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2020年09月11日 | 如何仅用6个芯片组装一台计算机？
2020-09-11 来源：eefocus
在很多人看来，打造一台家用的计算机需要太多硬件：主板、CPU 等等。但实现一个 8 位的计算机远没有这么复杂。近日，一位名为 Matt Sarnoff 的开发者就仅用了 6 个芯片就组装好了一台计算机。它不仅能有音视频输入输出，还可以完成编程任务。不愧是经典又复古的 8 位电脑。
时至今日，8-bit 风格的电脑依然有着不朽的魅力。那么，是否可以使用经典的 CPU 来完成现在的计算任务，同时保留 8-bit 的风格呢
近日，一位名为 Matt Sarnoff 的开发者开发了一款经典的家用计算机，名为 Amethyst。它有一个集成式的键盘，能够生成声音和图像。其中有一个高级编程语言，能够让用户自己编程。更重要的是，这个计算机只需要 6 块芯片，其中包括一个 ATMEGA1284P 的 CPU，一个 USB 接口芯片，以及 4 个简单的集成电路。
可以看到，你可以在上面完成一些基本操作。这个计算机还可以显示彩色图像。
那么，怎样用这些简单的硬件组装一台计算机呢？
Amethyst ：六个芯片打造家用计算机
据作者介绍，Amethyst 是一种复古风格的家用九三级，围绕 ATmega1284 微控制器打造。它能够合成 NTSC 视频输出，有着高色彩和高分辨率模式、单声道音频输出和一个完整的机械键盘。
该计算机使用 Forth 编程语言，有图像和声音指令、调试器和屏幕编辑功能。它采用一个 USB Type-B 接口，提供 5V 的电源和与一台 PC 的连接沟通。
此外，Amethyst 兼容 Optiboot (Arduino) bootloader，能够将固件加载到上面，不需要特殊的编程硬件。
硬件配置
在硬件配置上，首先是 CPU。作者使用了 ATMEGA1284P。这是一个 2008 年发布的 CPU，有 128KB 的闪存和 16KB 的内存。它的运行主频最高达到 20MHZ，有一个内置的序列界面控制器以及 32 位的输入 / 输出 pin。
如何让这个电脑输入和输出视频？作者找出了 4 个 7400 芯片——两个多路复用器和两个并行到串行移位寄存器。
具体而言，他将 CPU 上的 8 个 pin 设置并行，将其同时传入 4 个芯片中，从而将它们转换高速串行比特流。通过这种方式，他能够让计算机在屏幕上显示出 215 种不同的颜色。当然，这样带来的代价也很大，为了跟上屏幕刷新，CPU 只剩下 25% 的算力处理其他任务了。
计算机的整体电路图示。这是一个单板计算机，使用 6 个芯片，生成 215 色视频。键盘直接焊在板子上，同样支持音频和四个串行 I/O 链接，用于外围任务，如游戏控制或存储设备。该电脑使用了自带的 Forth 虚拟机，提供编程环境。
编程语言和环境
由于最终目的是提供一个轻量级的编程环境，所以作者选择了 Forth 而不是 Basic。Forth 是嵌入式系统的语言，具有交互性以及可高效编译代码的功能，可以在有限空间内发挥作用。由于 1284P 不能够直接从 RAM 中执行已编译的代码，因此将代码编译为中间字节代码，之后该字节码将作为数据提供给从 1284P 的虚拟机。虚拟机的代码是用汇编代码编写的，并进行了适当的手动调整以使其尽可能高效。
作者能够使用先进的激光切割机，因此设计以及制造木箱（wooden case）并不是很困难。机械键盘的开关直接焊接在 Amethyst 的单印刷电路板上，这个键盘的空格键在 Enter 键上方。
作者所用机械键盘的空格键不像一般键盘那样位于中间，而在 Enter 键的上面。
从上图来看，这台电脑提供了一个命令行界面，用户可以进行各种操作。
更有趣的是，电脑还自带了一个游戏。游戏中，玩家扮演机器人「#」，并从一大推字符中寻找「kitten」。
寻找 kitten 的游戏界面，可见这个计算机能够完成很多任务，具有一定的性能。
总硬件清单
那么这个别具风格的家用计算机具体需要哪些硬件呢？请看以下硬件清单：
· 以 14.318 MHz 运行的 ATmega1284 微控制器（8 位）
· 16KB 内存储器（16352 字节可用于应用程序）
· 4KB 非易失性 EEPROM 存储
· 具有 Cherry MX 键开关的机械键盘
· NTSC 彩色和单色复合视频输出：
o 256 色、16 色和 4 色位图图形，分辨率最高为 160x200
o 分辨率高达 640x200 的单色位图图形
o 40x25 和 80x25 单色文本模式
o 40x25 彩色文本模式
o 40x25 彩色平铺图形模式
· 单声道音频输出（脉冲波或 PWM）
· USB 串行通信速度高达 57600 波特
· 四个 SPI 扩展端口，用于外设、控制器和存储设备
· 仅 6 个芯片（ATmega1284、FT320X、2 个 74HC157 和 2 个 74HC166）
完整的原理图、PCB 文件以及系统代码都可以在 Github 里找到。同时，作者也表示欢迎读者通过已提供的信息构建自己的 Amethyst 或者改进其已有的设计。
参考连接：
https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/build-this-8bit-home-computer-with-just-5-chips
https://github.com/74hc595/Amethyst/blob/master/README.md
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