Arduino UNO 面包板电脑编程器 – 构建并编写你的 8 位系统

组件与供应

Arduino UNO

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关于项目

这是一个什么项目？

这是 Ben Eater 的 8 位面包板电脑项目的扩展。我非常享受跟随 Ben 的视频构建面包板电脑，并制作了自己的版本。如果你没有跟随 Ben 的教程，强烈建议先观看他的视频，否则这个项目很难理解。

构建完成后很快发现，如果每次开机都要通过拨码开关手动输入程序，这台电脑根本用不起来。即使只是反复输入 16 字节也让人厌烦。而且我计划将内存扩展到 256 字节，只有能加载和保存程序才有意义。

能用它做什么？

• 从面包板电脑 RAM 保存程序
• 将程序加载到面包板电脑 RAM
• 面包板电脑启动时自动运行已保存的程序
• 通过串口连接检查和修改内存内容
• 用汇编语言为面包板电脑编程
• 反汇编内存内容
• 单步执行指令
• 设置断点并运行到断点

这是一个演示这些功能的视频（请原谅视频质量，我不是专业内容创作者）：

工作原理

制作这个项目时有几个目标：

• 所需硬件尽可能少
• 对面包板电脑本身的改动尽可能小

最初考虑使用 EEPROM 存储程序，再用逻辑电路将程序从 EEPROM 传输到面包板电脑的 RAM。但传输逻辑比我能应付的更复杂（我更擅长软件，虽然也喜欢贴近硬件的工作）。我恰好是 Arduino 爱好者，于是想用 Arduino 替代传输逻辑。花了一段时间说服自己用 Arduino 并非“作弊”（毕竟 Arduino UNO 比面包板电脑强得多），但我对结果满意，所以释怀了。

Arduino 需要做什么？读取和写入内存数据。最简单、侵入性最小的方法是利用内存模块现有的总线和控制信号接口。Arduino 数字 I/O 引脚是双向的，将 8 个引脚直接连到总线上，就能读写总线。要让 RAM 模块读写总线，只需相应设置 MI/RI/RO 信号。这些信号通常由控制逻辑的 EEPROM 驱动，如果 Arduino 也控制它们会导致冲突和短路风险。但 Ben 使用的 AT28C16 EEPROM 有片选（CE）输入，拉高可将所有数据输出置于高阻态，从而允许 Arduino 操控信号。

读取 RAM 的步骤：

1. 将 EEPROM 的 CE 信号拉高（禁用控制逻辑）
2. 将要读取的首个地址输出到总线
3. 拉高 MI 信号并等待时钟上升沿
4. 拉低 MI、拉高 RO 并等待时钟上升沿
5. 从总线读取数据字节
6. 对所有 16 个地址重复步骤 2-5
7. 将 EEPROM 的 CE 信号拉低（重新启用控制逻辑）

写入 RAM 类似，只需向总线写数据并拉高 RI 代替 RO。当然还有一些技术细节要解决，但上述基本机制是本项目的核心。

面包板电脑需要做哪些改动？

需要两项改动：

• 在控制逻辑 EEPROM 的数据输出端加下拉电阻
• 在 EEPROM 禁用期间禁用（或持续复位）环形计数器

下拉电阻

下拉电阻是必须的，因为一旦 EEPROM 被禁用，连接到控制信号（如 AO/AI/EO 等）的逻辑门输入端的上拉电阻会将这些信号拉高，导致多个寄存器同时向总线写入数据，产生冲突。

74LS 系列芯片输入端的上拉电阻约 10kΩ。下拉电阻需足够小以将电压拉低。大多数信号线我用了 3.3kΩ 电阻。有两个例外：

• “SU” 信号连接 8 个异或门，等效上拉电阻为 10kΩ/8 = 1.25kΩ。下拉电阻需显著小于 1kΩ 才能拉低。幸好 SU（减法）信号不控制与总线的交互，可忽略不加下拉电阻。
• CE（计数器使能）需要 1kΩ 下拉电阻，更大值会导致程序计数器随机异常。

我发现最方便是在放置蓝色 LED 的面包板上加下拉电阻，即在 LED 阳极（连接 EEPROM 输出）与地之间连接。HIT/MI/RI 信号的电阻因空间不足，我在面包板其他位置添加。

环形计数器复位

另一项改动是复位环形计数器。技术上这不是保存/加载程序所必需，但能实现从 Arduino 向控制逻辑平滑移交控制权。关键是只要 CE 为高（控制逻辑禁用），就让环形计数器保持在 0。当 Arduino 将 CE 拉低（启用控制逻辑）时，环形计数器处于 0 状态，面包板电脑开始执行下一条指令。

我的构建中不需要额外操作，因为我用一个 EEPROM 输出来复位环形计数器。这不仅在指令结束时立即复位计数器以提高性能，而且当控制逻辑 EEPROM 被禁用时，该输出上的下拉电阻会将信号拉低，自动复位环形计数器。

如果你用的是 Ben 的固定 5 步环形计数器，我认为在他的复位电路基础上增加以下电路可在 CE 为高时复位计数器（点击左右箭头切换原电路和扩展版）：

需要 3 个额外的 NAND 门，即多一片 74LS00 芯片。注意我未测试此方案，但理论上可行。

此改动非绝对必要，初期可省略。加载/保存、监视器/汇编器/反汇编器仍正常工作。但任何需要将控制权从 Arduino 移交给控制逻辑的操作将失效，最典型的是开机自动运行保存的程序、单步调试和运行到断点。

如何设置 Arduino？

将 Git 仓库中的草图上传到 Arduino，并按以下方式连接面包板电脑：

• Arduino 5V 引脚（不是 Vin!）接面包板 5V 电源轨
• Arduino GND 接面包板 GND
• Arduino 数字引脚 2-9 接总线 0-7
• Arduino 数字引脚 10 接控制 RO 的控制逻辑 EEPROM 输出
• Arduino 数字引脚 11 控制 RI 的控制逻辑 EEPROM 输出
• Arduino 数字引脚 12 控制 MI 的控制逻辑 EEPROM 输出
• Arduino 模拟引脚 0 接时钟信号
• Arduino 模拟引脚 3 接所有控制逻辑 EEPROM 的 CE 引脚（18 脚），并通过 10kΩ 电阻接 +5V

此外需按原理图将 Arduino 模拟引脚 1 和 2 接到拨码开关和按钮（详见附件 Fritzing 文件）。

最小功能版本可简化为：

• 给控制 AO、CO、EO、IO、RO 的 EEPROM 输出引脚加 3.3kΩ 下拉电阻
• 跳过“环形计数器复位”步骤
• 按上图接线（最后一步的 10kΩ 电阻可省略）
• 模拟引脚 1 和 2 都接地

使用加载/保存按钮只需按原理图连接按钮、拨码开关及相关电阻到模拟引脚 1、2。

要使用自动启动功能（确保已加必要电路），将拨码开关设为程序保存的文件号，然后给面包板电脑上电（或按复位键）。两种特殊情况：所有拨码开关关闭则正常启动，不自动运行；所有开关打开则 Arduino 启动时直接进入监视器模式。

如何加载和保存程序？

最小配置下可通过串口控制 Arduino。需终端程序如 Putty 或 TeraTerm，Arduino IDE 自带串口监视器也可但输入输出区分离操作稍笨拙。

1. 给面包板电脑上电
2. USB 线连接 Arduino 到电脑
3. 启动终端程序，设置 9600 波特率、8 数据位、无奇偶校验、1 停止位
4. 终端窗口按 ESC 进入监视器模式
5. 应看到“.”命令提示符
6. 输入“h”回车查看支持命令列表

最小配置下可用“m”、“M”、“C”、“l”、“s”命令，查看/修改内存、加载/保存程序。

通过按钮保存/加载程序：

1. 关闭面包板电脑时钟
2. 拨码开关选文件号
3. 按“保存”或“加载”按钮，连接 CE 的 LED 亮起，表示 Arduino 接管控制
4. 开启时钟，观察内存地址寄存器 LED 循环地址
5. 等待总线 LED 停止闪烁，地址寄存器显示 1111
6. 关闭时钟，CE LED 熄灭，控制权归还控制逻辑

如何使用汇编器和反汇编器？

使用汇编/反汇编及调试功能前，需修改 Arduino 程序中的 opcodes_4bit 结构以匹配你的具体设置。找到源码中定义该结构的部分：

struct opcodes_struct opcodes_4bit [] = {
  {"NOP ", B00000000, 0, false},
  {"LDA ", B00010000, 2, true},
  ...
  {".OR ", B11111110, 0, true}, // 设置起始地址
  {".BY ", B11111111, 0, true}, // 定义一个数据字节
  {NULL, 0, 0, false}
};

每行定义一个操作码：

• 第一字段是助记符（如“LDA”）。立即寻址时在助记符中加“#”。Ben 称“LDI”这里叫“LDA #”（我是在 C64 上学 6510 汇编长大的）。
• 第二字段是操作码本身，低四位必须为 0（除特殊操作码 .OR 和 .BY）。
• 第三字段是该指令执行所需周期数（不含取指周期）。例如我的 LDA 操作码 0001 共需 4 个周期，其中 2 个是取指。若遵循 Ben 的 5 周期设计，此值应为 3。
• 最后字段指示是否需要操作数。如 LDA 需要操作数，OUT 不需要。

需根据你的面包板电脑实现的指令集调整此列表。最后两行是汇编器用的特殊操作码，保持不变。

修改后上传到 Arduino。连接终端进入监视器模式（终端按 ESC 或全拨码开关打开）。现在可反汇编程序。监视器中输入“d”从地址 0 开始反汇编。

汇编器虽简陋但实用。输入“a”从地址 0 开始汇编。约定：

• 非空白开头的行必须以标签定义开始。标签以字母开头，后接字母数字，最长 3 字符，区分大小写。
• 首个空白后汇编器期望助记符（LDA, STA, OUT...）。
• 特殊助记符“.BY”直接在当前位置存储一个数据字节。
• 特殊助记符“.OR”指示汇编器在新地址继续汇编。
• 操作数若以字母开头视为标签。
• 数字操作数默认十进制，十六进制前加“$”。如将十六进制 FF 装入 A 寄存器用“LDA #$FF”。
• “;”后视为注释忽略。

斐波那契代码示例：

rst LDA #0 ; x = 0
STA x
LDA #1 ; y = 1
STA y
lp ADD x ; z = y + x
STA z
JC rst ; 溢出则重启
OUT ; 打印 z
LDA y ; x = y
STA x
LDA z ; y = z
STA y
JMP lp ; 循环
x .BY 0
y .BY 0
z .BY 0

局限性

为节省 Arduino RAM，汇编器采用单遍汇编（否则需缓冲所有源码）。汇编器在输入时直接将操作码写入面包板电脑内存，因此汇编速度受面包板电脑时钟速度限制。若在终端粘贴文本，Arduino 可能跟不上 9600 波特率的输入（因花费大量时间等待面包板电脑时钟），导致字符丢失。解决办法：降低波特率、用 TeraTerm 设置字符发送延迟、或提高面包板电脑时钟速度。我的时钟可达 160kHz，此时 9600 波特率下粘贴代码无问题。

默认配置下 Arduino 草图支持面包板电脑时钟频率约 1-2kHz（可能略高）。Ben 的默认时钟不超过 500Hz。若时钟更快，查找代码中的 #ifdef FAST_IO 开关。开启 FAST_IO 可支持高达 250kHz 时钟，我测试过 160kHz 正常。更高速度可能需汇编优化关键循环，但 160kHz 对功能有限的面包板电脑已嫌太快。开启 FAST_IO 前请仔细阅读代码注释。

Arduino 有 1k EEPROM，可存 1024/16 = 64 个程序。实际 63 个（16 字节留作配置数据）。虽不多但足够。只有 0-15 号程序可通过拨码开关选择（1-14 用于自动启动），但“s”和“l”命令支持 0-62 全范围。

看起来有点乱，能整理一下吗？

能！最终版我直接用裸片 Atmega328P（配 16MHz 晶振和电容）替代 Arduino UNO。UNO 上的稳压器这里不需要，因为 Arduino 直接使用我们电源的 5V。唯一损失是需单独用 USB 转串口模块（FTDI 等）与 Atmega 通信。整体外观更协调：

另一优化是移除 Arduino/Atmega 的引导程序，消除启动时 2 秒延迟。如有兴趣我会发布操作指南，请在评论区留言！

代码

面包板电脑编程器

Arduino 草图：https://github.com/dhansel/programmer

原理图

drive_pD8k28E85v.fzz