SLT-Turbo 제작 #3 - Z80 20MHz

터보 MSX를 만들 때 가장 중요한게 뭘까요?

속도? 물론 중요합니다만... 기존 S/W의 동작 호환성이 가장 중요하겠죠?

1.

Z80 매뉴얼에는 없는 비공식(hidden) 명령어를 쓰는 프로그램(일부 게임 등)이 제대로 동작되어야겠구요.

2.

I/O의 경우에도 Z80 3.58MHz 모드에서 기존 I/O와 똑같은 성능이 나와야 의미가 있습니다.

기존 MSX에 비해 느려도 안되고, 더 빨라도 안됩니다 ㅎ.ㅎ

3.

기존 터보 기종(ST/GT)의 호환성을 생각한다면, R800 명령어들도 제대로 지원이 되어야겠구요.

그게 안되면 turboR 딱지를 붙일 수가 없겠지요.

4.

기존 터보 기종보다 빠르게 동작하는 모드에서는 속도가 더 빨라도 문제는 없겠습니다.

S/W 개발하시는 분들이 잘~~ 알아서 만들어주시겠죠? (물론 당분간은 저혼자 원맨쇼를~ ㅎ.ㅎㅋ)

기존 S/W 호환성을 유지하고 3.58MHz 클럭에서 기존 Z80와 똑같은 성능을 내려면 어떻게 해야할까요?

가장 쉬운 방법은 Z80 칩을 사다가 붙이면 되겠습니다.

Zilog Z80 칩은 현재도 여전히 생산중인걸로 알고 있구요.

최대 동작 클럭은 20MHz까지 지원됩니다.

아래는 제가 작년에 엘레X츠에서 샀던 Z84C0020AEG 칩입니다.

십여년 전에 썼던 FEG 칩은 QFP 였는데, 이번 AEG 칩은 LQFP네요. 칩 높이가 절반입니다.

2018년 생산품이에요 ㅎ.ㅎ

20MHz 클럭은 주기가 50ns가 됩니다.

속도가 빨라지면 주변 장치(롬, 램)도 빠르게 동작할 수 있어야, 함께 빨라지겠죠?

그리고 3.58MHz MSX는 opcode fetch 시의 메모리 Read(M1 사이클)에 WAIT 1클럭을 넣어서 3클럭으로 동작합니다.

일반 메모리 R/W 사이클은 원래 3클럭이라서 변함이 없구요.

만약 M1 사이클에서 WAIT를 제거할 수 있으면 좀 더 빠른 시스템을 만들 수 있겠습니다.

Z80의 Memory R/W 사이클에서 /MREQ 구간은 2클럭으로 동작하지만,

Memory Write의 경우는 Write 펄스가 1클럭입니다.

이것 때문에 램을 사용할 때는 빠른 칩을 쓰거나, Write 시에만 WAIT를 추가하는 방법을 써야합니다.

일단 터보 보드에 장착할 SRAM을 좀 찾아봅시다요~ ㅎ.ㅎ

ALLIANCE 사의 SRAM은 요즘에도 생산이 되고 있어서 많이 쓰이는데요.

이번 SLT-Turbo에서는 8MB의 램을 쓰려고 합니다.

찾아보니 칩 하나가 나오네요 ---> AS6C6416-55TIN

액세스 타임이 55ns, R/W 사이클 타임도 55ns입니다. 20MHz 시스템의 2클럭이면 100ns니까 충분하네요.

그리고 중요한 Write 펄스 타임은 최소 45ns입니다. 1클럭에 처리가능하네요. ㅎ.ㅎb

SRAM은 이걸로 ㄱㄱ합니다요~

FlashROM은 M29W640 70ns 칩으로 쓰고 있는데요.

Memory read 사이클 2클럭, I/O read 사이클 2.5클럭이라 별 문제없을거라 생각합니다.

Write 펄스가 최소 35ns라서 괜찮을꺼 같은데...

잘 안되면 CPU 클럭을 낮추면 되니 대충 ㄱㄱ합니다~ ㅎ.ㅎㅋ

그럼 실제로 얼마나 빠른지 확인해봅시다!

현재 구현된 I/O 프로세서 로직이 느린편이니까 조금 고려하시고 봐주세요.

VDP I/O랑 인터럽트 처리가 꽤 느립니다ㅋ

아래는 20MHz로 구동한 모습입니다.

일반 MSX와 동일한 M1 사이클 3클럭 read로 되어있습니다. (WAIT 1클럭이욤ㅋ)

아래는 20MHz 속도는 같지만, M1 사이클의 WAIT를 제거한 상태입니다.

훨씬 빠릅니다.

사진에서는 "with M1 1clock wait"라고 되어있는데 'without'이라고 쓴다는게 실수였슴다 ㅋㅋ

참고로 아래는 제 GT의 R800 DRAM 모드에서 테스트한 모습이구요.

디스크롬이 동작중이라 약간 느리긴합니다. 참고하세요.

영상으로도 한번 찍어보았습니다.

뒷부분에 트윈비, 캐슬EX 구동 모습도 넣었어요. (CPU가 빨라지면 속도도 빨라지는 X같은 게임들ㅋ)

그럼, 다음편에서 보아요~ ㅎ.ㅎ

궁금한 점 있으시면 댓글로 ㄱㄱㄱ

SLT-Turbo 제작 #2 - I/O 프로세서

설명에 앞서 일단 SLT-Turbo 겉모습부터 보시죠~ ㅎ.ㅎ

아래는 터보 보드입니다. 두장이 아니라 앞뒷면 사진이니 착오없으시기를...ㅋ

서브슬롯 보드와 합체 할 때 부품의 간섭이 생기지 않도록 머리를 많이 굴렸습니다.

보드 그리는데 한참 걸린 것 같아요 ㅠ.ㅠ

서브슬롯 보드를 합체한 모습입니다.

/SLTSL, /IORQ를 ON/OFF 할 수 있는 스위치가 있구요.

슬롯 SOUND 출력을 헤드폰 Left/Right로 나누어 출력할 수 있습니다.

본체의 SOUND IN으로 입력하거나 헤드폰 출력으로 따로 출력가능합니다. 물론 강제 모노도 가능하구요.

사용하려면 외부 DC 5V 어댑터가 필수입니다. 3A 정도면 힘이 남아돌겠죠?

처음부터 위아래 보드를 딱 붙이면 디버깅이 힘드니까, 분리할 수 있도록 핀헤더 소켓을 사용했습니다.

[본론]

대충 구경하셨나요? 그럼 I/O 프로세서 설명으로 넘어갑니다 ㅎ.ㅎ

SLT-Turbo는 MSX 본체가 아닌, 본체의 CPU를 고속으로 바꾸는 효과를 내는 'CPU 가속기'의 형태입니다.

메인 BIOS, 메모리 등의 고속으로 구동하는데 필요한 주변기기들은 모두 SLT-Turbo 보드에 내장됩니다.

근데 외부 기기는 본체 내부의 주변장치를 접근 할 수가 없죠.,

그래서, 본체에 내장된 CPU를 SLT-Turbo의 버스 아비터(Arbiter)와 결합해서 I/O 프로세서를 만듭니다.

"본체에 SLT-Turbo를 꽂고 동작하는 것" VS "본체를 고속 CPU로 개조 후 확장슬롯을 연결한 것"

사용자가 이 두가지 환경의 차이를 느끼지 못하도록 만드는 것이 I/O 프로세서의 역할인거죠.

구현방식은 여러가지가 있겠지만... 1차구현은 간단한 방식으로 시작해봅니다~

I/O가 처리되는 과정을 순서대로 적어보면 이렇게 됩니다.

1. 터보 보드의 CPU가 I/O 명령이 수행되면, 아비터가 CPU /WAIT를 유지하고 I/O 요청을 걸어놓습니다.

2. 본체의 CPU는 아비터에 걸린 I/O 요청이 있는지 폴링(Polling)하면서 대기합니다.

3. 본체의 CPU는 I/O 요청을 처리 하고 결과를 아비터로 돌려줍니다.

4. I/O가 완료되면 아비터는 BUS에 전달받은 데이터를 로딩하고 터보 보드의 CPU /WAIT를 해제합니다.

I/O 명령 시작부터 처리완료까지 시간이 꽤 걸릴거라고 예상가능하죠?

지금은 절뚝거리더라도 일단 달려야 되는 상황이니 이해해주세요.

뭔가 동작하는 상태를 만들어야 보드를 동작을 테스트할 수 있으니까요~ 흐흐...

그럼, 한번 달려봅시다~

터보 보드의 Z80 CPU에 3.58MHz 클럭을 연결하고 구동합니다.

SLT-Turbo쪽 슬롯 설정은 아래처럼 초간단 MSX2+ 모드로 해줍니다.

슬롯0 = MSX2+ BIOS

슬롯1 = SLT 서브슬롯

슬롯3 = RAM 64KB

그리고, I/O 프로세서는 아래의 장치들을 본체에서 대신 구동합니다.

PPI (A8H SLOT 제외), VDP, PSG, RTC

아래 영상을 보시면 어떻게 동작하는지 볼 수 있습니다.

영상에 대한 설명 나갑니다~

00:00 Host MSX, Booting

-> 기기를 연결하고 본체를 부팅합니다.

00:23 SLT-Turbo, Booting

-> 임시로 제작된 툴을 이용, SLT-Turbo를 MSX2+모드로 부팅합니다.

01:22 SLT-Turbo, PCM Play with Host Keyboard

-> SLT-Turbo쪽의 V4를 이용하여 44.1Hz PCM을 재생합니다.

PCM Player는 512bytes 재생할 때 마다 ESC 키를 체크합니다.

초당 86번의 PPI를 액세스합니다만, 부하가 작아서 귀로 느끼기는 힘드네요. 

03:07 SLT-Turbo, Video Play with Host VDP & Keyboard

-> SLT-Turbo쪽의 V4로 비디오를 재생합니다.

Video Player는 대부분의 시간을 VDP의 VRAM, 팔레트를 처리하는데 소진합니다.

I/O 프로세서의 처리시간이 얼마나 부담이 되는지 처절하게 느낄 수 있어요.

(사실 생각보다 빠른 듯해서 좀 놀랐습니다ㅋㅋ)

04:18 Host MSX, Re-booting

-> 본체를 재부팅합니다.

04:45 Host MSX, Video Play

-> 본체로 비디오를 재생해봅니다. 정상속도의 영상과 비교하기 위함입니다~

마지막으로 CPU 속도 테스트를 해봅니다.

FOR 루프를 구동하는 것이라 I/O 딜레이가 크게 부담되지않습니다.

[결론]

SLT-Turbo의 제작목표

-> 사용자가 외부에 CPU가 있다는걸 눈치채지 못하도록 자연스러운 고속 CPU 환경을 만드는 것

I/O 프로세서의 목표

-> 터보 보드의 I/O처리가 거의 딜레이없이 구동되도록 구현

그럼, 다음편에서 보아요~ ㅎ.ㅎ

궁금한 점 있으시면 댓글로 ㄱㄱㄱ

SLT-Turbo 제작 #1 - 슬롯터보

[서론]

터보알이 등장한지 이제 30년이 된 것 같네요.

혹시 '이게 진짜 빠른 MSX가 맞나!?' 의심이 들었던 분 있으세요?

MSX를 주로 게이밍 용도로 쓰신다면, 터보알의 용도는 '환영도시 게임기'에 그치는게 맞겠죠? ㅎ.ㅎ

터보알은 고속의 R800 CPU와 내장기기, 그리고 3.58MHz 버스 타이밍이 공존하는 오묘한 MSX입니다.

제가 터보알을 처음 접한 건, ST/GT 실기가 아니라 NLMSX 에뮬레이터였는데요.

그 때는 빠른 MSX의 느낌보다는 '환영도시 게임기'에 가까웠습니다.

딱히 활용할 곳이 없었으니까요ㅋ

그렇게 몇해가 지나고 실제 GT를 구하게 되었습니다.

BASIC과 DOS2을 구동해보니...어? 이게 예상과는 좀 다르네요.

생각보다 너무 빠르더라구요.

이 때부터 MSX 실기를 계속(?) 써야겠다는 생각이 들었고, 이걸 어떻게 해야 쓸모있는 환경이 될까?

고민을 해봤습니다. 사실 정답은 정해져있습니다ㅋ

터보알의 외부 슬롯은 3.58MHz 타이밍이라서, 내장 메모리에서 프로그램이 동작해야만 고속으로 돌아갑니다.

제 개발 환경을 DOS2 기반으로 만들고, 메모리매퍼를 적극적으로 쓸 수 있는 툴을 만들기 시작했습니다.

HI-TECH C에 전용 툴을 섞는 식으로 만들었지요.

그렇게 차근차근 진행되어 처음 나온 프로그램이 HV 한글뷰어였습니다.

메모리 사용량과 인터레이스 스크린7을 보면 딱 느낌이 들죠? "이거 터보알 아니면 못 쓰겠네!"

그리고는 M 파일 매니저가 등장합니다. (본격적으로 터보알을 갈구는 프로그램이...)

MMC/SD V3,V4처럼 터보알 구조에서 빠르게 동작할 수 있는 기기도 만들게 되었구요.

아마 벤치마킹해보셨으면, 이게 3.58MHz 버스가 맞는지 의심이 갈 정도일겁니다ㅋ

.

.

.

그렇게 10년이 흘러 여기까지 왔습니다.

한때는 MSX 본체 메모리를 512KB로 늘려야한다고 얘기하면, DOL-A-I 취급당하던 시절도 있었는데...

이제는 많이 변했죠~ㅋ

하지만 여전히 문제는 있습니다... '고속 MSX를 어디에 써야하나?' 입니다.

활용할 방법이 없으면 고속 MSX도 필요가 없고, 고속 MSX 사용자가 적으니 활용할 H/W, S/W를 만들 이유도 없죠.

근데 '닭이 먼저냐 알이 먼저냐'라는 개발자의 고통을 20년동안 "떠들기"만 해서는 바뀌는게 아무것도 없습니다.

뭔가를 직접 만들고 보편화시키는 것 말고는 방법이 없...ㅋ

그.래.서.

이제 때가 된 것 같네요.

'고속 MSX를 활용할 수 있는 환경을 만들고 같이 활용해보자'로 가는겁니다요~ ㅎ.ㅎ

서론을 좀 주절주절 썼지만...

제가 나름 생각하는 '앞으로 가는 MSX 환경'에 공감하시는데 도움이 되고자 길게 적어봤습니다ㅋㅋ

[본론]

고속 MSX를 활용하려면? 뭐, 고속의 본체가 있어야겠죠? ㅎ.ㅎ;

ST, GT가 널려있다면 고민할 필요가 없는데 말이죠.

그래서 SLT-Turbo라는게 나오게되었습니다.

이름에서 대충 짐작하셨겠지만, 요놈은 SLT-X에 CPU 가속기가 합체된 기기입니다.

일반 MSX를 빠르게 구동하기 위한 가장 간단한 방법은 본체의 CPU를 고속으로 바꾸는건데요.

빨라진 만큼 외부 I/O에 WAIT를 넣는 식으로, 유럽에서는 MSX2 용 Z80 7MHz킷으로 쓰인 것으로 알고 있습니다.

그 외 스페인의 레오나르도 아자씨가 만든 Z380 카트리지도 있는데...

이건 I/O없는 단순한 코드를 빠르게 구동하는 것만 되는 듯 합니다.

저도 실사용하는걸 본적이 없어요. (사용자가 별로 없는 듯요)

SLT-Turbo는 MSX 표준 주변기기입니다.

기본슬롯에 꽂는 확장슬롯과 유사하게 생겼구요. 3.58MHz로 동작하는 일반 버스 타이밍으로 돌아갑니다.

BIOS를 포함 모든 코드는 SLT-Turbo의 터보 보드에서 구동이 됩니다.

본체에 내장된 키보드, VDP, PSG 등은 본체의 CPU가 처리를 대신하게 됩니다.

사실 MSX는 슬롯 구조를 쓰면서 얻는 장점이 매우 큽니다만...

Z80 상위 CPU의 Cache, MMU, DMA를 쓸 수 없는 단점을 갖고 있어요. (단점이라고 하긴 좀 그렇지만요ㅋ)

슬롯 외부의 CPU가 메인으로 구동하려면, 본체 내장 I/O는 본체의 CPU로 처리할 수 밖에 없는 구조입니다.

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아마 이쯤에서 궁금한 부분이 하나 있으실 것 같은데...

'기존 MSX의 주변기기가 아닌 본체를 만드는게 더 좋지 않나요?'

사실 파라동 오프모임에서 단골 메뉴로 등장하는 얘기죠.

MSX2+, turboR 기종들이 나온지 30년 넘었는데, 이걸 제대로 활용하는 S/W, H/W도 잘 없어요.

근데 새로운 MSX가 나온다고해서 뭔가 달라질까 싶습니다.

혹시 뭔가 새로운걸 해보고 싶다면...

openMSX 소스에 가상의 주변기기를 추가하고 프로그램도 만들어서 돌려보시면 되겠습니다.

저의 희망사항은

'여러분들의 창고에 처박아둔 실기들이 책상위로 올라와서 전기를 먹는 모습'

정도로 많이(?) 소박합니다 ㅎ.ㅎ

프로젝트 소개는 요렇게 마무리합니다.

SLT-Turbo는 SLT-X에 터보가 추가된거라고 설명드렸는데요. 아래 PCB 사진을 보시면 납득이 되실겁니다요~

보드는 2층으로 합체합니다. PAC-V 구조를 생각하시면 비슷해요.

합체해서 케이스에 넣으면 이런모양입니다. 케이스는 오버리치 카트리지 1개가 필요합니다ㅋㅋ

그럼, 다음편에서 보아요~ ㅎ.ㅎ

궁금한 점 있으시면 댓글로 ㄱㄱㄱ