Raspberry Pi Pico – emulátor retro počítačov s VGA výstupom

Aby sme ukázali možnosti mikropočítačovej dosky Raspberry Pi Pico s mikrokontrolérom RP2040, vrátene generovania obrazových signálov na VGA výstupe, postavili sme emulátor osembitových počítačov a herných konzol, ktorého základom je táto doska, ktorá stojí približne 4 eurá. Použili sme plošný spoj, ktorý navrhol počítačový nadšenec Peter „bobricius“ Mišenko. Softvér pre jednotlivé emulátory vytvoril Jean-Marc Harvengt a pod názvom MCUME je k dispozícii na GitHube. Zapojenie je pomerne jednoduché, takže si emulátor môžete aj  nabastliť na univerzálnom plošnom spoji, alebo prepojovacom poli. Emulátor emuluje populárne osembitové mikropočítače  ZX Spectrum, ZX81, Commodore 64 a Atari 800 a taktiež herné konzoly Atari 2600, Odyssey/Videopac, Colecovision a Atari 5200. Hry pre jednotlivé počítače a videohry sa načítavajú z microSD karty.

Video

Na postavenie emulátora okrem Raspberry Pico Pico potrebujete už len 9 rezistorov, piezo reproduktor, 15 pinový VGA konektor a 36 tlačidiel, ktoré sú zapojené v matici 6 x 6. Rezistory môžete použiť buď bežnej veľkosti, vtedy ich umiestnite na plošný spoj zospodu, alebo rezistory s priemerom 1,8 mm a dĺžkou 3,2 mm, ktoré sa dajú naspájkovať zo strany súčiastok.  Ak chcete využívať joystick kompatibilný s C64, môžete osadiť aj 9 pinový Canon konektor, avšak kábel joysticku je potrebné skrátiť na 30 cm. Peter Mišenko pamätal aj na dizajn a navrhol aj hornú dosku s popisom tlačidiel. 

Vľavo: doska emulátora, vravo sendvičová konštrukcia s hornou doskou

Schéma zapojenia emulátora

Ohľadne klávesnice bolo potrebné určité kompromisy, pretože napríklad ZX Spectrum (na obrázku) má klávesnicu so 40-timi klávesmi, pričom každá z nich má viac významov. Šípky emulujú joystick a tlačidlo ESC na klávesnici má funkciu Fire..

Srdcom dosky Raspberry Pi Pico je dvojjadrový mikrokontrolér Raspberry Pi RP2040 s architektúrou Arm Cortex M0+. Priamo na čipe je k dispozícii 264 kilobajtov pamäti RAM a na doske je 2 MB pamäť flash. Doska obsahuje aj ďalšie pomocné obvody ako je kryštál na generovanie taktovacej frekvencie, obvody USB portu a napájania. Na každej strane dosky je 20 kontaktov s pokovenými otvormi, ktoré majú štandardný rozostup 2,54 mm. Mimochodom, rozmery dosky Pico vrátane pinov sú rovnaké ako u čipov v puzdre DIP 40.

Mikrokontrolér na doske Pico beží na variabilnej taktovacej frekvencii  až do 133 MHz. V tomto zapojení je však pretaktovaný na 240-250 MHz, aby stíhal generovať signály pre VGA. Skúsenosti ukázali, že približne jedna doska Pico z desiatich takéto pretaktovanie nezvládne. Keď to zistíte po prispájkovaní Pico dosky na plošný spoj emulátora tak je to veľký problém, pretože Pico sa spájkuje priamo plôškami na plôšky plošného spoja, takže odsávačka vám veľmi nepomôže. Preto odporúčam ešte pred zaspájkovaním dosky Pico nahrať do neho niektorý z emulátorov, napríklad C64, alebo ZX Spectrum. Po nahratí emulátora treba odpojiť napájanie a po opätovnom pripojení napájania musí LED na doske Pico blikať. Ak nebliká, tak treba použiť inú dosku.

Zľava doprava: vrchná a spodná strana dolnej dosky a horná doska s popisom tlačidiel 

Postup nahrávania programu do dosky Pico je veľmi jednoduchý. Stiahnete si príslušný súbor s príponou UF2 zo stránky výrobcu. Následne na doske stlačíte a držíte tlačidlo BOOTSEL (boot select) a pripojíte USB kábel k počítaču. Tlačidlo BOOTSEL prepína bootovanie z flash pamäti na bootovanie z USB. Doska RPi Pico sa potom bude voči počítaču tváriť ako externé pamäťové zariadenie označené ako RPI-RP2. Následne na toto virtuálne pamäťové zariadenie skopírujete UF2 súbor. Binárne obrazy hier sú na SD karte, každý emulátor si hľadá hry vo svojom adresári.

Zapojenie umožňuje spúšťať aj zaujímavé natívne programy na generovanie VGA výstupu od Miroslava Němečeka.

Vľavo: hra Manic Miner na emulátore ZX Spectra, vpravo čachy na ZX 81, ktorý mal len čiernobielu grafiku

Na záver niekoľko užitočných odkazov: GitHub Jean-MarcHarvengta so softvérom pre emulátory. Súbory s príponou uf2 na zavedenie do RPI Pico nájdete v tejto zložke. Stránka PicoVGA - displej VGA/TV na Raspberry Pico od Miroslava Nemečka so schémami zapojenia VGA výstupu a linkami na softvér. Plošné spoje pre emulátor je možné objednať na tomto portáli.