0xbc CMP H 1 4 SZKAPVC A - H

0xbd CMP L 1 4 SZKAPVC A - L

0xbe CMP M 1 7 SZKAPVC A - (HL)

0xbf CMP A 1 4 SZKAPVC A - A

0xc0 RNZ 1 12/6 if NZ, RET

0xc1 POP B 1 10 C = (SP); B = (SP+1); SP = SP+2

0xc2 JNZ adr 3 10/7 if NZ, PC = adr

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0xc3 JMP adr 3 10 PC <= adr

0xc4 CNZ adr 3 18/9 if NZ, CALL adr

0xc5 PUSH B 1 12 (SP-2)=C; (SP-1)=B; SP = SP - 2

0xc6 ADI D8 2 7 SZKAPVC A = A + byte

0xc7 RST 0 1 12 CALL $0

0xc8 RZ 1 12/6 if Z, RET

0xc9 RET 1 10 PC.lo = (SP); PC.hi=(SP+1); SP = SP+2

0xca JZ adr 3 10/7 if Z, PC = adr

0xcb *RSTV 1 12/6 CALL $40 if V=1

0xcc CZ adr 3 18/9 if Z, CALL adr

0xcd CALL adr 3 18 (SP-1)=PC.hi;(SP-2)=PC.lo;SP=SP+2;PC=adr

0xce ACI D8 2 7 SZKAPVC A = A + data + CY

0xcf RST 1 1 12 CALL $8

0xd0 RNC 1 12/6 if NCY, RET

0xd1 POP D 1 10 E = (SP); D = (SP+1); SP = SP+2

0xd2 JNC adr 3 10/7 if NCY, PC=adr

0xd3 OUT D8 2 10 special

0xd4 CNC adr 3 18/9 if NCY, CALL adr

0xd5 PUSH D 1 12 (SP-2)=E; (SP-1)=D; SP = SP - 2

0xd6 SUI D8 2 7 SZKAPVC A = A - data

0xd7 RST 2 1 12 CALL $10

0xd8 RC 1 12/6 if CY, RET

0xd9 *SHLX 1 10 (DE) = L, (DE+1) = H

0xda JC adr 3 10/7 if CY, PC=adr

0xdb IN D8 2 10 special

0xdc CC adr 3 18/9 if CY, CALL adr

0xdd *JNK adr 3 10/7 if not K PC = adr

0xde SBI D8 2 7 SZKAPVC A = A - data – CY

0xdf RST 3 1 12 CALL $18

0xe0 RPO 1 12/6 if PO, RET

0xe1 POP H 1 10 L = (SP); H = (SP+1); SP = SP+2

0xe2 JPO adr 3 10/7 if PO, PC = adr

0xe3 XTHL 1 16 L <=> (SP); H <=> (SP+1)

Opcode Instrukce # T Příznaky Funkce

0xe4 CPO adr 3 18/9 if PO, CALL adr

0xe5 PUSH H 1 12 (SP-2)=L; (SP-1)=H; SP = SP - 2

0xe6 ANI D8 2 7 SZKAPVC A = A & data

0xe7 RST 4 1 12 CALL $20

0xe8 RPE 1 12/6 if PE, RET

0xe9 PCHL 1 6 PC.hi = H; PC.lo = L

0xea JPE adr 3 10/7 if PE, PC = adr

0xeb XCHG 1 4 H <-> D; L <-> E

0xec CPE adr 3 18/9 if PE, CALL adr

0xed *LHLX 1 10 L = (DE), H = (DE+1)

0xee XRI D8 2 7 SZKAPVC A = A ^ data

0xef RST 5 1 12 CALL $28

0xf0 RP 1 12/6 if P, RET

0xf1 POP PSW 1 10 SZKAPVC flags = (SP); A = (SP+1); SP = SP+2

0xf2 JP adr 3 10/7 if P, PC = adr

0xf3 DI 1 4 special

0xf4 CP adr 3 18/9 if P, PC = adr

0xf5 PUSH PSW 1 12 (SP-2)=flags; (SP-1)=A; SP = SP – 2

0xf6 ORI D8 2 7 SZKAPVC A = A | data

0xf7 RST 6 1 12 CALL $30

0xf8 RM 1 12/6 if M, RET

0xf9 SPHL 1 6 SP=HL

0xfa JM adr 3 10/7 if M, PC = adr

0xfb EI 1 4 special

0xfc CM adr 3 18/9 if M, CALL adr

0xfd *JK adr 3 10/7 if K PC = adr

0xfe CPI D8 2 7 SZKAPVC A – data

0xff RST 7 1 12 CALL $38

Instrukce procesoru 65C02

Opcode Instrukce # T Mód

00 BRK 1 7

01 ORA 2 6 izx

02 - 2 2 imm

03 - 1 1

04 TSB 2 5 zpg

05 ORA 2 3 zpg

06 ASL 2 5 zpg

07 RMB0 2 5 zpg

08 PHP 1 3

09 ORA 2 2 imm

0A ASL 1 2

0B - 1 1

0C TSB 3 6 abs

0D ORA 3 4 abs

0E ASL 3 6 abs

0F BBR0 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

10 BPL 2 2* rel

11 ORA 2 5* izy

12 ORA 2 5 izp

13 - 1 1

14 TRB 2 5 zpg

15 ORA 2 4 zpx

16 ASL 2 6 zpx

17 RMB1 2 5 zpg

18 CLC 1 2

19 ORA 3 4* aby

1A INC 1 2

1B - 1 1 aby

1C TRB 3 6 abs

1D ORA 3 4* abx

1E ASL 3 6* abx

1F BBR1 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

20 JSR 3 6 abs

21 AND 2 6 izx

22 - 2 2 imm

23 - 2 1

24 BIT 2 3 zpg

25 AND 2 3 zpg

26 ROL 2 5 zpg

27 RMB2 2 5 zpg

28 PLP 1 4

29 AND 2 2 imm

2A ROL 1 2

2B - 1 1

2C BIT 3 4 abs

2D AND 3 4 abs

2E ROL 3 6 abs

2F BBR2 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

30 BMI 2 2* rel

31 AND 2 5* izy

32 AND 2 5 izp

33 - 1 1

34 BIT 2 4 zpx

35 AND 2 4 zpx

36 ROL 2 6 zpx

37 RMB3 2 5 zpx

38 SEC 1 2

39 AND 3 4* aby

3A DEC 1 2

3B - 1 1

3C BIT 3 4* abx

3D AND 3 4* abx

3E ROL 3 6* abx

3F BBR3 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

40 RTI 1 6

41 EOR 2 6 izx

42 - 2 2 imm

43 - 1 1

44 - 2 3 zpg

45 EOR 2 3 zpg

46 LSR 2 5 zpg

47 RMB4 2 5 zpg

48 PHA 1 3

49 EOR 2 2 imm

4A LSR 1 2

4B - 1 1

4C JMP 3 3 abs

4D EOR 3 4 abs

4E LSR 3 6 abs

4F BBR4 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

50 BVC 2 2* rel

51 EOR 2 5* izy

52 EOR 2 5 izp

53 - 1 1

54 - 2 4 zpx

55 EOR 2 4 zpx

56 LSR 2 6 zpx

57 RMB5 2 5 zpg

58 CLI 1 2

59 EOR 3 4* aby

5A PHY 1 3

5B - 1 1

5C - 3 8 abs

5D EOR 3 4* abx

5E LSR 3 6* abx

5F BBR5 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

60 RTS 1 6

61 ADC 2 6 izx

62 - 2 2 imm

63 - 1 1

64 STX 2 3 zpx

65 ADC 2 3 zpg

66 ROR 2 5 zpg

67 RMB6 2 5 zpg

68 PLA 1 4 imp

69 ADC 2 2 imm

6A ROR 1 2 ima

6B - 1 1

6C JMP 3 6 ind

6D ADC 3 4 abs

6E ROR 3 6 abs

6F BBR6 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

70 BVS 2 2* rel

71 ADC 2 5* izy

72 ADC 2 5 izp

73 - 1 1

74 STZ 2 4 zpx

75 ADC 2 4 zpx

76 ROR 2 6 zpx

77 RMB7 2 5 zpg

78 SEI 1 2

79 ADC 3 4* aby

7A PLY 1 4

7B - 1 1

7C JMP 3 6 iax

7D ADC 3 4* abx

7E ROR 3 6* abx

7F BBR7 3 5 abx

Opcode Instrukce # T Mód

80 BRA 2 3* rel

81 STA 2 6 izx

82 - 2 2 imm

83 - 1 1

84 STY 2 3 zpg

85 STA 2 3 zpg

86 STX 2 3 zpg

87 SMB0 2 5 zpg

88 DEY 1 2 imp

89 BIT 2 2 imm

8A TXA 1 2 imp

8B - 1 1

8C STY 3 4 abs

8D STA 3 4 abs

8E STX 3 4 abs

8F BBS0 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

90 BCC 2 2* rel

91 STA 2 6 izy

92 STA 2 5 izp

93 - 1 1

94 STY 2 4 zpx

95 STA 2 4 zpx

96 STX 2 4 zpy

97 SMB1 2 5 zpg

98 TYA 1 2

99 STA 3 5 aby

9A TXS 1 2

9B - 1 1

9C STZ 3 4 abs

9D STA 3 5 abx

9E STZ 3 5 abx

9F BBS1 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

A0 LDY 2 2 imm

A1 LDA 2 6 izx

A2 LDX 2 2 imm

A3 - 1 1

A4 LDY 2 3 zpg

A5 LDA 2 3 zpg

A6 LDX 2 3 zpg

A7 SMB2 2 5 zpg

A8 TAY 1 2

A9 LDA 2 2 imm

AA TAX 1 2

AB - 1 1

AC LDY 3 4 abs

AD LDA 3 4 abs

AE LDX 3 4 abs

AF BBS2 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

B0 BCS 2 2* rel

B1 LDA 2 5* izy

B2 LDA 2 5 izp

B3 - 1 1

B4 LDY 2 4 zpx

B5 LDA 2 4 zpx

B6 LDX 2 4 zpy

B7 SMB3 2 5 zpg

B8 CLV 1 2

B9 LDA 3 4* aby

BA TSX 1 2 imp

BB - 1 1

BC LDY 3 4* abx

BD LDA 3 4* abx

BE LDX 3 4* aby

BF BBS3 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

C0 CPY 2 2 imm

C1 CMP 2 6 izx

C2 - 2 2 imm

C3 - 2 1 izx

C4 CPY 2 3 zpg

C5 CMP 2 3 zpg

C6 DEC 2 5 zpg

C7 SMB4 2 5 zpg

C8 INY 1 2

C9 CMP 2 2 imm

CA DEX 1 2

CB WAI 1 3

CC CPY 3 4 abs

CD CMP 3 4 abs

CE DEC 3 6 abs

CF BBS4 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

D0 BNE 2 2* rel

D1 CMP 2 5* izy

D2 CMP 2 5 izp

D3 - 1 1

D4 - 2 4 zpx

D5 CMP 2 4 zpx

D6 DEC 2 6 zpx

D7 SMB5 2 5 zpg

D8 CLD 1 2

D9 CMP 3 4* aby

DA PHX 1 3

DB STP 1 3

DC - 3 4 abs

DD CMP 3 4* abx

DE DEC 3 7 abx

DF BBS5 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

E0 CPX 2 2 imm

E1 SBC 2 6 izx

E2 - 2 2 imm

E3 - 1 1

E4 CPX 2 3 zpg

E5 SBC 2 3 zpg

E6 INC 2 5 zpg

E7 SMB6 2 5 zpg

E8 INX 1 2

E9 SBC 2 2 imm

EA NOP 1 2

EB - 1 1

EC CPX 3 4 abs

ED SBC 3 4 abs

EE INC 3 6 abs

EF BBS6 3 5 zpr

Opcode Instrukce # T Mód

F0 BEQ 2 2* rel

F1 SBC 2 5* izy

F2 SBC 2 5 izp

F3 - 1 1

F4 - 2 4 zpx

F5 SBC 2 4 zpx

F6 INC 2 6 zpx

F7 SMB7 2 5 zpg

F8 SED 1 2

F9 SBC 3 4* aby

FA PLX 1 4

FB - 1 1

FC - 3 4 abs

FD SBC 3 4* abx

FE INC 3 7 abx

FF BBS7 3 5 zpr

*) v poli T znamená:

 +1T, pokud adresa překročí hranici stránky

 +1T, pokud je vykonán podmíněný skok

 +1T u instrukcí ADC a SBC, pokud je D=1

Adresní módy:

 imm = #$00

 zpg = $00

 zpr = $00,$0000 (PC-relative)

 zpx = $00,X

 zpy = $00,Y

 izp = ($00)

 izx = ($00,X)

 izy = ($00),Y

 abs = $0000

 abx = $0000,X

 aby = $0000,Y

 ind = ($0000)

 iax = ($0000,X)

 rel = $0000 (PC-relative)

Instrukce procesoru 6809

Instrukční sada 6809

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

ABX 3A 3 1

X = B+X (Bez

znaménka)

ADC

ADCA 89 2 2 99 4 2 A9 4+ 2+ B9 5 3 A = A+M+C

ADCB C9 2 2 D9 4 2 E9 4+ 2+ F9 5 3 B = B+M+C + + + + +

ADD

ADDA 8B 2 2 9B 4 2 AB 4+ 2+ BB 5 3 A = A+M + + + + +

ADDB CB 2 2 DB 4 2 EB 4+ 2+ FB 5 3 B = B+M + + + + +

ADDD C3 4 3 D3 6 2 E3 6+ 2+ F3 7 3 D = D+M:M+1 + + + +

AND ANDA 84 2 2 94 4 2 A4 4+ 2+ B4 5 3 A = A && M + + 0

ANDB C4 2 2 D4 4 2 E4 4+ 2+ F4 5 3 B = B && M + + 0

Instrukční sada 6809

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

ANDCC 1C 3 2 C = CC && IMM ? ? ? ? ?

ASL

ASLA 48 2 1

Posun vlevo

8 + + + +

ASLB 58 2 1 8 + + + +

ASL 08 6 2 68 6+ 2+ 78 7 3 8 + + + +

ASR

ASRA 47 2 1

Posun vpravo

8 + + +

ASRB 57 2 1 8 + + +

ASR 07 6 2 67 6+ 2+ 77 7 3 8 + + +

BIT

BITA 85 2 2 95 4 2 A5 4+ 2+ B5 5 3 Bit Test A (M&&A) + + 0

BITB C5 2 2 D5 4 2 E5 4+ 2+ F5 5 3 Bit Test B (M&&B) + + 0

BSR BSR 8D 7 2 Skok do podprogramu

Bxx

BCC 24 3 2 C = 0 (alias: BHS)

BCS 25 3 2 C = 1 (alias: BLO)

BEQ 27 3 2 Z = 1

BGE 2C 3 2 N xor V = 0

BGT 2E 3 2 Z or (N xor V) = 0

BHI 22 3 2 C or Z = 0

BLE 2F 3 2 Z or (N xor V) = 1

BLS 23 3 2 C or Z = 1

BLT 2D 3 2 N xor V = 1

BMI 2B 3 2 N = 1

BNE 26 3 2 Z = 0

BPL 2A 3 2 N = 0

BRA 20 3 2 Vždy

BRN 21 3 2 Nikdy

BVC 28 3 2 V = 0

BVS 29 3 2 V = 1

CLR

CLRA 4F 2 1 A = 0 0 1 0 0

CLRB 5F 2 1 B = 0 0 1 0 0

CLR 0F 6 2 6F 6+ 2+ 7F 7 3 M = 0 0 1 0 0

CMP CMPA 81 2 2 91 4 2 A1 4+ 2+ B1 5 3 Porovnání M

s obsahem A

8 + + + +

CMPB C1 2 2 D1 4 2 E1 4+ 2+ F1 5 3 Porovnání M

s obsahem B

8 + + + +

Instrukční sada 6809

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

CMPD

5 4 10

7 3 10

7+ 3+ 10

8 4 Porovnání M:M+1

s obsahem D

+ + + +

CMPS

5 4 11

7 3 11

7+ 3+ 11

8 4 Porovnání M:M+1

s obsahem S

+ + + +

CMPU

5 4 11

7 3 11

7+ 3+ 11

8 4 Porovnání M:M+1

s obsahem U

+ + + +

CMPX 8C

4 3 9C 6 2 AC 6+ 2+ BC 7 3 Porovnání M:M+1

s obsahem X

+ + + +

CMPY

5 4 10

7 3 10

7+ 3+ 10

8 4 Porovnání M:M+1

s obsahem Y

+ + + +

COM

COMA 43 2 1 A = complement(A) + + 0 1

COMB 53 2 1 B = complement(B) + + 0 1

COM 03 6 2 63 6+ 2+ 73 7 3 M = complement(M) + + 0 1

CWAI 3C

CC = CC ^ IMM;

Wait for Interrupt

DAA 19 2 1 Decimal Adjust A + + 0 +

DEC

DECA 4A 2 1 A = A 1 + + +

DECB 5A 2 1 B = B 1 + + +

DEC 0A 6 2 6A 6+ 2+ 7A 7 3 M = M 1 + + +

EOR

EORA 88 2 2 98 4 2 A8 4+ 2+ B8 5 3 A = A XOR M + + 0

EORB C8 2 2 D8 4 2 E8 4+ 2+ F8 5 3 B = M XOR B + + 0

EXG R1,R2 1E 8 2 Zaměnit R1,R2

INC

INCA 4C 2 1 A = A + 1 + + +

INCB 5C 2 1 B = B + 1 + + +

INC 0C 6 2 6C 6+ 2+ 7C 7 3 M = M + 1 + + +

JMP 0E 3 2 6E 3+ 2+ 7E 4 3 pc = EA

JSR 9D 7 2 AD 7+ 2+ BD 8 3 Skok do podprogramu

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

LD LDA 86 2 2 96 4 2 A6 4+ 2+ B6 5 3 A = M + + 0

LDB C6 2 2 D6 4 2 E6 4+ 2+ F6 5 3 B = M + + 0

LDD CC 3 3 DC 5 2 EC 5+ 2+ FC 6 3 D = M:M+1 + + 0

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

LDS

4 4 10

6 3 10

6+ 3+ 10

7 4

S = M:M+1 + + 0

LDU CE 3 3 DE 5 2 EE 5+ 2+ FE 6 3 U = M:M+1 + + 0

LDX 8E 3 3 9E 5 2 AE 5+ 2+ BE 6 3 X = M:M+1 + + 0

LDY

4 4 10

6 3 10

6+ 3+ 10

7 4

Y = M:M+1 + + 0

LEA

LEAS 32 4+ 2+ S = EA

LEAU 33 4+ 2+ U = EA

LEAX 30 4+ 2+ X = EA +

LEAY 31 4+ 2+ Y = EA +

LSL

LSLA 48 2 1

Logický posun vlevo

+ + + +

LSLB 58 2 1 + + + +

LSL 08 6 2 68 6+ 2+ 78 7 3 + + + +

LSR

LSRA 44 2 1

Logický posun vpravo

0 + +

LSRB 54 2 1 0 + +

LSR 04 6 2 64 6+ 2+ 74 7 3 0 + +

LBSR LBSR 17 9 3 Skok do podprogramu

LBxx

LBCC

5(6) 4 C = 0 (alias: BHS)

LBCS

5(6) 4 C = 1 (alias: BLO)

LBEQ

5(6) 4 Z = 1

LBGE

5(6) 4 N xor V = 0

LBGT

5(6) 4 Z or (N xor V) = 0

LBHI

5(6) 4 C or Z = 0

LBLE

5(6) 4 Z or (N xor V) = 1

LBLS

5(6) 4 C or Z = 1

LBLT

5(6) 4 N xor V = 1

LBMI

5(6) 4 N = 1

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

LBNE

5(6) 4 Z = 0

LBPL

5(6) 4 N = 0

LBRA

5(6) 4 Vždy

LBRN

5(6) 4 Nikdy

LBVC

5(6) 4 V = 0

LBVS

5(6) 4 V = 1

MUL 3D 11 1

D = A*B (Bez

znaménka)

+ 9

NEG

NEGA 40 2 1 A = !A + 1 8 + + + +

NEGB 50 2 1 B = !B + 1 8 + + + +

NEG 00 6 2 60 6+ 2+ 70 7 3 M = !M + 1 8 + + + +

NOP 12 2 1 No Operation

ORA 8A 2 2 9A 4 2 AA 4+ 2+ BA 5 3 A = A || M + + 0

ORB CA 2 2 DA 4 2 EA 4+ 2+ FA 5 3 B = B || M + + 0

ORCC 1A 3 2 C = CC || IMM ? ? ? ? ?

PSH

PSHS

34 5+ 2 Push Registers on

S Stack

PSHU

36 5+ 2 Push Registers on

U Stack

PUL

PULS

35 5+ 2 Pull Registers from

S Stack

PULU

37 5+ 2 Pull Registers from

U Stack

ROL

ROLA 49 2 1

Rotace vlevo přes CY

+ + + +

ROLB 59 2 1 + + + +

ROL 09 6 2 69 6+ 2+ 79 7 3 + + + +

ROR

RORA 46 2 1

Rotace vpravo přes

0 + +

RORB 56 2 1 0 + +

ROR 06 6 2 66 6+ 2+ 76 7 3 0 + +

RTI 3B 6/15 1 Návrat z přerušení ? ? ? ? ?

RTS 39 5 1 Návrat z podprogramu

Instrukce Tvar

Adresní mód

Popis

CC bit

Immediate Direct Indexed Extended Inherent 5 3 2 1 0

Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # Op ~ # H N Z V C

SBC

SBCA 82 2 2 92 4 2 A2 4+ 2+ B2 5 3 A = A – M – C 8 + + + +

SBCB C2 2 2 D2 4 2 E2 4+ 2+ F2 5 3 B = B – M – C 8 + + + +

SEX 1D 2 1

Znaménkové rozšíření

B do A

+ + 0

STA 97 4 2 A7 4+ 2+ B7 5 3 M = A + + 0

STB D7 4 2 E7 4+ 2+ F7 5 3 M = B + + 0

STD DD 5 2 ED 5+ 2+ FD 6 3 M:M+1 = D + + 0

STS

6 3 10

6+ 3+ 10

7 4

M:M+1 = S + + 0

STU DF 5 2 EF 5+ 2+ FF 6 3 M:M+1 = U + + 0

STX 9F 5 2 AF 5+ 2+ BF 6 3 M:M+1 = X + + 0

STY

6 3 10

6+ 3+ 10

7 4

M:M+1 = Y + + 0

SUB

SUBA 80 2 2 90 4 2 A0 4+ 2+ B0 5 3 A = A – M 8 + + + +

SUBB C0 2 2 D0 4 2 E0 4+ 2+ F0 5 3 B = B – M 8 + + + +

SUBD 83 4 3 93 6 2 A3 6+ 2+ B3 7 3 D = D – M:M+1 + + + +

SWI

SWI 3F 19 1 Software interrupt 1

SWI2

20 2

Software interrupt 2

SWI3

20 2

Software interrupt 3

SYNC 13

Synchronize to

Interrupt

TFR R1,R2 1F 6 2 R2 = R1

TST

TSTA 4D 2 1 Test A + + 0

TSTB 5D 2 1 Test B + + 0

TST 0D 6 2 6D 6+ 2+ 7D 7 3 Test M + + 0

Seznam ilustrací

Seznam ilustrací
Obrázek 1: Apple I
Obrázek 2: Commodore PET
Obrázek 3: TRS-80
Obrázek 4: Acorn Proton, alias BBC Micro
Obrázek 5: Jupiter ACE (fotografie autora Factor-h pod licencí CC-BY-SA)
Obrázek 6: TRS-80 Color Computer (autor fotografie: Bilby, CC-BY)
Obrázek 7: Dragon 32
Obrázek 8: Počítač standardu MSX2 od Daewoo
Obrázek 9: Sony HitBit
Obrázek 10: klávesnice a displej PMI-80 (autor: Teslaton, CC-BY-SA)
Obrázek 11: MOS KIM-1 (autor Rama, CC-BY-SA)
Obrázek 12: Intel 4004 (autor Thomas Nguyen, CC-BY-SA)
Obrázek 13: Univerzální deska plošných spojů, též „Veroboard“
Obrázek 14: Levnější varianta univerzální desky, provedení „perfboard“
Obrázek 15: Univerzální deska „stripboard“
Obrázek 16: EPROM (foto WestonChants, CC-BY-SA)
Obrázek 17: Ram pack se 16 kB pro ZX-81
Obrázek 18: pružné kovové kloboučky pro klávesnice (Key dome)
Obrázek 19: „Svatá trojice 8080“
Obrázek 20: Intel 8080
Obrázek 21: Architektura 8080
Obrázek 22: Architektura 8085
Obrázek 23: časování 8085
Obrázek 24: Alpha CPU
Obrázek 25: Alpha, budič sběrnice
Obrázek 26: Alpha, procesor s budičem
Obrázek 27: Zapojení 28C256
Obrázek 28: Alpha, zapojení pamětí
Obrázek 29: Alpha, paměti a dekodér
Obrázek 30: Alpha, sériové rozhraní
Obrázek 31: Struktura PPI 8255
Obrázek 32: Alpha, paralelní porty
Obrázek 33: Backplane
Obrázek 34: základní zvukové průběhy
Obrázek 35: 6502 (NMOS verze) (Autor Bill Bertram, CC-BY)
Obrázek 36: Bravo, CPU
Obrázek 37: Bravo, dekodér
Obrázek 38: Bravo, paměti
Obrázek 39: Bravo, dekodér pro periferie

Obrázek 40: Bravo, sériové rozhraní s ACIA 6551
Obrázek 41: Bravo, paralelní rozhraní s VIA 6522
Obrázek 42: Stránkování paměti u ZX Spectra
Obrázek 43: zapojení multiplexoru pro rozšíření paměti
Obrázek 44: Arduino Mini Pro
Obrázek 45: Registry Z80
Obrázek 46: časování signálu PAL
Obrázek 47: nejjednodušší videovýstup
Obrázek 48: registry 6809
Obrázek 49: časování 6809
Obrázek 50: generování hodin Q, E pomocí 74LS72
Obrázek 51: generování hodin Q, E pomocí 74HC74
Obrázek 52: Kilo, CPU
Obrázek 53: Kilo, dekodér
Obrázek 54: Kilo, paměti
Obrázek 55: Kilo, dekodér periferií
Obrázek 56: Kilo, sériové rozhraní s ACIA 6850
Obrázek 57: Zapojení záložní baterie a záložního akumulátoru pro RTC

PORTY, BAJTY, OSMIBITY

Počítače na koleni

Martin Malý

Vydavatel:

CZ.NIC, z. s. p. o.

Milešovská 5, 130 00 Praha 3

Edice CZ.NIC

www.nic.cz

1. vydání, Praha 2019

Kniha vyšla jako 21. publikace v Edici CZ.NIC.

Tisk: Digitální tisk Praha s.r.o., Za Hřbitovem 1073/3, Dubeč, 107 00 Praha

Toto autorské dílo podléhá licenci Creative Commons

(http://creativecommons.org/licenses/

by-nd/3.0/cz/), a to za předpokladu, že zůstane zachováno označení autora

díla a prvního vydavatele díla, sdružení CZ.NIC, z. s. p. o. Dílo může být

překládáno a následně šířeno v písemné či elektronické formě na území

kteréhokoliv státu.

ISBN 978-80-88168-39-3 (tištěná verze)

ISBN 978-80-88168-40-9 (ve formátu EPUB)

ISBN 978-80-88168-41-6 (ve formátu MOBI)

ISBN 978-80-88168-42-3 (ve formátu PDF)

Obsah
Poděkování
Předmluva vydavatele
Předmluva
Konvence
Slavné domácí osmibity 80. let
1 Domácí počítač
2 Druhá generace
3 Další slavní…
4 MSX
5 A u nás?
6 Jednodeskové počítače
Slavné osmibitové mikroprocesory
1 8080 a 8085
2 Z80
3 6800
4 6502
5 6809
6 Architektury procesorů
OMEN: Stavíme vlastní počítač
1 OMEN?
2 Zapojování v praxi
3 Pájení na univerzální desce
Mikropočítač a jeho součásti
1 Jak pracuje mikroprocesor?
2 Paměti
3 Periferie
4 Periferní obvody
OMEN Alpha

1 Architektura 8080
2 Jak komunikovat s okolím?
3 Vlastní počítač? Jak by mohl vypadat?
4 Vývody 8085
5 Vnitřní struktura 8085
6 Přerušení
7 Zapojení centrální procesorové jednotky
8 Zapojení pamětí RAM a ROM
9 Budič sběrnice
10 (EEP)ROM
11 RAM
12 Paměťový subsystém a adresace
13 Oživení zapojeného počítače
14 První program (pro pokročilé)
15 Překlad a spuštění
16 Sériová komunikace
17 Další rozšíření
18 PPI 8255
19 Displej ze sedmisegmentovek
20 LCD displeje 16x2, 20x4
21 Klávesnice 5x4
22 Systémový konektor
23 Programové vybavení
Základy programování v assembleru 8080
1 Assembler ASM80
2 Základy assembleru
3 První program v assembleru 8080
4 Instrukce 8080 – adresní módy a registry
5 Registry
6 Přesuny dat
7 Příznaky a zásobník
8 Aritmetické operace

9 Skoky
10 Rotace
11 Násobení
12 Logické instrukce
13 Instrukce a operační kód
14 Pseudoinstrukce
15 BCD a přerušení
16 Práce s periferiemi
17 Ahoj světe!
18 Periferie: Klávesnice
19 Displej
20 Trocha assemblerové teorie
21 Algoritmy v assembleru 8080
22 Konstrukce z vyšších programovacích jazyků
23 Nedokumentované instrukce 8085
Intermezzo zvukové
1 Trocha nezbytné teorie na úvod
2 Obdélník vládne všem
3 Dělíme frekvence
4 Vícehlas
5 Ke čtení a inspiraci
OMEN Bravo
1 Architektura procesoru 6502
2 Zapojení 6502
3 Popis vývodů
4 Základní procesorová jednotka: Hodiny a RESET
5 Další tipy
6 Paměť
7 Periferie
8 Sériový port 6551
9 VIA 6522
Základy programování v assembleru 6502

1 Na úvod
2 Adresní módy 6502
3 Přesuny dat
4 Přesuny
5 Zásobník
6 Ještě pár slov k přesunům
7 Příznaky a instrukce pro práci s nimi
8 Instrukce pro práci s příznakovým registrem
9 Přerušovací systém
10 Skoky a podprogramy 6502
11 Aritmetika 6502
12 Logické a bitové operace 6502
13 Algoritmy sčítání a násobení pro 6502
14 Ahoj, světe, tady 6502
15 Ještě nějaký trik, prosím!
16 Organizace kódu
17 65C02 – vylepšená verze s technologií CMOS
Intermezzo paměťové
1 Moc paměti?
2 Stránkování
3 Všechno najednou, a ještě něco navrch…
OMEN Charlie
1 Emulátor osmibitového procesoru
2 Emulace procesoru v Arduinu / AVR
3 Praktické cvičení: Emulátor systému s procesorem
v Arduinu
4 Konzole do ruky
Omen Delta (koncepce)
1 Spojení starého a nového
2 Jak to funguje?
3 Autorská vsuvka
4 Architektura procesoru Zilog Z80

5 Assembler Z80 ve zkratce (a se zvláštním
přihlédnutím k instrukcím 8080)
Intermezzo obrazové
1 Černobílý videosignál PAL/SECAM
2 Arduino a video
3 OMEN Echo (koncepce)
4 Barevný videosignál
OMEN Kilo
1 Architektura procesoru Motorola 6809
2 Zapojení MC6809
3 6809E
4 OMEN Kilo CPU
5 Koncept „backplane“
Základy programování v assembleru 6809
1 Adresní módy 6809
2 Jak to ten procesor dělá?
3 Postbyte
4 Instrukce pro přesun dat
5 Operace se zásobníkem
6 Příznaky
7 Skoky
8 Podmíněné skoky
9 Aritmetické instrukce
10 Logické instrukce, rotace a posuny
11 Přerušovací a speciální instrukce
12 Další instrukce
13 Pseudoinstrukce (Direktivy)
14 Tipy
Další periferie
1 Než začneme rozšiřovat…
2 Paralelní port PIA (6821)
3 Moderní periferie (SPI)

16.4 Hodiny reálného času (RTC)
16.5 Pořádně velké úložiště (CF IDE)
16.6 Lepší zvuk
16.7 A co dál?
Doslov
Přílohy
Instrukce procesoru 8085
Instrukce procesoru 65C02
Instrukce procesoru 6809