Universal Cartridge 2

Universal Cartridge 2 (UC2)

Universal Cartridge 2 (UC2)

Die Universal Cartridge 2 (UC2)

Die Universal Cartridge (UC Modul) ist ein Modul für den C64 Homecomputer. Mit dem UC Modul kann sich jeder eine eigene Sammlung von Programmen erstellen, und diese bequem per Knopfdruck starten.

Weitere Infos auf der Seite: C64 Universal Cartridge

Aufbau und Inbetriebnahme

Der Aufbau des UC2 Modul ist sehr simpel. Es kann sehr einfach selbst nachgebaut werden. Die Bauteile sind günstig und gut erhältlich. Auf SMD Bauteile wurde verzichtet, damit es einfacher zu löten ist.

Technische Spezifikation

Es gibt nur wenige Bauteile auf der UC2 Platine:

• ein FLASH Speicher mit 512KB (zB. AM29F040)
• ein SRAM mit 512KB
• ein CPLD ATF-1504
• Reset Taster A (Reset nur C64)
• Reset Taster B (Reset C64 und UC2)

Für die Programmierung des Flash und des CPLD wird ein Programmiergerät benötigt. Der Flash kann optional auch vom C64 aus programmiert werden.

Der Reset Taster A kann ggf. weg gelassen werden, wenn man bereits einen Reset Taster am C64 hat.
Der Reset Taster B ist notwendig, damit man die UC2 zurücksetzen kann ohne den C64 ausschalten zu müssen.

Welchen Zweck haben zwei Reset Taster? Angenommen man startet ein Modul Programm, das per Reset gestartet wird (zb. Jupiter Lander). Sobald das Programm gestartet ist, verhält sich die UC2 exakt wie das Modul Programm. Mit jedem C64 Reset kann man das Modul Programm jederzeit neu starten oder zurücksetzen. Wenn ich jedoch zurück ins UC2 Menü möchte, dann muss man den Reset B benutzen. Das wirkt dann wie aus- einschalten des C64.

Aufbau

Notwendige Werkzeuge für den Aufbau des UC2 Modul sind:

• Lötkolben oder Lötstation
• Zinn

Die IC sollten gesockelt werden, zumindest das FLASH und der CPLD. Wenn man alle Bauteile direkt einlötet, kann man den Flash Speicher nur noch auf der Platine programmieren. Den CPLD kann man direkt auf der Platine gar nicht mehr programmieren.

Am besten man fängt mit den Kondensatoren an (niedere Bauteile zuerst). Es sind 6 Stück zu je 100nF (vier für den CPLD und je einer für die Speicherbausteine). Wenn man einen 3,3V CPLD (ATF1505ASV) verwendet, dann müssen auch der 3,3V Regler und die beiden Kondensatoren zu je 10µF eingelötet werden. Im Falle eines 5V CPLD (ATF1504AS) kann man auf den Regler verzichten, aber es muss dir 5V Brücke geschlossen werden. Optional kann man eine drei polige Stiftleiste mit einem Jumper einbauen, wodurch die Platine konfigurierbar wird (Auswahl 3,3V oder 5V). Bei der Lösung mit dem Jumper muss aber die 3,3V Verbindung geöffnet (aufgekratzt) werden. Danach kommen die 3 IC Sockel. Optional kann man die beiden Taster einlöten oder mit Drähten verbinden. Nun kommt der RAM Chip in den Sockel. Vorsichtig, damit kein Pin verbogen wird beim rein drücken in den Sockel.

Der nächste Schritt ist die Programmierung des CPLD (falls der nicht schon programmiert ist). Es eignen sich die 5V Typen (ATF-1504AS, ATF-1504ASL) und auch die 3,3V Typen (ATF-1504ASV, ATF-1504ASVL). Für die 3,3V Typen muss der 3,3V Stabi und die beiden Kondensatoren eingebaut werden. Für die Programmierung benötigt man ein geeignetes Programmiergerät, siehe Doku zum ATF-1504. Wenn der Programmiervorgang erfolgreich war, dann kann man den CPLD in den Sockel setzen. Eine Ecke ist abgeflacht, diese Markierung muss übereinstimmen bei Sockel und IC.

Als letztes erfolgt die Programmierung des FLASH Speicher. Dazu können die meisten modernen EPROM Programmiergeräte (zB. TL866) verwendet werden. Dieser Schritt kann ggf. öfters wiederholt werden, wenn man andere UC2 Image Dateien probieren will. Am Ende kommt der Flash Baustein in seinen Sockel.

Die Programmierung des FLASH Baustein kann ggf. auch am C64 direkt stattfinden. Dazu dient das Utility UC2-Flasher. Allerdings benötigt man dazu einen Massenspeicher, der 512KB große Dateien verarbeiten kann. Es eignet sich zum Beispiel ein SD2IEC dafür. Der Vorgang dauert aber ziemlich lange, die Geschwindigkeit hängt ab von der Art wie der Massenspeicher zugegriffen wird. Mit Jiffy DOS ist die Dauer des Flash Vorgang deutlich verkürzt.

Inbetriebnahme

Wenn das Board fertig gelötet, der CPLD programmiert und eingesetzt ist, dann steht einer Inbetriebnahme nichts mehr im Wege.

Der Inhalt des Flash Speicher sollte eine garantiert funktionierende Image Datei sein. Ich verwende dazu die Datei 'MENU.BIN' aus dem ZIP Archiv mit den 'Beispiel Images'. Das Image enthält alle Arten von Programmen und auch den UC-FB, der mit der Taste <F1> gestartet werden kann. Wenn nun das UC-Menü erscheint, dann kann es schon mal nicht mehr allzu weit fehlen. Man kann kurz alle Programme starten und damit prüfen, ob das UC2 Modul einwandfrei arbeitet.

Wenn das UC-Menü nach dem einschalten nicht erscheint, dann bitte sofort abschalten. Ich teste dann den C64 ohne Modul, ggf. den Inhalt des Flash Speicher und auch den Inhalt des CPLD.

Falls Flash Speicher und CPLD in Ordnung sind, kann man mal ganz ohne jeden IC am UC2 Modul starten. Der C64 sollte normal starten, als wenn kein Modul angesteckt wäre. Man kann auch den CPLD in den Sockel stecken und der C64 sollte mit 30K freien Speicher starten (8K Modus). Ohne CPLD darf kein Speicher auf dem UC2 Modul sein, denn dann hängen die Select Leitungen in der Luft.

Der SRAM muss nicht gesteckt sein, der ist immer optional. Das UC-Menü sollte trotzdem kommen, auch wenn das SRAM nicht vorhanden ist. Man kann auch alle PRG (OneFiler) und CRT im Modus 'ROM' ohne den SRAM starten. Nur für die CRT Dateien die im Cartridge Modus laufen, benötigt man den SRAM Baustein. Der UC-Filebrowser ist auch eine 8KB CRT Datei, deswegen benötigt der auch ein funktionierendes SRAM.

Wenn das UC-Menü nicht kommt, obwohl Flash Speicher und CPLD in Ordnung sind, dann liegt es wohl an der Platine selbst. In diesem Fall empfehle ich eine optische Kontrolle der Lötstellen und den Einsatz eines Ohmmeter. Bitte kontrollieren Sie mit dem Ohmmeter folgende Dinge:

• liegt der Anschluss GND an den IC Pins an
• liegt der Anschluss 5V an den IC Pins an
• gibt es einen Kurzschluss zwischen GND und 5V
• liegt GND an einem PIN am C64 Port an
• liegt GND an einem IC PIN wo kein Ground sein sollte
• zuletzt mit dem Schaltbild alle Leitungen kontrollieren (Adressbus, Datenbus, Steuerleitungen, Verbindungen vom CPLD zu den Chips und zum C64 Connector)

Technik der UC2

Die Technik des UC2 Modul besteht aus einem CPLD und zweier Speicherbausteine.

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CPLD Baustein

Dank dieses programmierbaren Logik Baustein (CPLD ATF-1504AS) ist das Design der UC2 extrem reduziert und einfach. Der CPLD ersetzt etliche TTL Bausteine und erhöht gleichzeitig die Flexibilität, weil man bei Bedarf die Logik sehr einfach und schnell ändern und anpassen kann.

Der CPLD muss mit der UC2 Jedec Datei programmiert werden. Die Programmierung des CPLD kann mit einem Programmiergerät (zB. GALEP-5) oder einem JTAG Programmer durchgeführt werden. Weitere Informationen zum CPLD und zu der Programmierung über JTAG stehen auf der ATF-150x Seite.

Mit der R4 Platine kann man nun auch die 3,3V CPLD Typen verwenden (ATF1504-ASV). Die R4 hat einen 3,3V Regler. Die Bestückung des Regler und der beiden 10µF Kondensatoren ist optional und für 5V CPLD nicht notwendig. Man muss aber die gewünschte Spannung einstellen. Dazu kann man eine Steckleiste einlöten (Auswahl durch Steckbrücke) oder man lötet einfach einen Draht ein.

Mit der R5 Platine ist die 3,3V Versorgung für den CPLD (ASV Type) vorbelegt. Man kann auf die Stiftleiste und die 3,3V Drahtbrücke verzichten, wenn man 3,3V CPLD verwendet. Wenn man einen 5V CPLD verwendet, und den Regler nicht einbaut, muss die 5V Drahtbrücke (oder die Stiftleiste + Steckbrücke) eingelötet werden.

ACHTUNG: Wenn man den 3,3V Regler einlötet und 5V CPLD verwendet, dann muss man die 3,3V Verbindung J1 trennen! Einfach mit dem Cutter die Verbindung J1 vorsichtig trennen.

Folgende CPLD Typen sind getestet und funktionieren

• ATF1504-AS (5V Type)
• ATF1504-ASV (3,3V Type)
• ATF1504-ASL (5V low Power)
• ATF1504-ASVL (3,3V low Power)

Das JEDEC File ist für alle 4 Typen das selbe.

Speicher

Die beiden Speicherbausteine (Flash und SRAM) sind am Adressbus (A0 bis A13) und am Datenbus des C64 angeschlossen. Die Steuerung (Chip-Select und Write-Enable) wird vom CPLD gesteuert. Der CPLD entscheidet, ob und welcher der beiden Speicher im Adressraum des C64 eingeblendet wird. Beim SRAM und FLASH gibt es die Möglichkeit, es schreibend zuzugreifen. Der Flash kann natürlich nur über die Hersteller spezifischen Magic Bytes schreiben zugegriffen werden.

Mögliche Adressräume im C64:

• LoROM ($8000 bis $9FFF)
• HiROM ($A000 bis $BFFF oder $E000 bis $FFFF im Ultimax Mode)
• IO1 Bereich ($DE00 bis $DEFF)
• IO2 Bereich ($DF00 bis $DFFF)
• der SRAM kann im Bereich $4000 bis $BFFF zugegriffen werden (nur schreibend!)

Der Flash Speicher in dem UC2 Modul wird nur als 'Massenspeicher' benutzt.

Im Falle, der Benutzer startet ein Programm vom Typ PRG (One-Filer), wird das Programm ab $0801 in den Speicher des C64 geladen. Danach schaltet sich das UC2 ab und es wird das Programm mit RUN gestartet. Das RAM im UC2 Modul ist da nie involviert.

Ein Programm vom Typ BIN oder BLK wird an beliebiger Adresse geladen. Im Falle von BIN wird die Ladeadresse aufgrund der ersten beiden Bytes der Datei ermittelt. Der Typ BLK wird ab der Adresse geladen, die in der CSV Datei steht. Nach dem Laden der Datei wird die Startoption ausgeführt, die in der CSV Datei definiert wurde.

Alle anderen Programmtypen (8K, 16K und Ultimax) benötigen das RAM der UC2. Das Programm wird in den UC2 RAM geladen und die Signale /GAME und /EXROM werden je nach Modul Typ gesetzt. Danach wird der RAM schreib-geschützt und ein Reset des C64 ausgelöst. Das UC2 Modul verhält sich dann exakt wie ein einfaches 8K oder 16K Modul.

Im Ultimax Modus können nur bestimmte Paket Größen verwendet werden: 1K, 2K, 4K, 8K und 16K
Das Paket wird gespiegelt, sodass immer 16K zur Gänze ausgefüllt sind.

Eine Stärke des UC2 Modul ist, dass der UC2 RAM schreib geschützt werden kann. Dadurch erscheint das flexible RAM wie ein ROM, das nicht überschrieben werden kann. Und dadurch kann man Modul Dateien (8K CRT, 16k CRT und Ultimax CRT) auch von Diskette oder SD-Karte laden. Für diesen Zweck gibt es den modifizierten FB (File Browser). Man kann damit direkt auf CRT Dateien zugreifen und diese 'starten'.

CPLD als Register

Die Logik im CPLD implementiert intern zwei Register zur Konfiguration der UC2.

Die Register können vom C64 aus nur schreibend und lesend zugegriffen werden. Der Schreibzugriff kann im ganzen IO-1 Adressbereich erfolgen (Adresse $DExx). Der Zugriff auf die Register kann aber auch abgeschaltet werden, sodass die Einstellungen der UC2 nicht mehr versehentlich verändert werden können.

Die Register haben 11 Ausgänge zur Steuerung der UC2 Hardware

• fünf Pins dienen dem Banking und selektieren eine 16K Bank (32 Banks)
• zwei Pins steuern Signale zum C64 (/EXROM und /GAME)
• vier Pins steuern den Zugriff auf die Speicher Bausteine (FLASH und SRAM: OE, CS, WE)

Nach dem Einschalten des C64 (oder einem B Reset) sind alle Ausgänge der Register auf Low (Grundzustand). Das schaltet die Speicher auf Bank 0, selektiert das FLASH und schaltet den C64 in den Cartridge Modus '16K'. Im FLASH ist auf Bank 0 ganz am Anfang der UC-Loader gespeichert der nun das UC-Menü anzeigt ...

Programmierung der UC2

Für die UC2 gibt es fertige Software:

• UC-Builder --- ein Tool für die Windows Kommandozeile für die Erstellung eigener Image Dateien
• UC-Loader --- dieser Code ist in jeder UC Image Datei als Startcode und zur Programm Auswahl (UC Menü)
• UC-FB --------- ein optionaler Datei Browser auf Basis des bewährten Tool FB

Eigener Startcode

Der Startcode (UC-Loader) kann durch eigenen Code ersetzt werden.

Der eigene Code kann mit einem Assembler wie zB. dem DASM erstellt werden. Der UC-Builder schreibt den Startcode immer ganz am Anfang der UC Image Datei. Normalerweise verwendet der UC-Builder immer automatisch den internen Startcode (UC-Loader). Wenn der UC-Builder aber eine Datei namens UC2-loader.prg findet, dann verwendet er diese Datei als Startcode und schreibt es an den Anfang der Image Datei.

Wenn man eigene Software für das UC2 Modul entwickeln möchte sind folgende Infos nützlich:

• das UC2 Modul startet immer im 16K Cartridge Modus (passende Initialisierung!)
• das UC2 Register liegt im ganzen Bereich IO-1 ($DExx)
• die selektierte Bank hat immer eine Größe von 16KB (auch wenn nur 8KB sichtbar sind)
• je nach Modus 'sieht' der C64 8KB ab $8000, 16KB ab $8000 oder 8KB ab $8000 und 8KB ab $E000
• es ist möglich, ein eigenes Menü Programm zu verwenden das vom UC-Builder in eine Image Datei geschrieben wird
• der UC RAM hat 2 Banks und hat pro Bank auch immer eine Größe von 16KB
• zum LESEN kann nur entweder FLASH oder RAM eingeblendet sein
• das SCHREIBEN in den UC RAM funktioniert immer, wenn Schreiben erlaubt ist (UC Register -- write enable)
• das Schreibfenster ist gespiegelt und liegt von $4000 bis $8000 und von $8000 bis $C000
• der IO Bereich (IO-1 und IO-2) enthält beim LESENDEN Zugriff die obersten 512 Bytes des UC RAM (selektierte Bank)
• über den IO Bereich IO-2 kann der UC RAM geschrieben werden, wenn Schreiben erlaubt und der Flash Speicher selektiert ist (UC Register -- write enable)
• über den IO Bereich IO-1 kann der UC RAM geschrieben werden, wenn Schreiben erlaubt und der Flash Speicher selektiert und das IO Register ausgeschaltet ist

Eigener File Browser Code

Der File Browser (UC-FB) kann durch eigenen Code ersetzt werden.

Der eigene Code kann mit einem Assembler wie zB. dem DASM erstellt werden. Der UC-Builder schreibt den FB Code in eine UC Image Datei, wenn in der CSV Datei ein Menü Eintrag 'F1' existiert. Normalerweise verwendet der UC-Builder immer automatisch den internen File Browser (UC-FB). Wenn der UC-Builder aber eine Datei namens UC2-FB.prg findet, dann verwendet er diese Datei als File Browser. Der eigene File Browser kann dann vom UC-Menü mit der Taste <F1> gestartet werden.

Durch die bloße Existenz der Datei UC2-FB.prg wird also generell ein eigener Code verwendet. Alternativ dazu kann ein eigener File Browser Code auch ganz einfach in der CSV Datei eingebunden werden. Dazu benötigt man nur eine ganz normale Zeile in der CSV Datei, wobei der Menüeintrag "F1" heißen muss.

Wenn man einen eigenen FB Code entwickeln möchte sind folgende Infos nützlich:

• der Code kann wie bei jedem Menü Eintrag vom Typ PRG, 8K, 16K, Ultimax oder CRT sein
• nach dem Start durch die Taste <F1> ist das IO Register sichtbar, das Modul kann also noch konfiguriert werden

Die Register

Die beiden UC2 Register liegen im IO-1 Block an Adresse $DE02 und $DE03. Die Register können gelesen und geschrieben werden. Die UC Register können 'versteckt' werden (UC Register B -- IO disable). Nachdem das Bit gesetzt wird kann das UC2 Modul nicht mehr konfiguriert werden. Die UC Register sind erst nach einem Hard Reset wieder sichtbar.

UC2 Register A

• Bit 0 --- Banking A14
• Bit 1 --- Banking A15
• Bit 2 --- Banking A16
• Bit 3 --- Banking A17
• Bit 4 --- Banking A18

UC2 Register B

• Bit 2 --- MAX Machine Mode
• Bit 3 --- IO Register disable (1 - Register sind unsichtbar)
• Bit 4 --- SRAM write enable (1 - SRAM kann beschrieben werden)
• Bit 5 --- SRAM select (1 - RAM, 0 - FLASH)
• Bit 6 --- Signal /GAME (GAME und EXROM bestimmen den C64 Cartridge Modus)
• Bit 7 --- Signal /EXROM (GAME und EXROM bestimmen den C64 Cartridge Modus)

Der MAX Machine Modus ermöglicht den Betrieb der UC2 in einer MAX Machine (der normale Betrieb ist nur für eine C64 Hardware gedacht). Der Modul Port der MAX Machine ist unterschiedlich zum Modulport des C64 (betrifft PIN 6-10 und 13).

Sobald das Bit für 'MAX Machine Mode' gesetzt ist, gelten folgende Umstände:

• der Modul Betriebsmodus ist beschränkt auf Ultimax (/Game low, /EXROM hi) und 16K (/Game low, /EXROM low)
• IO-1 selektiert UC RAM in der Bank 1 (2K Zusatz RAM ab $0800 für MAX BASIC)
• IO-2 ist verbunden mit /EXROM (PIN 9 und 10)

Der Modul RAM

Der RAM des UC2 Modul ist gedacht als "ROM Ersatz", den man sehr schnell und einfach beschreiben kann. Dadurch kann man ROM Module einfach als CRT Datei laden und ausführen.

Will man den RAM aber als 512K Speichererweiterung benutzen, dann muss man folgende Dinge beachten. Beim C64 liegt RAM im gesamten 64K Adressraum. Dieser C64 eigene RAM wird immer beschrieben, auch wenn ein ROM oder das UC-RAM sichtbar sind. Die einzige Ausnahme ist, wenn der C64 sich im Ultimax Modus befindet. Nur im Ultimax Modus kann man den UC2 RAM beschreiben, ohne gleichzeitig einen C64 eigenen RAM zu beschreiben. Die Methode ist also, in den Ultimax Modus zu wechseln (/GAME = 0 und /EXROM = 1), ein oder mehrere Bytes zu schreiben und wieder in den normalen Zustand zurück zu kehren.

Das UC-Ram ist zusätzlich sichtbar im IO Adress-Bereich (IO-1 und IO-2). Damit hat man bis zu 512 Byte zusätzlichen Speicher zur Verfügung. Der Speicher kann auch mit Schreibschutz betrieben werden, wodurch man quasi ein ROM im IO Bereich sieht. Lesend sind immer die ganzen 512 Byte verfügbar. Schreibend sind nur 256 Bytes des IO-2 verfügbar. Der IO-1 Bereich kann schreibend zugegriffen werden, wenn das UC Register ausgeblendet ist (IO Register disable). Der Schreibzugriff ins UC RAM über den IO Bereich funktioniert nur, wenn schreiben erlaubt ist (SRAM write enable Bit) und der Flash Speicher selektiert ist (SRAM select Bit = 0).

Das RAM im IO Bereich ist nutzbar, selbst wenn der C64 im Modus "kein Modul" läuft (/EXROM =1 und /GAME = 1). Das bietet eine ideale Sprungleiste für eine "unsichtbare" Modul Software. Man denke zB. an eine BASIC Erweiterung, zusätzliche Befehle für das BASIC. Normalerweise kostet ein Modul immer 8KB Speicher, der C64 meldet sich mit 30KB frei statt wie sonst 38KB. Mit einem "unsichtbaren Modul" kann man wie gewohnt 38KB freien Speicher haben, und doch auch glz. die Befehlserweiterung. Dazu verbiegt man die Vektoren für BASIC Erweiterung auf den IO Bereich (IO-2). Da liegt nun ein Code, der das Modul einschaltet, den gewünschten Code ausführt und danach das Modul wieder deaktiviert.

Entwicklung und erste Prototypen

Mein erster Versuch ein C64 Modul zu machen war die UC1. Das Ziel ist aber wesentlich mehr Speicher zur Verfügung zu stellen. Die erste Überlegung war die UC1 zu erweitern. Ein zweites D-Latch und ein paar Änderungen im GAL führen zur UC2. Allerdings hätte man dann neben den beiden Speicherbausteinen noch DREI weitere IC benötigt. Die Alternative ist ein CPLD statt einem GAL und zweier TTL.

Der CPLD hat den Nachteil, dass man für die Programmierung spezielle Hardware benötigt (JTAG Adapter).

Es gibt aber auch Vorteile

• es braucht weniger Platz auf der Platine
• es braucht weniger Strom
• die Register können auch gelesen werden
• das Konzept hat Platz für komplexe Erweiterungen

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Downloads

• Gerber Dateien Rev.6a
• Jedec für den CPLD (nur C64, ohne Max Machine Mode)
• Jedec für den CPLD
• Jedec für den CPLD (EF-1 kompatibel)
• Jedec für den CPLD (MagicDesk kompatibel)

Links

• Allgemeines zu C64 Universal Cartridge
• Handbuch zur UC-1
• Handbuch zur UC-1.5

• die Programmierung des ATF-1504