Безвейтовый контроллер PS/2 клавиатуры на AVR без CPLD для ZX Spectrum и клонов

Вид для печати

21.11.2020, 19:54
oistalker

Вложений: 1

Безвейтовый контроллер PS/2 клавиатуры на AVR без CPLD для ZX Spectrum и клонов

По примеру соседней темы, представляется ко вниманию. Вдруг, кому пригодится, если не будет CPLD на 5V IO под руками. Вместо CPLD используются 8 сдвиговых регистров 74HC595, в остальном принцип работы идентичен варианту контроллера с CPLD (даже прошивка подошла с минимальными изменениями). Может быть, конечно, тут уже была такая реализация, но я не нашёл.

Схема: Вложение 73998

Собрал это дело на макетной плате

http://i.imgur.com/rd7BPYOm.jpg

И заказал на jlcpcb печатную плату,

http://i.imgur.com/dVanD8Tm.jpg

если никаких ошибок в разводке нет и оно заработает, - дополню пост материалами с гербер файлами и модифицированной прошивкой AVR. Спасибо за внимание :v2_dizzy_gamer:

обновление сообщения:

Cхема для Rev3: Вложение 74934
Файлы для изготовления платы Rev3: Вложение 74935
Прошивка c исходниками (фьюзы нужно лить такие High=0xDA Low=0xFF Ext=0x05) : Вложение 74936

заметки о плате Rev3 в сообщении
21.11.2020, 22:38
IanPo

Идея интересная, я бы только сигналы D0-D4 переименовал в KL0-KL4 или типа того.
22.11.2020, 00:32
andykarpov

Прикольно! А как работает джойстик?
22.11.2020, 10:05
Serg6845

Цитата:

Сообщение от oistalker

По примеру соседней темы, представляется ко вниманию. Вдруг, кому пригодится, если не будет CPLD на 5V IO под руками. Вместо CPLD используются 8 сдвиговых регистров 74HC595, в остальном принцип работы идентичен варианту контроллера с CPLD (даже прошивка подошла с минимальными изменениями). Может быть, конечно, тут уже была такая реализация, но я не нашёл.

Схема: Вложение 73998

есть один момент - в случае когда для опроса клавиш одновременно падают в 0 больше одного адреса - в такой схеме возникнет конфликт выходных уровней у активных регистров. чтобы этого избежать - нужно либо регисиры с выходами ОК, либо по диоду в разрыв каждого выхода каждого регистра (40 штук).
22.11.2020, 11:11
IanPo

Можно заменить на 74xx596 (открытый коллектор или сток) и добавить 5 резисторов.
22.11.2020, 15:10
Serg6845

Цитата:

Сообщение от IanPo

Можно заменить на 74xx596 (открытый коллектор или сток) и добавить 5 резисторов.

резисторы должны быть в самом компе, так что не обязательно.
22.11.2020, 16:08
IanPo

Вы правы, резисторы уже в спеке есть.

Похоже, 596 не очень-то и найдешь, а, если найдешь, то по какой цене?
А 40 диодов - это жуть
22.11.2020, 20:41
oistalker

Цитата:

Сообщение от Serg6845

есть один момент - в случае когда для опроса клавиш одновременно падают в 0 больше одного адреса - в такой схеме возникнет конфликт выходных уровней у активных регистров. чтобы этого избежать - нужно либо регисиры с выходами ОК, либо по диоду в разрыв каждого выхода каждого регистра (40 штук).

Не очень понятно к каким последствиям это ведёт. Если я правильно понимаю, то в этом случае при наличии на одном регистре 1, а на другом 0 на том же разряде, ток просто потечёт через OD вход (или не потечёт, по идее там встроенный диод в самом полевом транзисторе на выходе есть). Я эту схему на макетке собрал и проверил на самопальном клоне, ничего не греется вроде и видимых глюков нет. 596 от 595 отличается только тем, что 595 есть 3 состояние, а по даташиту от TI выходы у них по одной и той же схеме сделаны.

Цитата:

Сообщение от andykarpov

А как работает джойстик?

Это на перспективу было, вообще-то, но сел - припаял 5 проводов к джойстику от Dendy и его тоже завёл. Просто вычитываю 8 бит состояния кнопок и подмешиваю их при выводе в регистры, на кнопки 6,7,8,9,0,Enter,L,SPC. Точно так же можно джойстик от Super Nintendo подключить, там внутренний регистр на 16 бит.

Код:

void init_gamepad(int pin_data, int pin_latch, int pin_clock) { pinMode(pin_data, INPUT_PULLUP); pinMode(pin_clock, OUTPUT); pinMode(pin_latch, OUTPUT); digitalWrite(pin_clock, HIGH); } int get_gamepad_state(int pin_data, int pin_latch, int pin_clock) { digitalWrite(pin_latch, HIGH); delayMicroseconds(JDELAY); digitalWrite(pin_latch, LOW); int keys_state = 0; for (int i = 0; i < JSER_COUNT; ++i) { delayMicroseconds(JDELAY); digitalWrite(pin_clock, LOW); keys_state <<= 1; keys_state |= digitalRead(pin_data); delayMicroseconds(JDELAY); digitalWrite(pin_clock, HIGH); } return keys_state; } void fill_gamepad_matrix(int jstate) { gamepad_matrix[GP_K_A] = (jstate & 0x80)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_B] = (jstate & 0x40)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_SEL] = (jstate & 0x20)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_START] = (jstate & 0x10)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_U] = (jstate & 0x08)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_D] = (jstate & 0x04)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_L] = (jstate & 0x02)>0 ? false : true; gamepad_matrix[GP_K_R] = (jstate & 0x01)>0 ? false : true; }
22.11.2020, 21:01
Serg6845

Цитата:

Сообщение от oistalker

Не очень понятно к каким последствиям это ведёт. Если я правильно понимаю, то в этом случае при наличии на одном регистре 1, а на другом 0 на том же разряде, ток просто потечёт через OD вход (или не потечёт, по идее там встроенный диод в самом полевом транзисторе на выходе есть).

в случае с 595 - тот регистр где "кнопка нажата" - будет тянуть в 0, остальные (где "не нажата") - в 1. что в итоге получится на выходе - это как повезет. ну и "неаккуратно как-то"...

Цитата:

Я эту схему на макетке собрал и проверил на самопальном клоне, ничего не греется вроде и видимых глюков нет. 596 от 595 отличается только тем, что 595 есть 3 состояние, а по даташиту от TI выходы у них по одной и той же схеме сделаны.

может мы разные даташиты смотрим? я у TI нашел 596 только в варианте 74LS596

https://www.ti.com/lit/gpn/sn74ls596
и там совершенно четко видна разница между 595 и 596, на стр. 1 внизу.
14.03.2021, 00:21
oistalker

Вложений: 3

Прошло несколько месяцев, этап сборки первой версии - выяснилось, что такой "концепт" работает в 48к бейсике, но перестаёт подавать признаки жизни, если активируется AY-3. Сел и нарисовал вариант схемы с защитными диодами и даже развёл, но вовремя одумался и не стал заказывать этого монстра. И в итоге пришёл к третьему варианту, в котором конфликт на выходах регистров решается с помощью приоритетного шифратора 74HC148, - при таком подходе, ситуации когда будут активированы несколько регистров, исключаются. На неделе приехали платы и шифраторы (второй раз заказывал, т.к. в первый раз китаец забыл их отправить вместе с другими микросхемами) - я это дело собрал и всё заработало, без каких либо доработок прошивки. Позапускал демки, игрушки, видимых проблем не заметил. Проверял, правда, только на Harlequin 128.

Если кому интересно, то

вот схема для Rev3: Вложение 74934
вот файлы для изготовления платы Rev3: Вложение 74935
вот прошивка c исходниками (фьюзы нужно лить такие High=0xDA Low=0xFF Ext=0x05) : Вложение 74936

Немного фоток:

Как это выглядело на рендере KiCad

http://i.imgur.com/AzoaJ4Ym.png

Как это выглядит после сборки

http://i.imgur.com/lP2RgMDm.jpg

http://i.imgur.com/xyR9Auom.jpg

http://i.imgur.com/thNBwD5m.jpg

Подключал в стандартный коннектор для плоских шлейфов (сами шлейфы, по разумной цене, найти у меня не получилось вообще нигде) с помощью сочинённой из гребёнки 2.54 и ответной части, для них же, с плоскими контактами "под золото" - они отлично фиксируется между металлической частью и корпусом коннектора

http://i.imgur.com/keY6TmHm.jpg

PS.
- Формирование низких уровней на RESET и NMI сделано по нажатию CTRL+ALT+DEL и F5 (как у ZX-UNO)
- Джойстик использовал стандартный, от китайской NES c разъемом DB9, клавиши забиты 6,7,8,9,0 на крестовину и A, M на B, Sel на L, START на Enter
- Резисторы на линии данных джойстика не распаивал и прошивка пока поддерживает лишь геймпад от NES. Планирую в дальнейшем добавить поддержку геймпада от SNES и возможность переключать тип пада на лету
- Есть неприятный момент, контактные площадки для резисторов в KiCad делали жадины (а handsoldering - транжиры, видно по площадкам для ll4148), места под нанесение припоя с краёв практически нет. Поэтому красиво и надёжно запаять у меня получилось только с дополнительной помощью фена
22.10.2021, 21:22
Helbr

oistalker, классная идея!

Я вот подумал, если есть зашифрованный адрес, то можно использовать SRAM типа 74hc670 с возможностью одновременной записи и чтения, только большего размера. Конечно, 595 самые дешёвые и распространенные, но может быть есть что-то подходящее.
Можно и обычную маленькую SRAM взять, только нужно как-то урегулировать запись и чтение чтобы не было слишком короткого строба записи. Можно писать в память сразу после строба чтения.
22.10.2021, 23:46
oistalker

Цитата:

Сообщение от Helbr

oistalker, классная идея!

Я вот подумал, если есть зашифрованный адрес, то можно использовать SRAM типа 74hc670 с возможностью одновременной записи и чтения, только большего размера. Конечно, 595 самые дешёвые и распространенные, но может быть есть что-то подходящее.
Можно и обычную маленькую SRAM взять, только нужно как-то урегулировать запись и чтение чтобы не было слишком короткого строба записи. Можно писать в память сразу после строба чтения.

Тут основная идея в том, что SPI в микроконтроллере аппаратный и работает на достаточно большой частоте, так что можно обеспечить минимальный инпут лаг. Если же взять что-нибудь типа IDT7130, учитывая количество свободных пинов на контролере, нужно будет использовать защёлки для фиксации адресов и параллельных данных и отдельно формировать импульсы записи. Тогда уж проще сразу CPLD использовать, но HC595 проще купить и нет проблемы с залоченными пинами jtag, как у MAX7000 из Китая
23.10.2021, 08:51
Helbr

https://i.ibb.co/ZmwL6yL/IMG-20211023-075624.jpg
Думаю такая схема должна работать.
1. После сброса МК заполняет 256 байт памяти единицами.
2. Шины адреса и данных МК переводятся в режим входа с резисторами подтяжки. Внешние резисторы подтяжки могут не понадобиться.
3. Когда МК получает данные с клавиатуры сразу же пишет измененный байт в память. Обновляются только 8 байт по адресам сканирования: 0b1111_1110, 0b1111_1101, 0b1111_1011 и т.д. Возможно что даже не будет никаких проблем с мусором на шине данных так как алгоритм опроса клавиатуры спека подавит данный "дребезг контактов". Но более вероятно что придется запрещать запись в память во время чтения клавиатуры. Для этого МК должен проверить наличие строба чтения клавиатуры перед записью в память. Цикл чтения порта z80 при частоте 3,5 МГц составляет 700 нс. Этого достаточно для того чтобы завершить предыдущий цикл записи, (при условии что память достаточно быстродействующая, скажем 100 нс) и считать данные. Конечно, критически важный код записи в память нужно максимально оптимизировать.
4. Ещё остаётся вариант: отслеживать строб чтения и писать в память сразу после него. Времени для записи остаётся более чем достаточно, даже если z80 подряд выполняет операции IN будет примерно 10 тактов z80 между стробами чтения.
24.09.2025, 23:15
Trol73

Отличный проект, спасибо!
Единственный быстрый контроллер, построенный на выпускаемой сегодня элементной базе.
Захотелось в качестве микроконтроллера использовать atmega8, переписал прошивку над неё на на ассемблере (точнее, на своём недо-языке the Rat), что позволило ощутимо сократить размер кода (и, теоретически, уменьшить инпут лаг).
Исходники и прошивка тут: https://github.com/trol73/avr-zx-spectrum-keyboard-595

Reset, NMI и сложные клавиатурные макросы пока не добавлял (мне они сейчас не к чему), работу с геймпадом тоже (пока не на чем отлаживать).
В будущем есть желание переделать схему на работу с геймпадами Sega / NES с автоопределением. Свободные пины у атмеги остались, можно будет второй разъём геймпада добавить.