Monotron.

一个简单的1980年代家用电脑风格应用程序，用于Tiva-C Launchpad

Monotron不再存在

Monotron很有趣，但它只是一个技术演示，而不是我们可以构建的东西。查看https://github.com/neotron-compute/，了解我们新的基于ARM、由Rust驱动的家用电脑系列。

简介

Monotron由德州仪器TM4C123微控制器供电，包含一个ARM Cortex-M4核心和一些外围设备。选择这个处理器是因为它可以在廉价的开发套件Tiva-C Launchpad上使用，而且我恰好有一些。我给自己设定的挑战是，你能从这个微小的CPU中榨取多少？你能全部用纯Rust完成吗？

查看Monotron的实际操作！

未来

Monotron已被Neotron 32取代，它是Neotron家族的一部分。所有未来的工作将在Neotron的旗帜下进行，这个仓库处于归档模式。

功能

• 800x600 8色VGA输出
• 32 KiB SRAM（24 KiB可用于应用程序）
• 256 KiB闪存ROM
• 可选低内存48x36文本显示模式或全384x288位图图形模式
• 8位单声道音频输出，带3通道、4波形合成器
• USB串行I/O
• Atari 9针游戏手柄接口
• 简单的命令行界面
• I2C扩展接口
• 可加载应用程序
• 带电池的实时时钟*
• 25针IBM PC风格并行打印机端口*
• MIDI输入、输出和透传*
• PS/2键盘和鼠标*
• RS-232串行端口*
• 请关注这个空间！

* 需要额外的硬件，包含在Monotron PCB中

视频

Monotron通过三个SPI外设和一个定时器生成800x600分辨率的60Hz VGA视频信号。它能这样做是因为VGA信号的像素时钟为40 MHz，而Tiva-C Launchpad的TM4C123 CPU运行在80 MHz。通过水平方向以半分辨率（400x600）运行，我们节省了需要通过SPI推送的像素数量，同时也将像素时钟减半到20 MHz。我尝试过40 MHz模式，但不起作用。

Monotron可以在VGA输出上显示两种“模式”。

文本模式

文本模式具有48字符 x 36行的显示。每个字符单元宽度为8像素，高度为16像素，可以显示8位MS-DOS代码页850字符集中的任何字符，并且可以有支持的任何前景和背景颜色。

• 白色
• 红色
• 黄色
• 绿色
• 青色
• 蓝色
• 品红色
• 黑色

文本缓冲区占用48 x 36 x 2 = 3,456字节的SRAM。

内置字体来自FreeBSD。还有一个字体实现了电传文本块图形（或“sixels”）。

任何文本行都可以在“双倍高度”模式下显示，显示上半部分或下半部分。

最后，显示周围有一个8像素的边框和上下各12像素的边框，使一切整齐排列，并有助于解决使用实际CRT显示器时的任何轻微过度扫描问题。

图形模式

可以在运行时启用和禁用图形模式。默认情况下不启用，因为位图图形占用大量RAM！

您可以连接一个1位/像素的图形缓冲区，其长度为384像素的某个倍数（即384位或48字节）。此缓冲区通过行加倍（即每行显示两次）进行显示，因此您可以达到最大384x288分辨率，这将填满整个屏幕。位图的每个位都根据其所在的文本单元格（见上文）着色，类似于ZX Spectrum。全屏位图因此使用文本模式的3,456字节SRAM以及额外的384x288 / 8 = 13,824字节SRAM。

编译

您需要使用Rust Nightly进行构建，因为我们需要用于嵌入式开发的某些实验性功能，这些功能在稳定版本中尚不可用。

$ rustup toolchain install nightly
$ git clone https://github.com/thejpster/monotron.git
$ cd monotron
$ rustup override set nightly
$ rustup target add thumbv7em-none-eabihf
$ cargo build --release

要编程板，可以使用lm4flash

$ cargo build --release
$ arm-none-eabi-objcopy -O binary ./target/thumbv7em-none-eabihf/release/monotron ./target/thumbv7em-none-eabihf/release/monotron.bin
$ lm4flash ./target/thumbv7em-none-eabihf/release/monotron.bin

或者您可以使用GDB进行调试（它将自动首先加载程序）

$ openocd
<switch to a different terminal>
$ cargo run --release

OpenOCD应读取我们的openocd.cfg文件，该文件将其指向使用正确的配置。如果您没有权限打开USB设备，您可能需要运行sudo openocd。

要退出GDB，您可能需要多次按Ctrl-C，因为它似乎有点卡住了。

连接

运行Monotron时，您有两个选项。

1. 您可以使用裸Tiva-C Launchpad，并使用以下部分的引脚分配连接各种连接器。
2. 或者，您可以跳过所有这些，自己制作Monotron PCB！

VGA

您的VGA连接器需要五根线

• 引脚1：红色 - 通过330欧姆电阻连接到PF1。
• 引脚2：绿色 - 通过330欧姆电阻连接到PB7。
• 引脚3：蓝色 - 通过330欧姆电阻连接到PD3。
• 引脚5：地 - 连接到GND
• 引脚6：红色返回 - 连接到GND
• 引脚7：绿色返回 - 连接到GND
• 引脚8：蓝色返回 - 连接到GND
• 引脚13：H-同步 - 连接到PB4
• 引脚14：V-同步 - 连接到PB5

我使用随机电阻，这是我在桌上找到的，这个配置对我有效（尽管画面有点暗，因为它实际上产生的是0.6V峰值，而不是0.7V）

-----+
     |     +------+ 330 Ohm        Co-ax in the VGA cable
PB7 o+-----|      |------------(o)==================)+
     |     +------+                                  |
-----+                                               |
                                                    +-+
                                                    | |
                                                    | | 75 Ohm
                                                    | | (in Monitor)
                                                    +-+
                                                     |
                                                     o
                                                    GND

330欧姆电阻与监视器中的75欧姆电阻形成电阻分压器。这是为了将3.3V输出降至0.7V。一些监视器比其他监视器更能容忍过电压。你使用的电阻越大，从GPIO引脚抽取的电流就越少（我们现在超过8mA，有点高），监视器看到的电压就越低，画面就越暗。相反，如果你降低电阻，电流就会更多，画面会更亮。为了保护你的芯片，请将亮度控制调高！

显然，上面只显示了其中一个通道 - 以完全相同的方式连接蓝色和红色通道。最后，别忘了保持你的线尽可能短！如果你尝试在10cm的无屏蔽线上发送20MHz信号，你会产生噪声。

在理想的世界里，你的板会提供一个75欧姆的源阻抗，匹配监视器的75欧姆阻抗，以减少反射，但在这个分辨率上这似乎并不重要。如果你想做到这一点，你需要制作一个电阻分压器将3.3V降至1.4V，然后通过一个高带宽（>20MHz）的单位增益放大器，在输出端使用一个75欧姆电阻。这对75欧姆电阻将把1.4V降至监视器中的0.7V。

UART

Monotron主要使用UART0，由Tiva-C Launchpad板上的板载伴侣芯片转换为USB串行。以115,200bps的速度连接到您最喜欢的串行终端，然后发送UTF-8字符，它们将被转换为虚拟键盘输入，让您可以驱动Monotron。

还有一个第二个UART（UART1），它有RTS/CTS硬件握手线连接（但没有DSR、DTR或RI）。在Monotron PCB上，这些连接到引脚头J8。通过在这个引脚头上安装六个跳线，可以激活板载MAX3232电平转换器，在DE9连接器J12上驱动RS-232信号。该连接器按数据终端设备或DTE（与数据通信设备或DCE相对）布线。这意味着Monotron在DE9引脚3上发送数据，并且它设计用于连接串行AT调制解调器或其他外围设备。其他计算机（如老式的IBM PC）甚至USB到RS-232适配器很可能布线为DTE，因此为了将其连接到Monotron，您很可能需要一个null-modem线（交换引脚3 + 4和引脚7 + 8）。

第一个编写Monotron BBS程序的人可以获得加分，该程序允许您使用56k调制解调器拨号。

第一个编写xmodem文件传输程序的人可以获得额外加分，这样您就可以从SD卡通过RS-232传输文件到旧MS-DOS 3.3 IBM PC上的xmodem实用程序。

注意：游戏手柄连接器看起来与RS232连接器相同 - 不要混淆它们！

在Monotron PCB上，第三个UART（UART3）通过多个光隔离器连接到MIDI In和MIDI Out端口。MIDI Through端口重复接收到的所有MIDI In端口上的内容。

最后，在Monotron PCB上，还有一个第四个UART（UART7），它连接到一个5V AtMega48，用作I/O扩展器。这个微控制器驱动两个PS/2端口（一个用于键盘，一个用于鼠标）以及一个全IBM PC风格的25针并行打印机端口。

音频

Monotron可以使用PE4引脚上的PWM生成8位音频输出。我使用了monotron-synth，它有一个三通道的wavetable合成器，可以使用方波、正弦波、锯齿波产生哔哔声和嘟嘟声，并生成白噪声。

您需要通过低通滤波器运行引脚以去除噪声，并将其连接到放大器，因为GPIO引脚实际上不会提供太多电流。

目前音频仅从PE4（左）输出为单声道。如果这对您的放大器是问题，将PCB上的跳线J1设置为1-2可以将音频左也路由到套筒和尖。将J1设置为2-3可以启用立体声支持，如果将来开发的话。

游戏手柄

有五个低电平有效输入，分别对应向上、向下、向左、向右和开火。您可以将这些输入连接到标准的Atari或Commodore 9针游戏手柄，如下所示

SeGA Master System (tm)控制器应该可以工作，但您只能使用按钮1，而不能使用按钮2。SeGA Mega Drive (tm)控制器可能无法工作，因为它有比引脚更多的按钮，因此使用5V供电的多路复用器在两个按钮组之间进行选择。15针模拟PC游戏手柄也无法工作。

SD卡

您可以从SD卡加载程序和数据，从第一个主MBR（标准旧式MS-DOS）分区，格式化为FAT16或FAT32。使用标准的SD卡SPI断开适配器，连接如下

SD卡在3.3v下运行，因此不需要电平转换器，但许多卡需要在所有四个数据引脚上拉到3.3v（嗯，在10k和100k之间）。如果您不使用这些上拉，引脚将在Monotron启动时浮动，这些波动可能会扰乱SD卡，导致随机超时和其他异常效果。一些卡对此的容忍度更好，因此YMMV。如果有疑问，只需添加上拉（它们在PCB的版本0.7.0中缺失，但将在0.8.0+中出现）。

在控制台，您可以使用mount命令扫描磁盘，然后使用dir来显示根目录的内容。您还可以使用dload、ddump和dpage命令来加载、十六进制转储并将文件打印到屏幕上。使用dload加载的程序可以随后使用run命令执行。

I2C

Monotron PCB板上的I2C扩展头连接到I2C1。PCB板还可以选择性地安装一个Microchip MCP7940N电池后备实时时钟芯片。对此芯片的驱动支持TBC。

PCB板通过4.7k上拉电阻将I2C总线拉至5V。在这些特定的引脚上，TM4C123恰好是5V容差的，因此它只是以开漏模式运行I2C引脚，而不需要电平转换器。

PS/2键盘

初始的PS/2键盘支持有点工作，但不稳定，所以我再次将其移除。基本问题是，在没有使用SPI从设备（它们都在使用）的同时，在20 MHz的视频信号时序关键位上采样10到15 kHz的输入同步信号非常困难。要么你会丢失随机按键事件（导致丢失字符或卡键），要么每次按键时视频都会抖动（就像ZX81一样）。这两种情况都不理想。

在Monotron PCB上，我通过添加一个连接到UART 7的Atmel AtMega48微控制器作为I/O扩展器来解决这个问题。有关更多信息，请查看avr_kb文件夹。

注意：0.7.0 PCB中存在一个错误，其中PS/2连接器的针脚排列与应有的相反。这是因为我虽然连接器图纸上清楚地写着“底部视图”，但我没有足够注意，假设它们是从上面看的！要使用PS/2连接器，它们必须安装在PCB的底部（即与所有其他连接器相反）。这个问题将在下一个PCB版本中修复。

MIDI

Monotron PCB板上有三个5针DIN MIDI端口：输入、输出和通过。这些端口连接到UART 3。

并行打印机端口

25针并行打印机端口连接到Monotron PCB板的AtMega48 I/O控制器。您向AtMega发送命令，让它驱动打印机端口。目前只计划支持SPP（经典单向支持，如原始IBM PC上所找到的）。对更复杂的EPP和ECP模式的支持TBD。

Monotron PCB

现在有一个PCB板了！它具有以下特点

• 2x20引脚接头，可与TM4C123 Launchpad配合使用（其他Launchpad，如TM4C129和MSP430尚未测试，几乎肯定不会工作）
• 5V电源插头（2.1mm圆柱形插头，中心为正极）
• VGA端口（DE15HD雌性）
• Atari/Commodore 游戏手柄端口（DE9雄性）
• Micro-SD卡插槽
• 3.5mm立体声音频输出
• RS-232端口（DE9雄性）
• 2.54mm（100mil）跳线，用于断开RS232驱动器，并允许您连接3.3v FTDI类型的TTL串行电缆。
• MIDI输入、输出和通过端口，带有光电隔离（5针DIN）
• 4针2.54mm间距（100mil）I2C扩展头（GND、5V、SDA、SCL）
• 带电池后备的Microchip MCP7940N I2C实时时钟
• AtMega48微控制器，控制
  • IBM PC风格并行打印机端口（DB25雌性）
  • PS/2键盘端口（6针迷你DIN）
  • PS/2鼠标端口（6针迷你DIN）

请查看pcb文件夹中的Kicad文件、Gerbers和PDF原理图。如果您想购买PCB（带或不带元件套件），请通过Twitter向@therealjpster发送消息，或通过我的GitHub邮箱。Rev 0.7.0有一些粗糙的边缘，但我正在努力改进。

运行

运行时，会呈现一个简单的命令行驱动界面。命令可以通过串行或使用PS/2键盘输入。命令根据最左边的单词进行分割并解释。输入命令'help'以查看命令列表。一些命令会将您放入子菜单 - 使用'exit'返回到上一级菜单。

加载应用

可以将应用编译并加载到RAM中执行。它们必须链接到从地址0x2000_2000运行，并且所有代码和数据总和小于24 KiB。请查看下表

图像的前四个字节必须是启动函数的地址，其原型为fn start(const struct callbacks_t* callbacks) -> int32。除此之外，应用可以自由分配剩余的24,572字节。

注意： 应用不需要提供堆栈区域 - Monotron ROM将使用系统堆栈来处理。

提供给应用入口函数的回调结构定义在api.rs中，但在C中看起来像

struct callbacks_t {
    int32_t (*putchar)(void* p_context, char ch);
    int32_t (*puts)(void* p_context, const char*);
    int32_t (*readc)(void* p_context);
    void (*wfvbi)(void* p_context);
    int32_t (*kbhit)(void* p_context);
    void (*move_cursor)(void* p_context, unsigned char row, unsigned char col);
    int32_t (*play)(void* p_context, uint32_t frequency, uint8_t channel, uint8_t waveform, uint8_t volume);
    void (*change_font)(void* p_context, uint32_t mode, const void* p_font);
    uint8_t (*get_joystick)(void* p_context);
    void (*set_cursor_visible)(void* p_context, uint8_t visible);
};

导出到应用的C函数是

• puts - 打印一个8位字符串（理解某些转义序列）。注意，与同名的C例程不同，此函数不会自动添加换行符。它更类似于fputs(s, stdout)。
• putchar - 打印一个8位字符
• readc - 阻塞等待键盘/串行输入
• wfvbi - 等待下一个垂直消隐间隔
• kbhit - 如果按下了键（因此readc不会阻塞），则返回1，否则返回0
• move_cursor - 将光标移动到下一个打印的位置
• play - 在合成器通道上播放一个音符
• change_font - 改变屏幕上使用的字体，为正常CodePage 850、Teletext字体或应用提供的自定义字体
• get_joystick - 返回摇杆输入的当前状态。位0-4分别对应开火、右、左、下和上。
• set_cursor_visible - 将0传递以禁用_光标，或将非零值传递以启用它。

您可以使用此存储库中的upload Python脚本来将二进制图像上传到RAM，或使用dload从SD卡加载它们。

请参阅monotron-apps，其中包含了将在Monotron RAM中运行的应用示例，以及一个包装器，使使用回调变得与使用常规C库一样简单。

未发布更改（将作为0.10.0版本发布）

• 通过在绘制像素之前进入WFI来修复视频中断抖动。
• 更新了VGA帧缓冲区回调API

变更日志

• 版本0.9.2 - 更新了菜单界面库
• 版本0.9.0 - 在Monotron PCB上添加了I2C命令和对AtMega键盘控制器（WIP）的支持。
• 版本0.8.0 - 向ABI添加了光标支持。添加了基本的SD卡支持（只读）。
• 版本0.7.0 - 将应用程序RAM移动到0x2000_2000。添加了光标支持。移动了回调指针。
• 版本0.6.3 - 修复了摇杆支持。
• 版本0.6.2 - 添加了摇杆支持。
• 版本0.6.1 - 添加了TeleText字体和在应用程序中切换字体的支持。
• 版本0.6.0 - 添加了声音和从RAM运行应用程序的支持。移除了PS/2键盘支持。
• 版本0.5.0 - 添加了1bpp图形模式。
• 版本0.4.0 - 添加了PS/2键盘支持。
• 版本0.3.0 - 退格键功能正常。
• 版本0.2.0 - 切换到文本缓冲区以节省RAM。基本动画功能正常。
• 版本0.1.0 - 首次发布。VGA输出工作正常，但菜单充满了虚拟命令，且没有键盘输入。

许可证

许可协议为以下之一

• Apache License，版本2.0（《LICENSE-APACHE》或https://apache.ac.cn/licenses/LICENSE-2.0）

• MIT许可证（《LICENSE-MIT》或http://opensource.org/licenses/MIT）

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贡献

除非您明确声明，否则您提交给工作以包含在内的任何贡献，如Apache-2.0许可证中定义的，应按上述方式双重许可，不附加任何额外条款或条件。

lib.rs:

Monotron API

该库包含Monotron的用户空间到内核API。

它由内核（github.com/thejpster/monotron）和各个用户空间示例应用程序（github.com/thejpster/monotron-apps）调用。

这里的API模仿了UNIX/POSIX API和MS-DOS API。我们使用函数指针而不是在结构中提供的SWI（软件中断）调用。这个结构设计为可扩展。

可以使用cbindgen生成此API的C头文件版本。

该文件中的所有类型都必须是#[repr(C)]。