NitrOS9-Board

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6309EP Board
OS9 Board


Mikro Computer Board

Das Ziel ist ein vollständiges Computer System auf Basis einer MC6809 bzw. einer HD6309 CPU mit NitrOS9 als Betriebssystem.



Die ByteMachine

Aller Anfang ist schwer, deswegen waren meine ersten Schritte der Nachbau eines funktionierenden CPU Boards: die ByteMachine

Im GITHUB gibt es das Projekt die ByteMachine von dem GIT User c0pperdragon. Die ByteMachine besticht durch ihre grandiose Einfachheit kombiniert mit enorm großer Flexibilität.


Die ByteMachine besteht aus drei Komponenten:

  • CPU Board
  • Mainboard: SRAM, EEPROM, Taktgenerator, Reset Signal, 8 LED und 8 digitale Eingänge
  • optionales IO Board: serielle Schnittstelle und SD Karte


Jede 8 Bit CPU benötigt dieselben Komponenten für ein lauffähiges System. Daher macht es Sinn, die gemeinsamen Komponenten auf ein eigenes Board zu legen. Das CPU Board macht nur die Anpassung für das Mainboard der ByteMachine. Das IO Board ist optional und wird ggf. auf das Mainboard gesteckt.


Das Mainboard der ByteMachine hat zwei Schnittstellen, eine zum CPU Board und eine zum IO Board. Das CPU Board sowie das optionale IO Board werden einfach auf das Mainboard aufgesteckt. Man kann die CPU aber auch einfach in ein Steckbrett setzen und die Verbindung zum Mainboard über Steckdrähte herstellen.


Die Schnittstelle zwischen CPU Board und Mainboard ist eine Stiftleiste mit 34 Pins. Über die Schnittstelle wird das CPU Board versorgt mit Strom, Takt und Reset. Das CPU Board kontrolliert die restlichen Komponenten über die Schnittstelle. Jede CPU benötigt eine minimale Anpassung um Kompatibilität zur Mainboard Schnittstelle herzustellen.


Das IO Board ist optional. Es bietet eine serielle Schnittstelle und den Anschluss einer SD Karte. Allerdings hat das IO Board keinerlei 'Intelligenz': Sowohl die serielle Schnittstelle als auch die SD Karte werden nur über digitale IO getrieben (Soft UART und SD-Card Bit-Bang). Das IO Board wird einfach auf das Mainboard aufgesteckt, dazu dienen sie Stiftleisten auf der rechten Seite: 8 digitale Ausgänge, 8 digitale Eingänge und Stromversorgung.


Für die ByteMachine existieren 4 CPU Boards im GITHUB:

  • W65C02 mit 10 bis 16 MHz
  • W65C816 mit 10 bis 16 MHz
  • Z84C00
  • i8088

Es existieren Schaltbilder, Doku und Platinen Layout für jedes CPU Board. Außerdem gibt es im ROM des Mainboard für jede CPU ein Testprogramm. Das Testprogramm zeigt über die LED des Mainboard an, dass die Hardware richtig funktioniert. Es braucht nur ein EPROM am Mainboard, denn jede CPU hat ihren eigenen Speicherbereich in dem 512K großen EPROM Speicher.

Wenn man eine neue CPU an das Mainboard der Bytemachine anschließen möchte, dann genügen ein Steckbrett und ein paar Verbindungsdrähte. Das macht dieses Konzept so wunderbar flexibel.


CPU Board

Auf dem NitrOS9 Board läuft eine Motorola CPU 6809 mit 3MHz. Alternativ kann auch eine Hitachi 6309 verwendet werden, diese CPU ist PIN kompatibel und Binärcode kompatibel. Hitachi hat aber viele Verbesserungen im Design der 6309 einfließen lassen. Die 6309 ist schneller, hat mehr Register, kann 32 Bit Operationen ausführen und hat zusätzliche Befehle.

Die 6309 gibt es in verschiedenen Versionen. Je nach 'Speed-Grade' der CPU ist die maximale (interne) Taktfrequenz 1, 1.5, 2 oder 3 MHz. Zudem gibt die Typen P und EP, der Unterschied ist die Taktsteuerung. Die P Typen erzeugen den Takt intern aus einem 4 fachen Grundtakt (12MHz für eine 3MHz 6309P). Die EP Typen brauchen einen externen Takt, den man mit externer Elektronik bilden muss. Bei beiden Typen steuert die CPU die äußere Beschaltung mit zwei Taktleitungen: E und Q. Die Takte E und Q sind 90° phasenverschoben. Das E Signal ist ähnlich dem PHI2 bei der 6502 CPU, man erkennt aus dem Signal die Gültigkeit der Daten am Adressbus.


Basierend auf der Doku des W65C02 Board für die ByteMachine, habe ich drei CPU Boards entwickelt. Eines für die 6309P, eines für die 6309EP und eines wo man beide CPU Typen (P und EP) verwenden kann:



Die CPU Boards laufen extrem stabil. Die Taktfrequenz ist sehr flexibel, die 63C09P läuft stabil mit 1, 2, oder 3 MHz. Versuche die CPU zu übertakten sind erfolgreich, bei 4 MHz ist keine Erwärmung feststellbar und es läuft seit einigen Tagen fehlerfrei durch. Eine 63B09EP läuft tadellos mit 2,5 MHz.


IO Boards

Das Mainboard der Byte Machine stellt 8 digitale Ausgänge und 8 digitale Eingänge zur Verfügung. Im GitHub existiert zudem ein aufsteckbares IO Board, das eine serielle Schnittstelle sowie den eine SD Karte bietet (IOexpander).

Leider ist sowohl die serielle Schnittstelle als auch die SD Karte nur an den digitalen IO des Mainboard angeschlossen. Es gibt keinerlei Hardware Unterstützung. Die serielle Schnittstelle ist eine reine Software basierte Lösung (Soft-UART). Die SD Karte wird ebenso per Bit-Bang bedient, was es extrem langsam macht und die Software ist sehr aufwendig.


Deswegen habe ich eigene IO Boards entwickelt:

  • IO Test Board mit 15 LED (zum Test des IO Port und Software Entwicklung)
  • UART Board auf Basis eines TL16C550 (serielle Kommunikation bis 115200Bd)
  • IO Board mit UART und SD Card auf Basis eines Arduino Nano



Alle diese IO Boards verwenden einen IO Port zum Anschluss auf einem CPU Board. Es braucht dazu spezielle, erweiterte CPU Boards, die Standard CPU Boards der Byte Machine haben keinen IO Port. Die IO Ports werden einfach auf den neuen CPU Boards aufgesteckt, quasi als dritte Ebene.


Erweiterte CPU Boards

Die erweiterten CPU Boards stecken auf dem Byte Machine Mainboard, genau wie die Basis CPU Boards. Aber sie bieten erweiterte Funktionalität die über eine reine CPU Funktion hinaus geht:

  • IO Port zum Anschluss von bis zu 8 IO Boards
  • optional: Banking Funktion um den ganzen Mainboard Speicher zugreifen zu können
  • optional: Speicher Management (MMU) um den Adressraum über einem MB verwalten zu können
  • optional: Interrupt Managment
  • optional: DMA Funktionalität


Es sind folgende CPU Boards in Entwicklung:

  • W65C02 mit 16MHz und Banking (4 x 16K in einem MB)
  • 6309 CPU mit MMU 6829 (32 x 2K in zwei MB)



Auf diese erweiterten CPU Boards können die IO Boards aufgesteckt werden. Damit hat man eine schnelle serielle Kommunikation und einen effizienten Zugriff auf eine SD Karte.

Das 6309 Board mit der MMU hat eine hoch effiziente Speicher Verwaltung, einen Adressraum von 2 MB und separate IO Bereiche. Zusammen mit dem Nano IO Board hat man eine Verbindung zur Außenwelt (Terminal) und einen 'Massenspeicher'. Damit ist es schon eine gute Basis, auf der man problemlos ein NitrOS9 Level II implementieren kann.


Die Hardware

Die Hardware ist wie im vorhergehenden Kapitel beschrieben:

  • ein Byte Machine Mainboard mit 512K RAM und 512K EPROM
  • ein erweitertes CPU Board (6309 + MMU)
  • ein Nano IO Board mit serieller COM und SD Karte


Sobald das System läuft wird es davon eine Single Board Version geben (NitrOS9 SBC).


Das Betriebssystem

Zum Einsatz kommt NitrOS9 Level II. Die Basis dafür ist der Quellcode des NitrOS9 für den Tandy CoCo-III. Das NitrOS9 wird angepasst auf die im vorigen Kapitel beschriebene Hardware Plattform (NitrOS9 SBC).



News

  • 29.04.2022 -- Layout des OS9 Board
  • 13.03.2022 -- Aufbau und erste Versuche mit der ByteMachine


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