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Memory system and UART implemented on Tang Nano 20K for DEC DCJ11 PDP-11 Processor

TangNanoDCJ11MEM

Memory system and UART implemented on Tang Nano 20K for DEC DCJ11 PDP-11 Processor

This document is written mostly in Japanese. If necessary, please use a translation service such as DeepL (I recommend this) or Google.

概要

• PDP-11の命令セットを持つCPU「DEC DCJ11」のメモリシステムとUARTをFPGA(TangNano20K)上に実装する試みです．信号のインターフェース部分にtangNano-5Vを使用しています．
• FPGAに実装するのはメモリやUARTなどの周辺回路部分だけで，CPU自体は本物を使用します．ソフトウェアやFPGAによるシミュレータやエミュレータではなく，本物のCPUを動かします．
• "TangNanoDCJ11"だとTangNano上にDCJ11を実装したみたいな名前になってしまうので，"MEM"を付けて"TangNanoDCJ11MEM"という名前になっています．
• まずベアメタルで動かしたところ安定して動きました．
• 次に，PC-11(Paper-Tape Reader/Punch)エミュレータでPaper-Tape BASICをロードして実行することができました．
• さらに，UNIX first edition (UNIX V1)を動かすために，ディスク(RF11, RK11)や外部演算装置(KE11)のエミュレータを実装したところ，それなりに動くようになりました．

ハードウェア

FPGAに実装した機能

• Initialization Sequence時のPower-Up Configuration Register設定
• メモリ 32K×16bit
• UART．TangNanoのUSB経由およびGPIO経由の2系統．シリアルの設定は基本的には115200bps,8N1Nにしています．(UNIX V6だと7N1Nにしないと文字化けする現象あり．)
• BS0, BS1は見ていません．TangNano20Kではピンが足りなかったのと，DAL[15:0]とAIO[3:0]を見ればとりあえず十分だったので．
• DAL[21:16]も見ていません．
• PC-11(Paper-Tape Reader/Punch)エミュレータを実装しました．(Paper tape BASICを実行する用で，UNIXでは動きません．)
• ディスクドライブ(RF11, RK11)，外部演算装置(KE11-A)，クロック(KW11-L)等，UNIX V1の動作に必要な装置のエミュレータを実装しました．

PCB rev.1.1

• rev.1.0はいくつか修正箇所があったので修正しました．
• CPUが白いので基板も白くしてみました．
• CPUおよびTangNanoの電源をどこから供給するかを2箇所のジャンパで切り替えられるようにしました．詳細は回路図と基板上のシルクを見て下さい．
• プルダウン抵抗(R2〜R6)を100kから10kに変更しました．(rev1.1a)
• UNIXを動かすにはJP1のパターンのカット，数本のジャンパ配線が必要です．詳細はUNIX V1参照．

BOM

Reference	Qty	Value	Size	Memo
C1,C2	2	0.33uF		DECのプロセッサボードで0.33uFを使っていたので．0.1uFでもいいかもしれない．
C3	1	47uF
C4,C5	2	68pF
D1	1	LED
J1	1	DC Jack		例: https://akizukidenshi.com/catalog/g/g106568/
J2	1	pin header	1x02	DC Jackからの5VをTangNanoに供給するとき用．(そのときはTangNanoのUSBは外すこと)．
J3	1	pin header	1x03	CPUへの5VをDC JackからにするかUSB(TangNano)からにするかの選択用．
J4	1	IC socket	40pin DIP 600mil	TangNano5V用．1x20のpin socket 2列でも可．
J5,J6	2	pin header or socket	1x20	任意．テストや観測，実験用．
J7	1	pin header	1x06 L字	UART用
J8,J9	2	pin header or socket	1x30	任意．テストや観測，実験用．
JP1				任意．sctl_nとcont_nを切断したときにpin headerを立てる用．実装する場合は先にパターンをカットして下さい．(unix-v1では切断して使います)
R1	1	100k		値はLEDに合わせて任意．
R2～R6	5	10k		プルダウン用．入力電流がmax10μAなので大きめでいいかと思ったら意外にノイズが大きいので100kから10kに変更しました．
R7～R16	10	100k		プルアップ用．10k〜100kぐらいで任意．
R17	1	1M
SW1	1	toggle SW		例: https://akizukidenshi.com/catalog/g/g100300/
SW2,SW3	2	tactile SW	6mmxH4.3mm	例: https://akizukidenshi.com/catalog/g/g103647/
U1	1	DCJ11	60pin DIP 1300mil	1x30 の丸ピンソケット2列
Y1	1	18MHz	HC49	例: https://mou.sr/3WcWExh , 低速(2MHzで確認済み,もっと遅くても動きそう)でも動きます．周波数を変えられるようにソケットの使用をお勧めします．

応用例(applications/)

ベアメタル(applications/baremetal)

• クロス環境で作成したプログラムを実行します．
• HDLは小規模なので，いろいろ試すベースラインに最適です．

tape basic(applications/tapebasic)

• 二次記憶をエミュレートするために手始めに作った習作です．
• PC11(tape reader/pucnch)エミュレータで，tape BASICを読み込んで起動します．
• SDメモリを使う練習用に作ったものなのでとりあえず動きます程度のものです．

UNIX V1(applications/unix-v1)

• SDメモリを使ったdiskエミュレータを作成し，UNIX V1を動かしてみました．
• 最初はかなり不安定でしたが，だいぶ安定して動くようになってきました．

UNIX V6(applications/unix-v6)(実験用)

• unix-v1用をベースにUNIX V6に必要な機能を逐次追加中です．修正のたびにV1の動作確認をするのは面倒なのでV1用と分けることにしました．

動画

• PDP-11 Paper-Tape BASIC running on DCJ-11 Processor

• UNIX V1 on DEC DCJ-11 with TangNano 20K (under development)

• UNIX V1 on DEC DCJ-11 with TangNano 20K

旧版

ブレッドボード版

• console ODT(Octal Debug Technique)の動作確認をするところから始めて，豊四季タイニーBASICを軽微な修正で動かせるところまで確認しました．
• クロックは18MHzで動きました．遅い方は2MHzでも動きました．

PCB版 rev.1.0

最初に作った基板です．とりあえず動きました．

関連情報

データシート等

bitsavers

• DCJ11 Microprocessor User's Guide, DEC, EK-DCJ11-UG-PRE(Preliminary)
• Index of /pdf/dec/pdp11/j11
• Index of /pdf/dec/pdp11/1173

先行事例，先駆者たち

• PDP-11/HACK, Brent Hilpert
• My PDP-11 Projects, Peter Schranz
• PDP11 on a breadboard A.K.A. J11 Hack, Len Bayles
• S100 Bus PDP-11 CPU Board, John Monahan

開発環境関連

• PDP-11(エミュ）上でCで"Hello, World!", hifistar
• PDP-11のgccクロスコンパイル環境の構築メモ, hifistar
• SimH (History Simulator)
• j-hoppe/PDP11GUI

Paper Tape Software関連

• Paper Tape Archive
• DEC PDP-11 Paper Tape Images
• PDP-11 Paper Tape BASIC
• Learning PDP-11 Paper Tape BASICとboot loaderについてとても詳しく解説されています

UNIX関連

• The Unix Heritage Society
• V1
• UNIX First Edition
• jserv/unix-v1

関連記事

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  • TangNanoDCJ11MEMでPDP-11のCPUを動かしてみました bare metal編
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  • TangNanoDCJ11MEMとPDP11GUIでPDP-11 BASICを動かしてみました

更新履歴

• 2024/04/25: 初版公開
• 2024/04/25: README修正(BOM追加)
• 2024/05/05: 基板rev.1.1の写真追加．project更新．
• 2024/05/05: README.md修正(開発環境関連の情報を追加)
• 2024/05/05: samplesにasciiart を追加
• 2024/05/22: PC-11(紙テープリーダ/パンチャ)エミュレータを実装
• 2024/06/19: SDHCの初期化部分にバグがあったので修正
• 2024/06/21: tapebasicのtop.vにバグがあったので修正
• 2024/06/21: baremetalとtapebasicを別フォルダに分離．READMEも分離．
• 2024/06/24: unix-v1用の開発中HDLを公開(かなり不安定です)
• 2024/06/28: tapebasicのtapeimage.datの作成方法を修正
• 2024/06/28: tapebasicのtapeimage.datの作成方法を修正
• 2024/07/07: baremetal版修正(UART安定化, 20240707公開)
• 2024/07/12: unix-v1版修正(20240712.alpha公開)
• 2024/07/13: unix-v1版修正(20240713.alpha公開)．IRQのジャンパ変更．
• 2024/07/14: unix-v1版修正(20240714.alpha公開)．デバッグ用レジスタ変更．
• 2024/07/15: プルダウン抵抗(R2〜R6)を100kから10kに変更．100kで問題が起きていなければ変える必要は無いです．
• 2024/07/16: unix-v1版大規模修正(20240716.beta公開)．JP1(SCTL_nとCONT_nを接続してるパターンをカットして下さい．)
• 2024/07/19: unix-v1 20240719.beta 公開．これまでのバージョンと比較するとだいぶ安定しました．
• 2024/07/27: unix-v1 20240727.beta 公開．
• 2024/07/28: unix-v1 20240728.beta 公開．(UNIX V6実験用機能追加)
• 2024/07/29: V6実験用とV1用を分離しました．
  • unix-v1 20240729.beta 公開．
  • unix-v6 20240729.v6.beta 公開．