Учебный микропроцессорный комплект УМК-80

24 июля 2023

В институте курсе на четвертом нас учили программировать в байткодах для микропроцессора 8080. Для этого использовался программируемый контроллер Электроника МС 2702. Недавно мне захотелось вспомнить, как это было. Как ни странно, МС 2702 в наши дни можно найти на барахолках. Проблема заключается в том, что контроллер представляет собой черную коробку и подключаемый пульт для программирования. Для какого-то взаимодействия с пользователем требуется дополнительное оборудование, например, внешний терминал.

Знакомство с железом

Так совпало, что где-то в это же время мне на глаза попалось устройство под названием УМК-80. Притом, в хорошем состоянии и в полной комплектации. Почитав про УМК-80, был сделан вывод, что он лучше подходит для задачи.

Вот как выглядит УМК-80:

Учебный микропроцессорный комплект УМК-80

В комплекте шла эксплуатационная документация и плата для прототипирования:

Комплектация УМК-80

Плата вставляется в разъем, который находится справа от надписи «УМК». Документация не только рассказывает, как пользоваться УМК-80, но и содержит подробную схему устройства, исходный код программы-монитора, а также описание выводов макетной платы. В сети доступны сканы документации [PDF], которые выложила xlat8086 (ЖЖ, Telegram). Документация моего экземпляра немного отличается, но качественно такая же.

Суть устройства заключается в следующем. Машинный код программы вводится в шестнадцатеричном коде при помощи клавиатуры. Затем также при помощи клавиатуры передается управление на заданный адрес. Взаимодействие с пользователем осуществляется при помощи шести семисегментных индикаторов и клавиатуры. Устройство позволяет задавать до двух точек останова, исполнять программу в пошаговом режиме, отображать и модифицировать содержимое регистров, вычислять контрольную сумму массива памяти, заполнять массив памяти константой, копировать массив памяти в адресном пространстве. Другими словами, перед нами простой ретро-компьютер со встроенным отладчиком.

УМК-80 выпускался в двух версиях: РР3.059.004 — переносной вариант в чемодане, РР3.059.004-01 — настольный вариант. У меня последний. Вес устройства составляет 6 кг при размерах 45x35x12 см. Судя по вкладышу, найденному в эксплуатационной документации, данный экземпляр был произведен в ноябре 1988 года. Устройство имеет серийный номер 12243. Цена не указана.

Здесь использован процессор КР580ВМ80А работающей на частоте ~2 МГц. На борту имеется 1 Кб ОЗУ и 2 Кб ПЗУ. При этом 1 Кб ПЗУ зарезервирован для нужд пользователя. В документации заявлено использование ОЗУ 2 x КР541РУ2, но по факту стоят 2 x К537РУ13, по 512 байт статической памяти в каждой. ПЗУ — 2 x К573РФ1, по 1 Кб на каждую. К573РФ1 плох тем, что прошивается напряжением 26 В. Это очень много. Мой КРОТ-РФ данную ПЗУ не прошьет.

Адресное пространство поделено таким образом. Адреса 0x0000..0x03FF выделены под программу-монитор, 0x0400..0x07FF — ПЗУ пользователя, 0x0800..0x0BFF — адресное пространство ОЗУ.

Ожидая доставку УМК-80, я решил собрать больше информации об устройстве. Так я наткнулся на серию постов Сергея a.k.a. dlinyj: первый, второй, третий. Сергей предупреждает, что при первом включении УМК-80 может взорваться конденсатор.

На следующей фотографии этот конденсатор обведен в прямоугольник:

Внутренности УМК-80

Конденсатор был заменен пленочным конденсатором 0.1 мкФ 630 В. UPD: Позже я выяснил, что здесь следует использовать конденсатор класса X2.

Характерно, что устройство легко разбирается. Платы здесь держатся на разъемах и шасси. Ослабляем два винта, обведенные на фотографии кругами, и получаем доступ к основным платам. Сергей предлагает достать основную плату и вставить ее в разъем платы расширения. Шины общие, разъемы одинаковые, в связи с чем нет причин, почему это не должно работать. Можно смотреть осциллографом, что происходит с платой, подменять ПЗУ, и так далее.

В своем экземпляре я решил так не делать и ограничился лишь осмотром маркировок компонентов. На микросхемах ПЗУ не были заклеены кварцевые окошки. Это не страшно, поскольку стереть ПЗУ без специализированного УФ стирателя практически невозможно. Тем не менее, кварцевые окошки были заклеены медным скотчем, на всякий случай.

Несколько клавиш на клавиатуре заедали. Если понажимать проблемные клавиши несколько минут, то они разрабатываются, и проблема уходит.

После включения у меня загорелись светодиоды +5 В и +12 В. Это означает, что данные напряжения отсутствуют (хорошо, когда есть документация). Было решено проверить предохранители. Выяснилось, что один из них пробит. Здесь используются керамические предохранители ВП1-1. Они имеют длину 15 мм и максимальный диаметр 4 мм. Такие предохранители легко доступны в наши дни. После замены предохранителя все заработало.

Пишем код

Программировать было решено в машинных кодах, иначе как-то не спортивно. Ассемблер 8080 легко переводится в соответствующие опкоды по табличке, к примеру, этой или этой. Ассемблер 8080 является восьмибитным предком современного ассемблера x86/x64, в связи с чем программирование на нем не вызывает затруднений. Детальное описание ассемблера 8080 содержится в документе Intel 8080 Assembly Language Programming Manual [PDF].

Вот простейшая программа:

0800    3E AA       MVI A, 0xAA
0802    C3 00 08    JMP 0x0800

Здесь левая колонка — это адреса, по центру — опкоды, справа — код на ассемблере. Программа в цикле пишет 0xAA в регистр A.

После включения устройства нажимаем СБ (сброс), П (память), вводим 0800, _ (пробел), 3E, _, AA, _, C3, _, 00, _, 08, _, ВП (выполнить). Чтобы запустить программу, говорим СТ (старт), 0800, ВП. Теперь программа крутится в цикле. Нажимаем ПР, чтобы прервать ее выполнение. Затем нажимаем РГ, А. Должны увидеть A - AA, то есть, имя регистра и его содержимое.

Теперь попробуем написать программу, выводящую что-то на семисегментные индикаторы. Выбор индикатора осуществляется записью в порт 0xF8. Если записать 0b1, будет выбран самый левый индикатор, если 0b10, то второй слева, если 0b100, то третий, и так далее. Какие светодиоды нужно зажечь определяется записью в порт 0xF9. Нумерация сегментов стандартная. Запись 0b1 означает зажечь сегмент A, 0b10 — сегмент B, 0b100 — сегмент C, и так далее.

Допустим, мы хотим вывести «HELLO». Переводим буквы в битовые маски:

H = 0b01110110 = 0x76
E = 0b01111001 = 0x79
L = 0b00111000 = 0x38
O = 0b00111111 = 0x3F

Вот программа, выводящая букву H:

0800    3E 01       MVI A, 0x01 ; выбираем первый сегмент
0802    D3 F8       OUT 0xF8
0804    3E 76       MVI A, 0x76 ; выводим символ H
0806    D3 F9       OUT 0xF9
0808    C3 00 08    JMP 0x0800  ; программа зациклена

С помощью команды П можно поменять содержимое памяти по адресам 0801 и 0805, после чего снова запустить программу. Убеждаемся, что вывод других букв и использование других индикаторов тоже работают.

Осталось вывести «HELLO». Вот моя первая, наивная версия:

0800    06 01       MVI B, 0x01 ; B - бит сегмента
0802    0E 05       MVI C, 0x05 ; выводим 5 символов
0804    26 08       MVI H, 0x08 ; адрес массива символов
0806    2E 18       MVI L, 0x18
0808    78          MOV A, B    ; выбор индикатора
0809    D3 F8       OUT 0xF8
080B    07          RLC         ; сдвинуть A влево
080C    47          MOV B, A    ; это будет следующий сегмент
080D    7E          MOV A, M    ; A <- (HL)
080E    D3 F9       OUT 0xF9    ; выводим символ
0810    23          INX H       ; инкремент HL
0811    0D          DCR C       ; декремент счетчика
0812    C2 08 08    JNZ 0x0808  ; продолжить если не ноль
0815    С3 00 08    JMP 0x0800  ; программа зациклена
0818    76          'H'
0819    79          'E'
081A    38          'L'
081B    38          'L'
081C    3F          'O'

Эта программа выводит мусор. Но почему?

Для ответа на вопрос запустим программу в пошаговом режиме. Для этого нажимаем клавишу РБ/ШГ. Это клавиша с фиксацией, она остается зажатой. Запускаем программу командой СТ, 0800, ВП. Далее жмем ШГ. Одно нажатие — выполнение одной команды.

Если зажата клавиша КМ/ЦК, программа останавливается после выполнения каждого рабочего цикла процессора. Выполнение одной команды занимает несколько циклов. Такая детализация в данном случае не требуется. Поэтому стоит убедиться, что КМ/ЦК не зажата.

В пошаговом режиме видим, что индикаторы обновляются таким образом:

1. H_____
2. _H____
3. _E____
4. __E___
5. __L___
...и так дале...

Вот оно что! В одном индикаторе поочередно отображаются две буквы. В первом индикаторе это H и O, во втором — H и E, и так далее. Решение заключается в том, чтобы выключать индикаторы на время обновления кода буквы.

Исправленная программа:

0800    06 01       MVI B, 0x01 ; B - бит сегмента
0802    0E 05       MVI C, 0x05 ; выводим 5 символов
0804    26 08       MVI H, 0x08 ; адрес массива символов
0806    2E 1B       MVI L, 0x1B
0808    97          SUB A       ; очистить A
0809    D3 F8       OUT 0xF8    ; выключить все индикаторы
080B    7E          MOV A, M    ; A <- (HL)
080C    D3 F9       OUT 0xF9    ; выводим символ
080E    78          MOV A, B    ; выбор индикатора
080F    D3 F8       OUT 0xF8
0811    07          RLC         ; сдвинуть A влево
0812    47          MOV B, A    ; это будет следующий сегмент
0813    23          INX H       ; инкремент HL
0814    0D          DCR C       ; декремент счетчика
0815    C2 08 08    JNZ 0x0808  ; продолжить если не ноль
0818    С3 00 08    JMP 0x0800  ; программа зациклена
081B    76          'H'
081C    79          'E'
081D    38          'L'
081E    38          'L'
081F    3F          'O'

А так выглядит результат:

Привет мир на УМК-80

Был написан «Привет, мир!» для УМК-80. Заинтересованным читателям в качестве упражнения предлагается написать бегущую строку. Если задача покажется вам слишкой простой, попробуйте написать небольшую игру — «крестики-нолики», «угадай число», или что-то в таком духе.

Заключение

Кому-то УМК-80 может показаться примитивным и неинтересным устройством, однако не стоит его недооценивать. На разъем для подключения внешней платы выведены системные шины. Благодаря этому факту УМК-80 является очень расширяемой платформой. Можно увеличить объем ОЗУ и ПЗУ, добавить полноценную клавиатуру и вывод информации на монитор, воспроизведение звука на КР580ВИ53, подружить устройство с магнитофоном или научить его читать SD-карты. Простор для творчества здесь очень велик.

Дополнение: В продолжение темы вас могут заинтересовать статьи Советский персональный компьютер Микроша и Написал «Змейку» для Искры 1080 Тарту.

Метки: , , , .


Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.