基于 Arduino 的 Altair 8800 模拟器套件 —— 构建并编程复古计算机

组件与物料清单

组件	数量	备注
Arduino Mega 2560	1	二选一，不可同时使用
Arduino Due	1	二选一，不可同时使用
LED（通用）	36	前面板指示灯
通用 NPN 三极管	36	驱动 LED 所需
电阻 10kΩ	36	LED 驱动电路
电阻 150Ω	36	LED 限流
迷你拨动开关 SPDT On-On	17	16 个地址开关 + 电源开关
瞬动开关 SPDT (On)-Off-(On)	8	功能开关（RUN/STOP/EXAMINE 等）
金属板（前面板底板）	1	用于固定开关和 LED
SparkFun 蓝牙调制解调器 BlueSMiRF Silver	1（可选）	连接 Arduino TX/RX，使蓝牙设备可作为串口终端
microSD 卡及适配器	1（可选）	仅磁盘驱动模拟需要

应用与在线服务

• Arduino IDE
• Arduino DueFlashStorage 库（Due 无 EEPROM，用于将数据保存到片上闪存，重新烧录会擦除）
• Arduino Due soft_uart 库（软件 UART 实现，允许任意引脚作为串口，已集成到模拟器源码）

项目简介

如果你想制作这个项目但不想从零开始，可以看看 Chris Davis 的 Altair-Duino 套件，它包含所有元件、PCB、外壳和预编程的 Arduino Due。

以下是其他制作者的作品：

• Alan Lowther 找到了一个漂亮的金属外壳，并连接了 Raspberry Pi 用于输入/输出和语音合成。
• Martin Zumr 制作了一个全木质的精美盒子。
• Chris Davis (kb0wwp) 制作了 PCB 和精美的外壳。
• Justin Davis 为 Arduino Due 制作了 Altair 扩展板。

如果你也想分享你的作品，请告诉我，我会发布在这里。

我一直想拥有一台 Altair 8800 来把玩。但真正的古董 Altair 稀有且昂贵，轻松要价 1500-2500 美元。还有 altairclone.com 等替代方案，但 600 美元对我来说仍太贵。幸运的是，Altair Clone 的创建者 Mike Douglas 公开了他收集的所有文档和软件，为社区提供了丰富的 Altair 内部工作原理及其热门外设资料。

某天我看着 Arduino Mega 2560 的规格，想知道它是否有足够的 I/O 引脚直接连接 Altair 前面板的 LED 和开关，并编写自己的模拟器软件。结果发现 Arduino Mega 的 I/O 引脚数量 恰好 匹配。于是我决定自制 Altair 克隆。

使用 Arduino Mega 驱动模拟器运行良好且设置简单，但模拟速度仅为原版 Altair 的约 25%，且只能提供 6KB 模拟内存（当年已算不少）。永久存储容量也受限，Mega 的 EEPROM 仅 4KB。

Arduino Due 拥有充足内存，支持完整 64KB 模拟内存，运行速度远超 Mega。此外，Due 可在运行时将数据保存到闪存，使得模拟器未使用的 512KB 闪存可作为半永久存储，用于在模拟器中加载/保存程序和数据。

使用 Due 后，我得到了一个运行速度接近原版、提供 64KB 模拟内存、包含大量 Altair 软件，并能提供 32KB 半永久存储的 Altair 8800 模拟器。

我的目标是让模拟器在操作体验上尽可能接近“真实”的 Altair 8800，包括前面板指示灯反映真实行为。一个标准是能运行前面板“Kill-the-Bit”游戏——确实可以：

模拟器甚至能运行 Altair 8800 音乐演示。注意：这依赖 AM 收音机接收 Altair 电路产生的电磁干扰！

当年 Processor Technology 发布了一块小型扩展板（仅几个电容和电阻）配合软件，将 Altair 变成了当时不错的音乐系统。同样的扩展也可加到模拟器上（见文档），播放当年的曲目。示例：

另一个历史重要扩展是 Cromemco Dazzler 显卡。通过软件或硬件扩展，模拟器也能模拟该板：

另一个软/硬件扩展允许模拟器模拟 Processor Technology VDM-1 视频终端卡：

当然我没有原版 Altair，所有信息来自文档和视频（见致谢）。可能存在细微差别，但整体复现得很好。一个已知的有意差别是 HLDA 状态灯：原版指示 CPU 确认被外部设备暂停；模拟器中该功能未用，改为指示文件（串口/磁带捕获/重放）当前打开。

主要特性

• 精确复现 Altair 前面板元件行为。
• 使用 Arduino Due 时运行速度接近原版 Altair 8800；用 Mega 则为原版 25% 速度。
• 模拟内存 64KB（Due）或 6KB（Mega）。
• 内置多款 Altair 程序，易于加载：Pong、Altair 4K BASIC（微软首个产品）、Altair 扩展 BASIC、MITS Programming System II（仅 Due）、Altair Time Sharing BASIC（允许多用户同时使用 BASIC）。
• 内置 BASIC 和汇编示例程序，可轻松加载到 BASIC/汇编器。
• 模拟一块 88-SIO、88-2SIO 和 88-ACR（音频磁带接口）板。每个模拟串口设备可映射到 Arduino 串口。默认将两个最常用（88-SIO 和 88-2SIO 端口 1）映射到 Arduino 主串口 115200 波特率 8n1，可通过 USB 线访问。建议将串口转蓝牙模块连接到 RX/TX 引脚，使任何蓝牙设备均可作为 Altair 终端。
• Due 上主串口（USB）和 Serial1（引脚 18/19）可同时使用。
• 发送到每个串口设备（含 ACR 磁带）的数据可捕获/重放，最多 256 个文件，存储在 Arduino 本地存储（EEPROM 或闪存）。
• 磁带接口支持扩展 BASIC 的 CSAVE/CLOAD 命令（自动支持，无需用户干预），适合开发 BASIC 程序。
• 模拟 Cromemco Dazzler 显卡（需额外硬件/软件）。
• 模拟 Processor Technology VDM1 视频终端卡（需额外硬件/软件）。
• 模拟多达 16 个 88-DCDD 磁盘驱动器（默认 4 个）。磁盘模拟可选，需将 SD 卡连接到 Arduino SPI 接口，仅 Due 支持。
• 模拟 88-HDSK 硬盘控制器，最多 4 个硬盘单元（默认 1 个），每单元 4 个盘片。
• 模拟 88-RTC-VI 板（实时时钟和向量中断），使 Altair Time Sharing Basic 可运行。
• 256 字节内存页可保存到永久存储并重新加载，提供通过前面板开关输入程序的简单保存方式。
• 集成配置编辑器，可轻松更改许多设置。

注意：使用 Due 时，模拟器内捕获或保存的所有数据在上传新草图时会被擦除，因为数据存储在闪存中，烧录新草图会擦除闪存（Due 无 EEPROM）。若连接 SD 卡，数据存储在 SD 卡上，烧录新草图不会丢失数据。

文档

模拟器工作方式与 Altair 8800 完全相同，原版 Altair 文档（Google 可搜到）提供了操作前面板开关所需的所有信息。

但模拟器包含许多额外功能和内置软件，可通过前面板 AUX1/AUX2 开关访问（原版 Altair 包含但未使用）。这些功能在单独文档中解释，我开发模拟器软件时编写了该文档，内容很多，请参考源码仓库中的 Documentation.pdf。

构建说明

目标是尽可能少用辅助电路。Arduino Mega 和 Due 均有足够 I/O 引脚直接连接所有前面板元件。唯一额外电路是驱动 36 个 LED 所需的三极管和电阻（若 LED 直接连接 Arduino 输出引脚，同时点亮过多会超出电流限制）。

绘制完整原理图既繁琐又重复（36 个相同 LED 驱动电路，32 个开关接线），帮助不大。因此原理图文档改为详细表格，列出各元件连接到哪个 Arduino 引脚，并给出子电路原理图（如 LED 驱动）。还添加了 Fritzing 文件展示条形板上 LED 驱动元件布局。

制作前面板：从 vintage-computer.com 找到高质量 Altair 前面板扫描图，在复印店打印到卡纸上。底板用 22 号规格金属板，用普通电钻钻 LED 和开关孔。LED 驱动电路焊在条形板上，直接焊接到 LED，LED 由金属板固定。

前面板由简单木箱支撑竖立。箱子深度不如原版 Altair（仅需容纳前面板和 Arduino）。

前面板电源开关接线：在箱子上加一个电源插座（同 Arduino 自带），接到前面板开关，再接电源插头插入 Arduino。

使用 Arduino Due 时，可通过将 SD 卡连接到 Due 的 SPI 端口启用多达 16 个 88-DCDD 磁盘驱动器模拟。原理图文档最后一页详细显示所需接线。

上传草图到 Arduino Due 前，请将 Arduino 编译器优化设置改为“performance”。默认是“size”（不确定为什么，Due 有 512KB 闪存）。方法：用文本编辑器打开文件

c:\Users\[user]\AppData\Local\Arduino15\packages\arduino\hardware\sam\1.6.9\platform.txt

将所有“-Os”改为“-O3”。可跳过此步，但模拟器会明显变慢。

模拟器软件也可在无前面板控制的裸机 Arduino（Mega 或 Due）上运行。这允许运行许多内置程序（主要使用串口终端而非前面板元件）。方法：编辑 config.h 源文件，设置 #define STANDALONE 1（默认 0）。参考文档“调试能力”部分了解如何操作虚拟前面板元件。但这不是模拟器预期用法；若不想制作前面板硬件，建议使用基于 PC 的全软件模拟器。config.h 包含多个开关控制功能启用/禁用，默认设置效果良好，若想调整可从此入手。

致谢

因无原版 Altair，我依赖网络资料。Mike Douglas (deramp5113) 制作的 Altair 8800 教学视频（altairclone.com）帮助极大，且非常有趣。此外，Mike 收集了大量 Altair 相关硬件和软件手册并公开在其网站。

（注：Mike 的视频对构建模拟器后的玩法很有启发）

Martin Eberhard 的 ADEXER 工具对硬盘支持的底层调试至关重要。他还编写了模拟器使用的两个引导加载程序：组合磁盘引导加载程序（CDBL）用于引导磁盘和迷你磁盘，以及硬盘引导加载程序（HDBL），比原版更短更稳定。

CPU 模拟代码我自己编写，但在半进位计算和 DAA 指令高效实现上参考了 i8080 核心模型项目。

模拟器包含一些原版 Altair 8800 软件。再次感谢 Mike Douglas 花费无数小时搜集、整理并使这些软件运行，最后公开在 altairclone.com：

• Altair 4K BASIC (MITS 1975)
• Altair Extended ROM Basic (MITS 1975)
• Altair Time Sharing Basic (MITS 1977)
• Kill-the-Bit 游戏 (Dean McDaniel, 1975)
• Pong 游戏（前面板版，Mike Douglas）
• 'Daisy, Daisy...' 音乐 (Steve Dompier, 1975)
• Music System (Processor Technology 1977)
• MITS Programming System II (MITS 1976)
• Altair Turnkey Monitor (MITS 1977)
• i8080 CPU Diagnostic (Microcosm Associates, 1980)
• i8080 CPU Exerciser (Frank D. Cringle 1994, Ian Bartholomew 2009)

磁盘和硬盘镜像（源码压缩包中 disks 子目录）也来自 altairclone.com 和 deramp.com（Mike Douglas 个人网站）。包含 CP/M、各种磁盘 BASIC、Altair DOS（含 Fortran）等。Mike 在寻找软件和制作可用磁盘镜像上做了惊人工作。我只选用了一部分，建议去 altairclone.com 或 deramp.com 看看更多。

讨论论坛

Altairduino.com 的 Chris Davis 建立了 Google Group 讨论 Altair-Duino 相关问题：

https://groups.google.com/forum/#!forum/altair-duino

欢迎访问并参与讨论！

代码

Arduino Altair 8800 模拟器代码

https://github.com/dhansel/Altair8800

原理图

不提供完整原理图（太重复），而是描述各前面板元件连接哪些 Arduino 引脚，并给出子电路原理图（如 LED 驱动电路）。

尝试展示连接 LED 的条形板布局。虽然拥挤，但足以看出连接方式。关键是每个 LED 的元件在条形板上不超过 5 个孔位，这样 LED 间距足够小，前面板可保持原版尺寸。

ledstrip_4OVCpRyKQS.fzz