tranZPUter FusionX テクニカルガイド

概要

ハードウェアアーキテクチャ

ブロック図

┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         tranZPUter FusionX Board                       │
│                                                                        │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────┐                  │
│  │             SigmaStar SSD202 SOM (Infinity2M)    │                  │
│  │  ┌─────────┐  ┌─────────┐   128MB DRAM          │                  │
│  │  │ CPU0    │  │ CPU1    │   256MB NAND Flash      │                  │
│  │  │ Linux   │  │ Z80 Emu │   Integrated WiFi       │                  │
│  │  │ 1.2GHz  │  │ 1.2GHz  │   (SSW101B 2.4GHz)     │                  │
│  │  └─────────┘  └─────────┘                        │                  │
│  │   GPIO (read path)  SPI (write path, 50MHz)       │                  │
│  └──────────────┬────────────────┬──────────────────┘                  │
│                 │ GPIO           │ SPI                                  │
│  ┌──────────────▼────────────────▼──────────────────┐                  │
│  │         Altera MAX7000AE CPLD (EPM7512)           │                  │
│  │  Z80 Bus FSM  ◄─────────────────────────────────►│◄──[ 50MHz OSC ] │
│  │  SPI decoder  │                                   │                  │
│  │  Video/Audio  │                                   │                  │
│  └───────────────┬───────────────────────────────────┘                  │
│                  │ DIP-40 Z80 bus                                       │
│  ┌───────────────▼───────────┐  ┌─────────────────────────┐            │
│  │  Z80 DIP-40 host socket   │  │  Video/Audio outputs     │            │
│  │  A0-A15, D0-D7, MREQ,    │  │  GM7123 RGB DAC (30-bit) │            │
│  │  IORQ, RD, WR, HALT,     │  │  TLC5602C Contrast DAC   │            │
│  │  M1, RFSH, NMI, INT,     │  │  TLC5602C Audio DAC      │            │
│  │  WAIT, RESET, CLK, BUSRQ │  └─────────────────────────┘            │
│  └───────────────────────────┘                                          │
│  [ USB-serial CH340E ]──USB──►[ Linux console /dev/ttyUSB0 ]          │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

主要コンポーネント

CPLDの役割

1. 電圧変換 — SOM GPIOは3.3Vで動作し、Z80ホストバスは5Vで動作します。MAX7000AE CPLDは5V耐性入力を持ち、LVTTL レベル（論理'1' = 3.3V）で出力を駆動します。これはホスト側の5V TTLロジックの2.4Vスイッチングしきい値を超えており、双方向で正しいインターフェースを保証します。
2. サイクル精度のZ80バスタイミング — CPLDはすべてのZ80バスサイクルタイプ（オペコードフェッチ、メモリ読み取り、メモリ書き込み、I/O読み取り、I/O書き込み、割り込みアクノレッジ、バスリクエスト/グラント）に対して完全なZ80バス有限状態機械（FSM）を実装しています。すべてのFSMは50MHzオシレータでクロックされ、典型的な1MHz～6MHzのZ80ホストクロックに対して20nsの分解能を持ちます。
3. SOMインターフェース — 2つの独立した通信パスが存在します：SOMがデータと制御コマンドをCPLDに送信するための50MHz SPIチャンネル（書き込みパス）、およびCPLDがアドレス、データ、ステータス信号をSOM GPIOピンに直接駆動して高速バスサイクルキャプチャを行うGPIOパス（読み取りパス）。
4. ビデオおよびオーディオ切り替え — CPLDはドーターボード上のアナログマルチプレクサを制御し、ホストのネイティブビデオ/オーディオとSOM出力の間を選択します。コンポジットビデオ出力用の合成同期信号（VGA_CSYNCn）とカラーキャリア周波数（VGA_COLR）を生成し、CRTコントラスト制御用の単色ブランキング信号（MONO.BLANK）を生成します。
5. リセット管理 — CPLDはRESET信号を引き伸ばして同期し、リセットイベントのソースに関わらずSOMとホスト機が協調した方法でリセットに入り、リセットから抜け出すことを保証します。

CPLDバリアント

Z80バスFSM

1. ホストZ80によってMREQ/IORQとM1/RD/WRの関連する組み合わせがアサートされるのを待ちます。
2. A0～A15からアドレスをラッチします。
3. 読み取りサイクルの場合はGPIO読み取りパスを介して、書き込みサイクルの場合はSPIを介してアドレスをSOMに送信します。
4. 読み取りサイクルの場合：SOMからデータバイトを受け取り、CPLDが強制するTステートウィンドウ内でD0～D7をホストに向けて駆動します。
5. 書き込みサイクルの場合：D0～D7からデータバイトをキャプチャしてSOMに転送します。
6. Z80データシートで指定された正しいTステートタイミングで制御信号をデアサートしてバスを解放します。

SOMインターフェース

• SPI書き込みパス（50MHz） — SOMはSPIで50MHzでCPLDを駆動します。このパスは次のために使用されます：Z80バスへのデータバイトの書き込み（ホストが見る読み取りサイクル）、ホストへのNMIまたはINTのアサート、ドーターボード上のビデオおよびオーディオマルチプレクサの制御、バス方向/ハイインピーダンス制御の設定。SPIはすべての制御およびデータ出力操作に十分な帯域幅を提供します。
• GPIO読み取りパス — CPLDはアドレス、データ、ステータスビットを専用SOM GPIOピンに直接駆動します。SOMはLinux GPIO HALを完全にバイパスして、メモリマップされたGPIOレジスタアクセスでこれらを読み取り、最低限のレイテンシを実現します。このパスは約2MB/sのスループットを達成し、各Z80サイクルのアドレスバスキャプチャおよびホスト書き込みサイクルのZ80からのデータキャプチャに使用されます。Linux GPIOサブシステムはZ80バスタイミングに違反するスケジューリングジッタを引き起こすため、直接レジスタアクセスが不可欠です。

ビデオ出力

• GM7123 RGB DAC — ADV7123の3.3Vバージョンで、各カラーチャンネル10ビット（合計30ビット）を提供します。SOMが各チャンネルの上位8ビットを供給し、CPLDが補間とパレット微調整のために下位2ビットを提供します。
• コンポジット同期 — VGA_CSYNCnはCPLDによって生成され、Z80ホストクロックと選択されたビデオモードに同期されます。
• カラーキャリア — VGA_COLRはCPLDによってコンポジットカラー出力に適した周波数で生成されます。
• コントラストDAC（TLC5602C、8ビット） — Sharp MZ内部単色CRTのコントラストレベルを制御するための4V～5Vアナログ信号を駆動します。CPLDはまた選択されたビデオモードにゲートされたMONO.BLANKブランキング信号も生成します。

オーディオ

• オーディオDAC（TLC5602C、8ビット） — SOMによって駆動されるステレオ48kHz出力。エミュレートされたサウンドや任意の波形再生のためのCD品質オーディオを提供します。
• SN76489 PSGエミュレーション — SN76489プログラマブルサウンドジェネレータはSOM上のソフトウェアで完全にエミュレートされ、生成されたオーディオはDACに供給されます。3つのトーンチャンネルとノイズチャンネルすべてがサポートされています。
• オーディオアンプ — 各ドーターボードには、ホスト機の内蔵スピーカーにオーディオをルーティングするためのオーディオアンプステージが含まれています。
• マイクロフォン入力 — オーディオ録音のためのマイクロフォン入力がSOM/ドーターボードで利用可能です。

ソフトウェアアーキテクチャ

デュアルコア設計

カーネルモジュール

• z80drv.ko — Z80エミュレーションコア
  • メインディスパッチループ：保留中のバスサイクル通知のためにCPLD GPIOをポーリングします。
  • アドレスとサイクルタイプ（メモリ読み取り/書き込み、I/O読み取り/書き込み、オペコードフェッチ）に基づいて各サイクルを適切な仮想ハードウェアハンドラにルーティングします。
  • オペコードフェッチサイクルのためにZeta Z80命令エミュレータを呼び出します。
  • 主要なソースファイル：z80driver.c（メインディスパッチ）、z80io.c（ハードウェア抽象化層）、emumz.c（命令実行ラッパー）。
• ttymzdrv.ko — MZキーボード/ディスプレイTTYドライバ
  • Sharp MZキーボードマトリクスを標準Linuxキーイベントにマッピングします。
  • LinuxコンソールをSharp MZディスプレイコントローラコマンドにマッピングします。
  • /dev/ttymz0を公開し、ホスト機のキーボードとディスプレイで直接gettyログインセッションを可能にします。
  • Z80エミュレーションモードとLinuxコンソールモードのクリーンな切り替えのためのサスペンド/レジュームをサポートします。

仮想ハードウェアモジュール

Z80エミュレーション

• Zeta Z80ライブラリ — 命令実行にはManuel Sainz de Baranda y GoñiによるZeta Z80ライブラリ（LGPL v3）を使用します。このライブラリはすべての非公式オペコードを含む完全で正確なZ80命令セット実装を提供します。
• エミュレーションループ — emumz.cに実装されています。ループはイテレーションごとに1命令を実行し、その命令によって生成される各メモリまたはI/Oアクセスのために仮想ハードウェアコールバック関数を呼び出します。
• メモリマップ — サポートされている各マシンのメモリレイアウト（ベースアドレス、リージョンサイズ、RAM/ROM属性フラグ）はz80driver.hで定義されています。アクティブなマップはモジュールロード時に選択されます。
• 性能 — エミュレータは1.2GHz Cortex-A7コアで約500MHz Z80相当スループットを達成し、分離されたCPU1環境により命令あたりのオーバーヘッドが最小限です。
• タイミングモデル — ホストに対するサイクル精度はCPLDハードウェアの責任です。エミュレータはCPLDが強制するタイミングウィンドウ内で応答するだけでよく、Tステートカウントを自身では実装しません。

ユーザー空間ユーティリティ

• z80ctrl — z80drvカーネルモジュールのコマンドライン制御インターフェース。次の操作をサポートします：loadrom（ROMイメージをエミュレーテッドアドレス空間にロード）、adddev（仮想デバイスを登録）、start/stop（Z80エミュレーションスレッドを開始または停止）、dump（エミュレーテッドZ80メモリ領域を表示）、loadmzf（MZFプログラムファイルをロードして必要に応じて自動実行）。
• k64fcpu — K64F仮想CPUデーモン。TZFS（tranZPUterファイルシステム）ROMが期待するK64Fコプロセッサをエミュレートします。共有カーネルメモリを介してz80drvと通信し、Z80プログラムが発行するコプロセッサコマンドに応答します。
• sharpbiter — アービタデーモン。ttymzdrv（Linuxコンソール）とz80drv（Z80エミュレーション）の間でSharp MZキーボードとディスプレイハードウェアへのアクセスを調整し、両サブシステムがアクティブな場合のレジスタ競合を防止します。

フラッシュとストレージのレイアウト

• U-bootブートローダーパーティション — 第一段階および第二段階ブートローダー；NANDからLinuxカーネルをロードします。
• Linuxカーネルパーティション — PREEMPT_RTパッチを適用したLinux 4.9-rt；FusionX defconfig（infinity2m_spinand_fusionx_defconfig）を使用したカーネルイメージ。
• Buildrootルートファイルシステム — Buildrootで構築された最小限の読み取り専用squashfsルートファイルシステム。FusionX動作に必要なパッケージのみを含みます。
• FusionXアプリケーションパーティション — 含まれるもの：z80drv.ko、ttymzdrv.ko、z80ctrl、k64fcpu、sharpbiter、起動スクリプト（start_FusionX.sh）、すべてのサポートマシン用ROMイメージ。
• 設定パーティション — 書き込み可能なJFFS2またはUBIFSパーティション。ファームウェアアップデート間でユーザー設定（マシン選択、ディスプレイモードなど）を保持します。

CPLDのビルドとプログラミング

ビルドツール

ソースファイル

CPLD/v1.0/MZ80A/
CPLD/v1.0/MZ700/
CPLD/v1.0/MZ2000/
CPLD/v1.0/PCW8256/

コンパイル

quartus_sh --flow compile tzpuFusionX_MZ80A

build/output_files/tzpuFusionX_MZ80A.pof

プログラミング

quartus_pgm -c "USB-Blaster" -m JTAG -o "p;tzpuFusionX_MZ80A.pof@1"

Linuxファームウェアのビルド

ツールチェーンとSDK

• クロスコンパイラ — arm-linux-gnueabihf-gcc（ARM ハードフロートABI、Linuxターゲット）
• SDK — SigmaStar SDK：U-boot + Linux 4.9-rt + Buildroot
• マスタービルドスクリプト — Build_FusionX.sh

フルファームウェアビルド

cd software/linux/
./Build_FusionX.sh -f nand -p ssd202 -o 2D06 -m 256

1. SSD202 NANDターゲット用のU-bootブートローダーのコンパイルと設定。
2. defconfig infinity2m_spinand_fusionx_defconfigを使用したLinuxカーネルビルド。
3. Buildrootルートファイルシステム構築（最小パッケージセット）。
4. FusionXアプリケーションビルド：カーネルモジュール、ユーティリティ、起動スクリプト、ROMイメージパッケージング。
5. パーティションイメージアセンブリとNANDフラッシュイメージ作成。

カーネルモジュールのみ（高速イテレーション）

cd software/FusionX/src/z80drv/src.mz80a
make

フラッシング

• 初期プログラミング — SigmaStar ISPツールをUSBで使用して、ベアまたはファクトリリセットされたSOMにフルNANDイメージを書き込みます。
• SDカードによるOTAアップデート — SDカードに準備済みファームウェアパッケージを配置します。U-bootブートローダーが次の電源サイクルでアップデートパッケージを検出し、LinuxをブートするまえにNANDアップグレードを自動実行します。

デバッグ

シリアルコンソール

JTAG

カーネルモジュールデバッグログ

z80ctrl --dump

Quartus SignalTap II

参考サイト

無線規制に関する注意事項