《致敬经典——再造APPLE II计算机》（主板篇）
本帖最后由 oldwood_hmgh 于 2020-10-17 20:50 编辑《致敬经典——再造APPLE II计算机》（主板篇）
再造APPLE II计算机工程中，主板自然是最重要的。
主板的重新设计，我主要参考了APPLE II PLUS的图纸，尽管APPLE公司已经公布了这个机型的图纸,但出于尊重版权的考虑，不宜在此发布，读者可以自行在网络上找到。之所以参考这个机型，是因为这个机型的逻辑部分全部使用74系列的数字集成电路构成，没有像APPLE IIe和CEC-I中华学习机那样使用ASC（定制集成电路），因此可以详尽分析其原理，以便利用现代的器件重构。APPLE II PLUS是一个小规模的通用数字计算机系统，而不是某种用途的专用机器，整个重构是对APPLE II PLUS电路设计的全面学习过程，也是对通用数字计算机系统构成的了解和学习过程。
重构APPLE II主板的原则是（1）只重构硬件电路，软件不能做任何修改（包括驻机ROM）；（2）保证硬件电平和时序与原机一致，使软件不能“察觉”到硬件改动，从而保证所有原来的软件都可以在新主板上运行。
通过学习解析APPLE II PLUS电路，确实领略了APPLE II电路设计的诸多亮点。正是这些神来之笔，让APPLE II的性能在当时众多的八位计算机中出类拔萃。
在前言篇中曾提到的“周期窃用”显示技术是APPLE II电路设计的亮点之一。APPLE II计算机使用的6502 CPU是一种很高效的处理器，它的特点是它的机器周期与时钟周期相同，但没有动态存储器刷新功能，不能直接与动态存储器接口（同时期的其他型号处理器如Z80、8080等，每个机器周期都包含几个时钟周期，而且多少不一，且都有动态存储器刷新功能）。APPLE II电路设计者巧妙地利用6502 CPU在一个机器周期做内务处理不占存储器总线的前半周期，让显示系统读取存储器实现显示屏幕的刷新，由于显示系统与CPU之间不存在存储器竞争，实现了高效率运算和显示，顺便也做了动态存储器刷新。APPLE II电路的这个设计一直被业界所称道。
APPLE II电路设计的另一亮点是它的“变周期时钟”技术，即每经过64个时钟周期就有一个加长的时钟周期，这个技术使APPLE II用很简单的方法无须复杂编码就实现了彩色显示，这个“变周期时钟”技术还获得了美国专利。
这些设计亮点重构的主板都继承下来了。
相对于原来的电路，我的重构设计有如下特点：
（1）使用了单片64K静态随机存储器
APPLE II PLUS原设计用了24片4116动态存储器芯片构成48K存储器阵列，这也是APPLE II PLUS最大的直接寻址随机存储器范围，4116动态存储器芯片现在已经极难买到，而且它供电复杂，需要三种电源，我用一片W24512型号的SRAM取代了24片4116，大大减少了主板的器件数量，并且使主板实现了单一+5V供电即可点亮，64K容量中48K作为主板的随机存储器，其余16K我把它做成在板的16K语言扩充卡，占用0号扩展槽（所以主板的0号槽没有焊接），W24512与CPU的接口方式不同于4116，因此也重新设计了存储器与CPU的接口和地址译码电路，所以重构的主板是APPLE II PLUS + 16K语言卡，功能上与APPLE IIe相同。
（2）主板的6块EPROM 2716合成一块大容量的EPROM
6块EPROM 2716装载的是监控程序和FP BASIC解释程序，这些程序的机器码都可在网上找到，把它们按顺序烧入EPROM芯片27128、27256或27512，主板电路板的设计兼容这几种型号的EPROM。自然，EPROM的地址译码电路也重新设计了。字符ROM 2716也用了一块大容量的EPROM代替，因为现在小容量的反倒不容易买到了。
（3）并行键盘接口改为串行接口
APPLE II电路原设计的键盘接口是并行的，用20芯扁平电缆与键盘联接，20芯扁平电缆难以做到主机与键盘的分离设计，所以APPLE II都是主机键盘一体的设计，使用不很方便，重构的设计在并行接口上增加了一片串行转并行的芯片74LS164，这样键盘与主板连线减少到6芯，方便做成分离式键盘，关于键盘的设计请见《致敬经典——再造APPLE II计算机》（键盘篇）。
（4）保留与APPLE II硬件扩充卡的兼容性
分析和仿真了重构的设计，关键的电路也实做了电路验证，确认无误，我把大部分的逻辑电路都集成到一块XILINX的CPLD XC95108里，这大大减少了整机的元件数量，可靠性也得到提高。XC95108虽然是比较早期的器件，但它是5V的器件,与CPU和存储器电平兼容性好。与扩展槽相联的地址线、数据线、控制线都保留了原设计的缓冲器，这样保证了与APPLE II硬件扩充卡的电平兼容性，成功后的实验验证，笔者手中拥有的原装的16K语言卡、Z80卡、打印卡、80列卡都能正常使用。
以下8个PDF文件是重构设计的主板硬件图纸，下载后用PDF阅读器看：
重构的主板印刷板面积约是原装机的一半，器件数量约是原装机的1/3。
重构的主板印刷电路板：
羡慕楼主的能力，不过只能算怀旧，即使全部功能实现，也已经没什么用处了，随便抓块单片机，功能性能都远超了 庞大的工程。 watt 发表于 2020-10-17 22:20
庞大的工程。
只是庖丁解牛而已。 6502的通用性真强，哪都看得到:D dell1515 发表于 2020-10-17 22:37
6502的通用性真强，哪都看得到
6502源自MC6800处理器，当年6502的设计师也是从 MC6800设计团队里跳槽出来的，他们把MC6800的设计精简改进，以低于MC6800价格推向市场， APPLE II的设计师选中了6502 ，随着APPLE II的巨大成功，6502名气也大起来了，所以从某种意义上说，什么是好的处理器？用的人多就是好处理器！其实就运算能力来说，当时的MC6800、Z80、6502、8080几种８位处理器旗鼓相当，谁也没有更多的过人之处。 oldwood_hmgh 发表于 2020-10-17 22:59
6502源自MC6800处理器，当年6502的设计师也是从 MC6800设计团队里跳槽出来的，他们把MC6800的设计精简改 ...
6502和6800,Z80是红白机和MD的Cpu,基本是从这两个游戏机知道有这CPU的 楼主看看这块主版是 Apple II的哪个版本? ywmxyz 发表于 2020-10-18 04:26
楼主看看这块主版是 Apple II的哪个版本?
这块主板使用了8块4164动态存储器，有64K内存，所以它应该板上有16K语言卡，另外它有Z80卡在板，这样0号槽和4号槽被占死了，应该还剩6个槽可用扩充用，可是板上有7个槽，却找不到ROM集成电路，估计最左边的槽不是扩充槽而是插ROM卡用的，如果你没有那块ROM卡是不能启动的。你不妨加电试验一下。这个板型是一种APPLE II兼容机，可以看作是APPLE II PLUS + 16K语言卡 +Z80卡的组合。是不是南京的紫金II型？我猜测，我没见紫金II型。 先把PDF当下。多谢楼主分享。向苹果2致敬。 本帖最后由 ywmxyz 于 2020-10-19 01:43 编辑
oldwood_hmgh 发表于 2020-10-18 18:15
这块主板使用了8块4164动态存储器，有64K内存，所以它应该板上有16K语言卡，另外它有Z80卡在板，这样0号 ...
谢谢
这块版有二十年没有加电了, 我印象中是不需要插任何卡就可以启动的, 有时间我加电试验一下 ywmxyz 发表于 2020-10-19 01:41
谢谢
这块版有二十年没有加电了, 我印象中是不需要插任何卡就可以启动的, 有时间我加电试验一下
你试验一下吧，希望告诉我结果，让我也长长见识。 重构APPLE II主板的原则是（1）只重构硬件电路，软件不能做任何修改（包括驻机ROM）；（2）保证硬件电平和时序与原机一致，使软件不能“察觉”到硬件改动，从而保证所有原来的软件都可以在新主板上运行。
:victory::victory::victory:
这些原则中看到了图灵思想。 p401 发表于 2020-10-19 08:25
重构APPLE II主板的原则是（1）只重构硬件电路，软件不能做任何修改（包括驻机ROM）；（2）保证硬件电平和 ...
其实我只是从软硬件的关系考虑，确定了这个重构原则，如果说符合图灵思想，也是碰巧了。我不知道图灵思想是什么，可否赐教？ “任何一型计算机都能模仿另一型计算机。” 盖兹和保罗就是坚信这一条，在分时机上做出牛郎星8800的BASIC。开创了微软。
大意如此，不是原话。