Жду новый пост

Серия «Своими руками»

• Автор текста: MaFrance351

Приветствую всех!

Давным-давно я уже рассказывал про то, как в домашних условиях поднять GSM-сеть при помощи комплектующих, доступных любому школьнику. И в той статье я мельком упомянул, что идеальным в плане производительности вариантом будет запускать сети при помощи SDR, а не телефонов.

Итак, в сегодняшней статье поговорим о том, как быть владельцам SDR, желающим запустить свою GSM-сеть. Узнаем, какой софт нужен, чтобы заставить её работать в прямом смысле слова за пять минут. Попутно запустим GPRS и ненадолго побываем в 2007 году. Традиционно будет много интересного.

❯ Суть такова

Многие помнят тот поистине легендарный пост про то, как из двух телефонов и обычного компьютера собрать базовую станцию. Но всё же у той конфигурации был целый ряд недостатков, которых лишена БС на базе SDR. В свою очередь, единственным минусом того, что будет рассмотрено в данной статье, является высокая стоимость оборудования.

Также на просторах Хабра был найден пост про Osmocom в Docker-контейнере, однако за десять лет софт порядком устарел, теперь есть куда более новые версии с большими возможностями и более стабильной работой.
И вот в мои руки попал полнодуплексный SDR, а это значит, что самое время попробовать запустить сеть при помощи него и узнать, что же из этого выйдет.

❯ В чём преимущества сети на базе SDR?

В отличие от телефонов, мы будем избавлены от целого ряда проблем, неминуемо возникающих при попытке использовать подобное железо:

• Диапазон частот. В телефонах используются фильтры, не позволяющие прослушивать входящий трафик. Моя БС работала исключительно из-за их неидеальности, лучшим же решением было бы заменить их, что доступно не каждому ввиду необходимости наличия оборудования и хороших навыков пайки, дабы не запороть плату телефона. SDR лишён этой особенности.

• Генератор. Точности внутреннего генератора SDR с лихвой хватит, чтобы обеспечить корректную работу сети. В телефонах такого устройства нет, поэтому нам приходилось ловить тактовый сигнал от других коммерческих вышек.

• Подключение к компьютеру. В случае с SDR не придётся заниматься ерундой типа пайки проводов, проверки заряда аккумулятора и тому подобными вещами, достаточно просто подключить его к ПК и больше не думать о том, что причины неработоспособности сети кроются где-то здесь.

• Производительность. В отличие от телефонов, можно создать конфигурацию, где будут доступны сразу и звонки, и SMS, и интернет.

• Стабильность. Сеть на базе SDR при правильной настройке не падает.

• Поддерживаемые устройства. При запуске сети на базе телефонов я смог подключить к ней далеко не все устройства, какие у меня были. В частности, телефон от Nokia смог поймать её только один раз. В случае же с SDR все имевшиеся у меня телефоны, которые участвовали в испытаниях, подключались без проблем. Товарищ axilirator подсказал, что связано это с частотной характеристикой сигнала, так как телефон после попытки подключения к операторской сети ориентируется на неё, а лабораторную не видит. В моём случае эта проблема если и возникала, то устранялась банальной перезагрузкой трубки.

Таким образом, если у вас есть желание серьёзно заниматься исследованием устройства и работы сотовых сетей, приобретение полнодуплексного SDR должно стать вашим первым шагом.

❯ Обзор оборудования

А вот и SDR. Это USRP B200mini-i, которого для данных опытов хватает с избытком. Само собой, к нему понадобится и компьютер, который будет им управлять. Виртуалка или Raspberry не подойдёт.

Далее понадобятся телефоны, которые будут ловить сеть. В них должны быть симки, какие именно — неважно, лишь бы были. Вот, например, Samsung Galaxy M12, уже фигурировавший в опытах с LTE.

Три легенды кнопочных телефонов — Nokia 3310, Siemens CX75, Sony Ericsson K750i.

Nokia E90, крутейший девайс, совмещающий в себе кнопочный телефон, коммуникатор на Symbian и клавиатурный КПК.

❯ Софт

Как и в прошлых опытах с SDR, использовать будем дистрибутив DragonOS. Там уже есть все необходимые компоненты для запуска сети, достаточно лишь слегка поменять настройки. Уже не придётся ни собирать софт из исходников, ни искать примеры файлов конфигурации.
Как и в прошлых статьях, ссылки на всё необходимое я оставлю в конце.

❯ Конфигурация

Теперь, когда ОС загружена, можно приступать к настройке.
Открываем папку osmo-nitb-scripts (ярлык на неё есть в меню «Пуск» в разделе «Other»), а в ней — папку configs. Нас интересует файл openbsc.cfg.

Вообще, сеть будет работать и с тем файлом, что есть по умолчанию, однако SMS не будут ходить из-за неправильной настройки таймслотов и протокола SMPP. Так что приводим файл к следующему виду:

!
! OpenBSC configuration saved from vty gprs mode none | phys_chan_config SDCCH8
! !
password foo
!
line vty
no login
!
e1_input
e1_line 0 driver ipa
network
network country code 250
mobile network code 10
short name MaFrance
long name MaFrance
auth policy accept-all
location updating reject cause 13
encryption a5 0
neci 1
rrlp mode none
mm info 1
handover 0
handover window rxlev averaging 10
handover window rxqual averaging 1
handover window rxlev neighbor averaging 10
handover power budget interval 6
handover power budget hysteresis 3
handover maximum distance 9999
subscriber-keep-in-ram 0
bts 0
type sysmobts
band GSM900
cell_identity 1087
location_area_code 13415
training_sequence_code 7
base_station_id_code 56
ms max power 30
rxlev access min 0
periodic location update 1000
cell reselection hysteresis 14
cell reselection offset 120
temporary offset 0
penalty time 20
channel allocator ascending
rach tx integer 9
rach max transmission 7
ip.access unit_id 1801 0
oml ip.access stream_id 255 line 0
gprs mode none
trx 0
rf_locked 0
arfcn 25
nominal power 34
max_power_red 20
rsl e1 tei 0
timeslot 0
phys_chan_config CCCH+SDCCH4
hopping enabled 0
timeslot 1
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 2
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 3
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 4
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 5
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 6
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 7
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
nitb
assign-tmsi
subscriber-create-on-demand random 100 199
smpp
local-tcp-port 2775
system-id OSMO-SMPP
policy accept-all
esme OSMPP
password 1234
osmocom-extensions

Коротко пройдёмся по параметрам.

• ARFCN — самый важный. Это номер канала, на котором будет работать наша вышка. Необходимо воспользоваться приложением по типу Net Monitor, чтобы узнать, на каких каналах работают вышки в округе и выбрать незанятый.

• LAC. Код зоны, использующийся для определения местоположения. Вообще, он не влияет на работу, но некоторые телефоны могут не подключаться, если он равен 0 или 1.

• CID. Код соты. Выбирается аналогично LAC.

• MCC — код страны. Для России это 250. Можно выбрать другой, но стоит учитывать, что не все телефоны смогут подключиться к такой сети.

• MNC — код сети. Нужно открыть список сотовых операторов (он есть, например, тут или тут)

• Long name и Short name. Это, как нетрудно догадаться, имя сети, отображаемое в строке состояния на телефоне. Устанавливается любое желаемое.

  
  Теперь разберёмся с таймслотами. Каждый из них конфигурируется на определённый тип канала. Подробнее о них можно почитать тут.
  
  Теперь, когда параметры изменены, запускаем нашу сеть:

sudo ./main.py

Если у вас не LimeSDR, а USRP, то запускать надо следующим образом:

sudo ./main.py -d uhd

Если всё было сделано правильно, то на экране должно будет появиться примерно следующее:

А через несколько секунд — вот это:

Всё, сеть работает. На всё ушло меньше пяти минут не считая времени загрузки ОС. Можно пробовать подключаться.
В этом окне отображаются IMSI абонентов, подключившихся к сети, а также их номера.

Как показали опыты, все имевшиеся у меня телефоны без проблем подключались к созданной сети.

Запустились и две более новые легенды. Всё, можно звонить и отправлять SMS. Точно так же, как мы делали это при помощи телефонов.

❯ А что насчёт интернета?

Но, конечно, при помощи Osmocom можно поднять и GPRS. Причём в случае использования SDR можно получить полноценную сеть, где будут работать все составляющие: звонки, SMS, USSD и пакетные данные. В случае использования телефонов нам пришлось бы либо подключать дополнительные моторолы, либо потерять возможность звонить.
Ну что же, самое время попробовать запустить GPRS.

❯ GPRS и как он работает

И перед началом экспериментов традиционно разберёмся с тем, как пакетный трафик в 2G-сети перенаправляется во внешний мир.

GPRS имеет свою опорную сеть. Она представляет собой расширение для сети GSM, добавляющее в неё возможность обмена пакетными данными.

Итак, сеть с поддержкой GPRS дополнительно включает в себя следующие компоненты:

• PCU (Packet Control Unit). Это устройство управления пакетами, позволяющее в паре с контроллером БС отправлять и принимать те самые данные.

• SGSN (Serving GPRS Support Node). Этот узел отвечает за обслуживание абонентов — обмен пакетами, тарификацию, проверку APN (Access Point Name) точки доступа, распределение ресурсов.

• GGSN (Gateway GPRS Support Node). Шлюз, соединяющий сотовую сеть с другими сетями передачи данных.

Для работы GPRS на телефоне должна быть создана точка доступа, включающая в себя APN, логи и пароль. Обычно она создаётся сразу при регистрации в сети оператора и участие пользователя в этом не требуется.

❯ Конфигурация

Как и в прошлом случае, для начала необходимо настроить сеть.

Необходимо узнать имя подключения, через которое компьютер получает доступ в интернет. Сделать это можно, открыв ifconfig или iwconfig.

Теперь открываем opengts_egprs.cfg из папки configs. И приводим его к следующему виду:

!
! OpenBSC configuration saved from vty
! !
password foo
!
line vty
no login
!
e1_input
e1_line 0 driver ipa
e1_line 0 port 0
no e1_line 0 keepalive
network
network country code 250
mobile network code 10
short name MaFrance
long name MaFrance
auth policy accept-all
authorized-regexp .*
location updating reject cause 13
encryption a5 0
neci 1
rrlp mode none
mm info 1
handover 0
handover window rxlev averaging 10
handover window rxqual averaging 1
handover window rxlev neighbor averaging 10
handover power budget interval 6
handover power budget hysteresis 3
handover maximum distance 9999
subscriber-keep-in-ram 0
bts 0
type sysmobts
band GSM900
cell_identity 7229
location_area_code 7619
training_sequence_code 7
base_station_id_code 63
codec-support fr efr amr
ms max power 15
rxlev access min 0
periodic location update 1000
cell reselection hysteresis 14
cell reselection offset 120
temporary offset 0
penalty time 20
radio-link-timeout 32
channel allocator ascending
rach tx integer 9
rach max transmission 7
channel-descrption attach 1
channel-descrption bs-pa-mfrms 5
channel-descrption bs-ag-blks-res 1
ip.access unit_id 1801 0
oml ip.access stream_id 255 line 0
gprs mode egprs
gprs routing area 1
gprs cell bvci 1234
gprs nsei 1234
gprs nsvc 0 nsvci 1234
gprs nsvc 0 local udp port 23001
gprs nsvc 0 remote udp port 23000
gprs nsvc 0 remote ip 127.0.0.1
no force-combined-si
trx 0
rf_locked 0
arfcn 100
nominal power 34
max_power_red 20
rsl e1 tei 0
timeslot 0
phys_chan_config CCCH+SDCCH4
hopping enabled 0
timeslot 1
phys_chan_config SDCCH8
hopping enabled 0
timeslot 2
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 3
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 4
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 5
phys_chan_config TCH/H
hopping enabled 0
timeslot 6
phys_chan_config PDCH
hopping enabled 0
timeslot 7
phys_chan_config PDCH
hopping enabled 0
nitb
assign-tmsi
subscriber-create-on-demand random 100 199
smpp
local-tcp-port 2775
system-id OSMO-SMPP
policy accept-all
esme OSMPP
password 1234
osmocom-extensions

Здесь активирован GPRS, а также изменены два таймслота — теперь им выделены пакетные данные. Настройки, касающиеся сети (имя, канал, код...) остались те же самые, их также нужно изменить, как в прошлый раз.

На телефоне необходимо создать точку доступа. APN её может быть любым, как и в случае с srsRAN он не проверяется, нужна она лишь для того, чтобы телефон сам начал подключение.
Итак, время запускать сеть. На этот раз делается это так:

sudo ./main.py -d uhd --gprs -i (тут ваше имя подключения)

Если в более старых руководствах надо было править файлы конфигурации, менять iptables, то тут достаточно просто указать подключение, которое связывает машину с внешним миром.

Для проверки был взят всё тот же смартфон от Samsung. Подключаемся к сети, включаем сотовые данные, и в строке состояние появляется «EDGE». Отлично, работает.

У меня было много опасений, что интернет работать не будет. Во-первых, куча приложений, стремящихся дорваться до сети во что бы то ни стало, во-вторых, сам размер сайтов, не позволяющий пропихнуть их через канал, по скорости недалеко ушедший от модемного. Но легковесные сайты по типу old-dos.ru вполне открылись.

Далее я подключил и свой основной телефон. Он тоже отлично заработал и подхватил созданную сеть.

❯ Возвращаем свой две тысячи седьмой

Пожалуй, одна из немногих составляющих старого железа и «тех» времён в принципе, к которой я не испытываю ностальгии, — мобильный интернет.

По поистине конским тарифам (единицы рублей за мегабайт) предоставлялось весьма слабенькое соединение. Мобильные версии сайтов тогда тоже сильно отличались от привычных нам. Существовало два протокола — WAP (созданный специально для GSM-сетей, работающий через шлюз поверх GPRS или SMS), в котором передавалиись страницы в формате WML, и обычный HTTP. Позднее префикс «wap.» получили вообще почти все сайты, адаптированные под сотовые телефоны.

Сайты эти тоже были весьма своеобразными — на типичной страничке было в наличии практически всё, от новостей и мобильного софта (с непременными разделами для J2ME, WM и Symbian) до знакомств и дешёвой эротики. Многие телефоны из использовавшихся в те времена до сих пор хранят на своих картах памяти картинки с котиками, скачанные по пять рублей за мегабайт.

Также существовал такой бич для баланса как «premium-rate сайты». Суть их заключалась в том, что при заходе на с виду обычный сайт абонент мог не только просадить весь свой баланс, но и уйти в глубокий минус — тарификация по ним была повышенной (вплоть до сотен рублей за мегабайт), отчего заход на такие страницы обходился во всех смыслах дорого (на безлимитных тарифах они всё равно списывали деньги). Не обходилось и без грязного SEO (в духе тех времён) в виде размещения на страницах элементов с вот таких вот сайтов по типу «невидимых» картинок и тому подобного материала.

К слову говоря...

Нечто подобное сейчас тоже существует, правда, в куда меньших масштабах (например, у Tele2 — на страницах ошибок по типу 404).
Случайный жмяк по рекламе (которую ещё иногда делают картинкой в виде видеоплеера, чтобы кто-то намеренно нажал), и пользователь немедленно получает подписку за двадцать-тридцать рублей в сутки, отказаться от которой очень сложно.

Для работы полноценного WAP сейчас понадобится WAP-шлюз, поэтому в данной статье ограничимся только HTTP.

Увы, Siemens так и не смог загрузить ни один сайт. То ли что-то с настройкой точек доступа, то ли его браузер поддерживает только WML, но ничего больше унылой надписи «Соединение...» из него выжать не удалось.

Поэтому на помощь был призван Nokia E90, который смог загрузить вначале old-dos.ru…

… а потом и какой-то древний мобильный сайт.

А вот он же на экране Nokia N95.

Интересно, обновляются ли они? Или эти «обновления дня» остаются такими уже лет десять?

Отправляемся гуглить и находим список из всё ещё живых старых сайтов. А вот и ещё один экземпляр…

Забавно — программы для WM, а значок от Win8/WP…

lankost.net, один из крупнейших ныне живых...

> Продолжение в источнике материала на Хабре. Увы, все фото не влезли (их действительно много), а именно в них вся суть и самое вкусное. :)

• Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные материалы.

• Также подписывайтесь на наш телеграмм-канал — только здесь, технично, информативно и с юмором об IT, технике и электронике. Будет интересно.

• Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать наши проекты.

• Автор: MaFrance351

• Больше интересных фото и комментариев в оригинале материала

Приветствую всех!

Не так давно я показывал, как запустить электронный стрелочный тахометр из кабины пассажирского лайнера Boeing 737-300. И, разумеется, мне захотелось продолжить эту тему и подключить что-то ещё из авиаприборов.

Итак, в сегодняшней статье запустим два электронных блока индикации из кабины самолёта этой же модели. Посмотрим, что у них внутри и узнаем, насколько сложной может быть коробочка с тремя кнопками. Традиционно будет много интересного.

❯ Суть такова

Если тогда я рассказывал о стрелочном приборе, то тут речь пойдёт о простых индикаторах. С одной стороны, с ними дела обстоят проще, так как часто достаточно просто прозвонить, куда идут провода, и подключить лампочки подсветки, с другими же ситуация совершенно иная — необходимо реверсить авиационные интерфейсы и разбираться, как ими управлять. Ну что же, время разобраться, что же мы будем пытаться запустить.

❯ Обзор оборудования

Первым у нас на очереди будет индикатор режима тяги (Thrust mode annunciator).

Это лёгкая металлическая коробочка с разъёмом. На наклейках куча разных номеров, предупреждение о чувствительности к статике. Виден и производитель этого модуля — Smiths Aerospace. Этой же фирмой был выпущен тахометр из прошлого поста.

На передней части расположен дисплей. Он очень старый и порядком деградировавший. Нечто подобное может случиться и с современным дисплеем, если в питании сегментов будет постоянная составляющая: электролиз убивает тонкие электроды дисплея очень быстро.

Обратная сторона. Тут находится разъём подключения, а также табличка с номером.

Следом идёт другой блок — индикатор состояния трёх важных узлов: бортового компьютера, автопилота и автомата тяги. Коробочка уже поменьше и потяжелее. Впрочем, по размерам в поперечном сечении она абсолютно такая же.

Здесь же видно и крепление. Блок вставляется в специальную обойму с крепёжными проушинами, которая в свою очередь и прикручивается к панели.

Спереди находятся три кнопки-индикатора и тумблер тестирования. Он на три положения и без фиксации.

С обратной стороны два разъёма. Контактов неожиданно много для такой с виду простой штуки.

Таблички.

А вот тут можно увидеть расположение этих приборов в кабине.

❯ Чёрная коробочка

Самое время разобраться, зачем же столь много контактов такому, казалось бы, простому блоку.

Разбираем. Открутив небывалое количество винтов, снимаем крышку. Внутри нас ждут три кнопки-индикатора, две платы и плотно уложенные жгуты проводов. Все провода разного цвета, это сильно упрощает их разводку.
На плате неизвестные микросборки и немного дискретных элементов.

Снимем плату. Под ней ещё одна с кучей диодов.

Обратная сторона верхней платы.

❯ Кнопки-индикаторы

Отдельного внимания заслуживают индикаторные кнопки.

К корпусу они крепятся следующим образом: каждая кнопка вставлена в свой кожух, туго засаженный в свою прорезь в корпусе. Чтобы кожух не сползал, на кнопках имеются защёлки в виде рычажка, который надо провернуть.

Сама кнопка имеет два светофильтра — красный и оранжевый. Соответственно, светиться она может тоже двумя цветами, для чего в ней предусмотрены четыре лампы накаливания, по две на каждый цвет. Разбирается кнопка очень легко: надо подцепить её с боков отвёрткой (для чего у неё есть специально предусмотренные прорези) и извлечь подвижную часть.

После этого можно получить доступ к лампочкам. Чтобы клавиша не потерялась, со стационарной частью её связывает пластиковая тяга.

Внутренности кнопки. Видны подпружиненные контакты лампочек и отверстие, куда уходит шток, нажимающий на микропереключатель.

Лампочка отдельно. Вся индикация питается от двадцати восьми вольт.

Кнопки слегка наклонены относительно корпуса. Это не тумблеры, сделано так для удобства нажатия.

❯ Подключаем кнопки

Самое время выяснить, куда идут провода и зачем нужна та самая плата. Как оказалось, плата с диодами служит для подключения лампочек, о верхней же поговорим чуть позже. Итак, распиновка разъёмов оказалась следующая.
Итак, разъём J2:

1. Масса

2. Не подключён

3. Вывод «1» верхней платы

4. Не подключён

5. Вывод «2» верхней платы

6. Плюс красной лампы автопилота

7. Плюс оранжевой лампы автопилота

8. Вывод «3» верхней платы

9. Вывод «4» верхней платы

10. Вывод «5» верхней платы

11. Вывод «6» верхней платы

12. Вывод «7» верхней платы

13. Вывод «8» верхней платы

14. Вывод «9» верхней платы

15. Вывод «10» верхней платы

Разъём J1 оказался поинтереснее:

1. Не подключён

2. Не подключён

3. Неизвестно

4. Кнопка автопилота

5. Земля оранжевой лампы автопилота

6. Земля оранжевой лампы автопилота

7. Земля красной лампы автопилота

8. Земля красной лампы автопилота

9. Земля оранжевой лампы автомата тяги

10. Земля красной лампы автомата тяги

11. Кнопка автопилота

12. Кнопка автомата тяги

13. Кнопка автомата тяги

14. Плюс оранжевой лампы автомата тяги

15. Плюс красной лампы автомата тяги

Как можно видеть, индикация для автопилота, как для самой важной из этих систем, продублирована: лампочки не запараллелены, а выведены на отдельные контакты разъёма. Другие кнопки таким подключением не обладают.

Итак, пробуем подать питание. Ну что же, оно живое! Загадочная для обывателя надпись «P/RST» — тоже авиационный термин, означающий «Push to reset». Это значит, что кнопка-индикатор загорается при наличии какого-то предупреждения, а для его сброса эту кнопку надо жмякнуть.

❯ А что же с верхней платой?

Нетрудно догадаться, что верхняя плата как-то завязана на кнопки TEST и FMC. Так что время прозвонить, куда же идут провода от них.

На плате шестнадцать контактов, они вот такие:

1. 3 контакт J2

2. 5 контакт J2

3. 8 контакт J2

4. 9 контакт J2

5. 10 контакт J2

6. 11 контакт J2

7. 12 контакт J2

8. 13 контакт J2

9. 14 контакт J2

10. 15 контакт J2

11. TEST-2

12. TEST-1

13. TEST общий

14. Оранжевая лампа FMC

15. FMC общий

16. Кнопка FMC

Всё становится ещё интереснее, когда выясняется, что часть проводов таки соединена с разъёмом напрямую:

• TEST-2 соединён с выводом 10 (15 контакт J2)

• TEST-1 соединён с выводом 6 (11 контакт J2)

• Кнопка FMC соединена с выводом 10 (5 контакт J2)

С этими контактами всё намного сложнее: микросборки нигде не гуглятся, а пытаться запустить наугад рискованно. Так что пока что последние два выключателя так и остались неподключёнными…

❯ Автомат тяги

Теперь очередь коробочки с дисплеем.

Разбирается она очень просто — надо открутить четыре винта по периметру разъёма. После этого кожух легко снимается.

Внутри нас ждёт одинокая плата. На ней МК неизвестной модели (гугл без понятия, что за чип, явно что-то заказное), несколько микросхем драйвера ЖКИ (CD4054BE), триггер Шмитта (74C914N), парочка операционных усилителей.

Обратная сторона дисплейного модуля. Подсветка осуществляется всё теми же лампочками накаливания. Во всех приборах Боинга подсветка питается от пяти вольт. Выведена она обычно на первый и второй контакты разъёма.

Плата с дисплеем. Он порядочно деградировал за годы работы, часть надписей видна и в выключенном виде. Как это бывает со многой авионикой, дисплей тут инверсный, работающий на просвет.

❯ Запуск

Подаём питание. На дисплее загораются и гаснут три черты, больше ничего интересного не происходит. Далее мне удалось найти контакт, отвечающий за тестовый режим. Притягивание его к земле включает все сегменты дисплея.

Другой контакт позволяет зажечь надпись «A/T LIM».

❯ Epic fail

Увы, показать что-то большее, нежели «A/T LIM» не получится: эта штука полностью цифровая и управляется по интерфейсу ARINC-429. Он во многом напоминает CAN, однако использует не два уровня напряжения, а три.

Я уже думал начать собирать схему трансивера для этого интерфейса, но тут случился производственный момент — не так давно я достал из закромов этот блок и обнаружил, что индикатор по неведомой мне причине треснул (хотя, казалось бы, собрал прибор я правильно, ничего не перетянув и не перепутав, да и после сборки он долго лежал, и ничего с ним не было). Теперь запустить не только деградировавший, но ещё и разбитый ЖКИ не представляется возможным. Так что единственным вариантом остаётся лишь выкинуть расколотый экран и поставить туда свой индикатор, а вместе с ним — и схему управления.
Распиновка блока с оригинальной платой оказалась вот такая:

1. Подсветка

2. Подсветка

3. Ничего

4. Ничего

5. Масса

6. Питание

7. Земля

8. Тестирование

9. A/T LIM

10. Ничего

11. ARINC

12. ARINC
    

❯ Исправляем ошибки с тахометром

Когда я говорил о тахометре, я упомянул, что у меня не вышло зажечь лампу предупреждения. Но товарищ Atxmega подсказал, что, вероятно, она исправна, просто необходимо не просто подавать питание, а ещё и создавать условия для её зажигания. Ну что же, самое время это проверить. Подаём на неё питание и включаем самотестирование.

Работает!

❯ Вот как-то так

Как и в прошлом случае, с виду абсолютно простенькие приборы оказались крайне интересными внутри, не только по самому принципу работы, но и по количеству инженерных решений, в них применённых. Этим мне и нравятся подобные устройства — там всегда есть, на что посмотреть.
Такие дела.

• Автор текста: zatim

• Больше интересных фото и комментариев в оригинале материала

Иногда, при разработке устройств на микроконтроллерах, возникает потребность в выводе на дисплей большого количества информации или же в выводе информации на крупный дисплей для возможности ее считывания с большого расстояния. К сожалению, готовых решений этой проблемы нет, а те что есть – весьма дороги. Например, графические ЖК-дисплеи с возможностью подключения к микроконтроллеру обычно имеют диагональ не более нескольких дюймов и достаточно существенную цену (причем, даже монохромные, о цветных вообще можно не говорить).

В то же время есть огромный парк старых ЖК мониторов. Модели с диагональю 15-19 дюймов можно приобрести в рабочем состоянии за 200 – 500 руб. Особенно это касается моделей с немодным сейчас соотношением сторон 4:3. Эти модели достаточно надежные. Лампы CCFL, используемые для подсветки, конечно, теряют яркость за годы эксплуатации и их спектр свечения уходит в неприятный красноватый оттенок, но благодаря большому количеству таких мониторов всегда есть возможность выбрать более-менее живой экземпляр. Кроме того, лампы CCFL относительно несложно заменить обычной светодиодной лентой, подключив ее напрямую к источнику питания 12 В монитора. Однако при этом обычно необходимо заблокировать цепи обратной связи от микросхемы управления подсветкой к контроллеру самого монитора, иначе монитор будет думать что подсветка неисправна и просто выключится. Также придется пожертвовать функцией регулировки яркости. Однако, этой функцией мало кто пользуется. Обычно яркость монитора настраивается один раз в жизни, сразу после его покупки и потом никогда не меняется.

Мной таким образом был доработан монитор диагональю 17” фирмы «Самсунг». Результат меня удовлетворил, монитором вполне можно было продолжать пользоваться по его прямому предназначению. Единственное, хочу отметить, что в моем случае причиной переделки стал пробитый повышающий трансформатор, а не вышедшая из строя лампа CCFL, которые, как я уже говорил, достаточно надежны. Также светодиодные ленты я подключил через ключ на мощном транзисторе npn для того, чтобы подсветка отключалась по команде от контроллера монитора, иначе во время инициализации монитора или переключении режимов на экране видны полосы и неприятные мерцания.

Кроме выхода из строя ламп подсветки и схемы их питания, другой наиболее частой проблемой в таких мониторах следует назвать выход из строя конденсаторов в блоке питания. Иных проблемных мест в мониторах обычно не бывает и после указанной доработки и замены конденсаторов на свежие они наверняка еще проработают не менее 10 лет.

Большинство старых мониторов обычно всегда имеют разъем VGA для подачи на него сигнала от компьютера. Часто присутствует только один этот разъем. Иногда в паре с разъемом DVI (чаще на более дорогих моделях). Разъем HDMI больше встречается на относительно современной технике.

Таким образом, разъем, который с почти 100% вероятностью найдется на старом мониторе – это разъем VGA. На него и будем ориентироваться.

Чтобы вывести изображение на монитор достаточно оперировать всего 5-ю сигналами – R, G, B – отвечающие за цвет и яркость, HS, VS – отвечающие за синхронизацию. Как это сделать, подробно рассмотрено в статьях 1, 2, 3, 4, поэтому не буду повторяться.

В вышеперечисленных статьях для вывода видеосигнала чаще всего используется ПЛИС, которая обычно весьма недешевая. В одном из вариантов сигналы генерируются на микроконтроллере и рассыпухе. Хотелось бы попроще и подешевле одновременно. Поэтому было принято решение использовать ПЛИС, но не PGA, а CPLD. Такие ПЛИС имеют существенно меньше доступных логических ячеек, но также и стоят дешевле. Например, макетную плату ПЛИС MAX II Altera EPM240 мне удалось приобрести на Aliexpress всего за 8,57$ (без учета доставки). Причем, в комплект входил также и программатор. Сами чипы можно найти за 1,6 – 2,1$ (не оригинал, разумеется).

Да, для реализации был выбран текстовый режим, как наиболее простой для микроконтроллера, но, в то же время, достаточно информативный. Некоторые простые графические вещи можно реализовать символами псевдографики, как это широко практиковалось во времена DOS. Для реализации графического режима потребуется передавать большой объем данных от микроконтроллера и дополнительно загружать его формированием графики, что не всегда допустимо, особенно для слабых ядер.

У указанной ПЛИС на борту имеется flash ПЗУ, которое весьма заманчиво использовать для хранения ПЗУ знакогенератора. Однако объем его крайне невелик – всего 8 кБит или 1 кБайт. Этого может хватить только для символов с разрешением 5х7, да и то, если пожертвовать неотображаемыми, малозначительными и визуально идентичными символами из таблицы ASCII. Кроме того, использование встроенного ПЗУ потребует расхода логических ячеек, которых и так немного. Как бы ни был привлекателен этот вариант, придется от него отказаться и использовать микросхему внешнего ПЗУ, взятую, например, из старых материнских плат. Если найти микросхему с питанием 3,3 В, то даже не придется ничего думать насчет согласования уровней напряжений с ПЛИС. Объемы таких ПЗУ достаточно велики – 2/4/8 Мбит или 256...1024 кБайт, что позволяет хранить там большое количество различных шрифтов в хорошем разрешении 8х16.

Для хранения образа экрана также потребуется микросхема ОЗУ. Рассчитаем примерный требуемый объем. Если мы планируем использовать шрифт 8х16, то при разрешении экрана 640х480 мы получим 80 знакомест по горизонтали и 30 строк по вертикали. Значит для хранения образа экрана необходимо 80∙30=2400 байт. Не очень удобное число. Оно лишь ненамного больше чем ближайшая степень двойки – 2048. Поэтому память используется нерационально, всего на 58%, поскольку ближайший объем, кратный степени двойки – 4096. Кстати, именно поэтому получил распространение текстовый режим 80х25, в котором 5 строк были попросту выброшены. В этом случае количество потребной памяти – 2000 байт, что замечательно помещается в объем памяти 2 кБайт. Однако современные микросхемы памяти имеют достаточно большие объемы, экономить ее сейчас смысла особого нет. Более того, можно сознательно пойти на нерациональное использование объема памяти в угоду упрощения логики дешифрации и экономии логических ячеек ПЛИС. Итак, нужен объем 4096 байт (212, 12 бит адреса), который можно разделить следующим образом: 5 бит адреса выделить на адрес строки (будет использовано 30 из 32) и 7 бит на адрес столбца (будет использовано 80 из 128).

Такой же объем памяти потребуется для страницы атрибутов символов. В качестве атрибутов обязательно нужны будут цвет символа, цвет фона, подчеркивание, мигание.

Итого, необходима память размером не менее 8 кБайт. Из вариантов «под рукой» лучше всего подходит статическая память (используемая как кэш-память), также взятая со старых материнок. Единственное, эта память обычно 5-вольтовая. Однако если это память КМОП, она чаще всего без проблем работает и при напряжении 3,3 В, единственное, при этом необходимо закладывать бОльшие тайминги.

Итак, получилась следующая схема.

Как видно, схема включает в себя только 3 микросхемы и минимум внешних деталей. Если применить в качестве основы вышеупомянутую макетную плату EPM240, то кроме нее потребуются только микросхемы ПЗУ, ОЗУ и разъем VGA с пятью резисторами. Подключение сигналов к ПЛИС показано условно, поскольку почти все ее ножки равнозначны (кроме глобальных тактовых сигналов, на один из которых необходимо подать сигнал с тактового генератора). При программировании микросхемы под конкретное устройство почти все сигналы можно будет переназначить. Пока же устройство собрано на макетной плате и этот вопрос можно отложить.

Устройство общается с микроконтроллером по параллельному 8-битному интерфейсу (сигналы с префиксом HOST), логически почти идентичному широко распространенному интерфейсу дисплеев на контроллере 1602 и им подобных. Единственное отличие – добавлен сигнал BUSY от устройства к микроконтроллеру. Его необходимость обусловлена тем, что доступ к микросхеме ОЗУ предоставляется только в момент обратного хода кадровой развертки. В остальное время микросхема занята логикой ПЛИС. Сигнал BUSY также имеет смысл сигнала запроса прерывания. По его перепаду контроллер может автоматически начинать запись в буфер экрана.

Описание интерфейса:

• DATA[7:0] – данные 8 бит, порт однонаправленный, только на запись в устройство.

• CS – выбор устройства, 0 – устройство выбрано, 1 – устройство не выбрано. По положительному перепаду CS защелкиваются данные при записи.

• AD – адрес/данные, при операции записи: 0 – передаются данные, 1 – передается адрес.

• BUSY – занятость устройства, 0 – не занято, 1 – занято. Если устройство занято, операция записи данных в ОЗУ игнорируется. Возможна запись только в регистр адреса.

• RESET – сброс устройства. 0 – сбросе, 1 — работа. Аппаратный сброс можно использовать для мгновенного гашения экрана. При активации этого сигнала прекращается выдача сигнала на монитор. Сброс не влияет на содержимое микросхемы ОЗУ.

Запись данных от микроконтроллера в ОЗУ возможна только во время кадрового гасящего импульса, когда микросхема ОЗУ не занята логикой ПЛИС. Это время составляет 1,440 мс. Несмотря на то, что это довольно-таки большой интервал, при использовании медленных микроконтроллеров может не хватить времени чтобы полностью перезаписать всю область памяти. Например, микроконтроллер AVR при работе на частоте 11,0592 МГц успевает записать только 3 полные строки экрана со всеми атрибутами. Если не перезаписывать атрибуты (как это обычно и происходит при реальном использовании – атрибуты записываются один раз при старте программы), то можно за один раз записать 6 строк. Наверное, если оптимизировать код, переписать его на ассемблере, то можно существенно ускорить обновление данных. Иначе для перезаписи всего экрана может потребоваться от 5 циклов (если обновлять только данные) до 15 циклов (если обновлять еще и атрибуты). При частоте развертки 60 кадров в секунду, это займет от 1/12 до 1/4 секунды. Если кто-то из читателей когда-то работал на машинах класса ХТ или АТ с тактовыми частотами процессора в районе 4 – 12 МГц, то ощущения при обновлении экрана будут примерно такие же.

Если же ждать очередной гасящий импульс неохота и хочется записать все за один присест, можно воспользоваться сигналом RESET. При его активации внутренняя логика ПЛИС останавливается и отключается от микросхемы ОЗУ, давая прямой доступ микроконтроллеру к памяти. Регистры для работы с ОЗУ сигнал сброса не затрагивает.

В общем же случае операции при записи такие: нужно дождаться когда сигнал BUSY станет нулевым, затем необходимо выставить на шину данных нужные данные, выставить сигнал типа данных (адрес или данные) – AD и «щелкнуть» сигналом CS, сначала в лог. 0, затем в лог. 1. При переходе этого сигнала из лог. 0 в лог. 1 данные защелкнутся в памяти. Во время гасящего импульса микросхема ОЗУ напрямую подключается к сигналам HOST микроконтроллера, соответственно, соблюдение таймингов при записи является заботой микроконтроллера. Но, чаще всего, статическое ОЗУ — достаточно шустрое устройство и обычно имеет тайминги существенно меньшие того, с какой максимальной скоростью средний микроконтроллер может управлять своими линиями ввода/вывода.

Микросхема ОЗУ D43256BGU-70LL подключается к ножкам ПЛИС сигналами с префиксом RAM. К этим сигналам относится 8-разрядная шина данных (двунаправленная) и 13-разрядная шина адреса. Из управляющих сигналов используется только сигнал WE. Поскольку на шине RAM микросхема одна и обе шины (адреса и данных) в ее полном и безграничном владении, сигналы OE и CS не используются, на них необходимо подать постоянный лог. 0, соединив их с общим проводом.

Примерно так же подключена (сигналы с префиксом ROM) микросхема ПЗУ SST49LF002A, за исключением того, что шина данных однонаправленная. Сигналы OE и WE этой микросхемы также не используются и напрямую подключены к лог. 0 и лог. 1 соответственно.

На свободные ножки ПЛИС подключены джамперы для выбора текущего шрифта. Поскольку объем микросхемы ПЗУ достаточно велик, это позволяет записать в нее несколько различных шрифтов, в т. ч. и с национальными алфавитами и переключать их простой установкой джамперов.

Разъем VGA подключен к ПЛИС с помощью всего 5 резисторов. Причем, резисторы в цепях HS и VS несут больше защитную функцию и их можно безболезненно исключить. Резисторы в цепях R, G, B подобраны таким образом, чтобы совместно с входным сопротивлением монитора (75 Ом) они образовывали делитель напряжения, уменьшающий напряжение на входе монитора до номинального 0,7 В.

Ножки питания зашунтированы керамическими конденсаторами, а на ножку GCLK0 подается тактовый сигнал частотой 50 МГц от кварцевого генератора. Эти детали уже были на макетной плате.

К сигналу RESET подключены резистор, конденсатор и кнопка, собственно, и формирующие этот сигнал. Но если этот сигнал формируется микроконтроллером, то эти детали не нужны.

После написания основной части планируемой логики работы ПЛИС, оказалось что объем использованных логических ячеек ненамного превысил только половину от имеющихся. В связи с этим появилось желание немного усложнить логику работы, добавить больше возможностей. В первую очередь можно увеличить количество цветов до 16. Для этого нужно использовать еще 3 ножки ПЛИС и добавить в схему еще 3 резистора. Это не слишком усложнит схему, зато добавит еще 8 цветов. В этом случае страницу ОЗУ с атрибутами придется полностью отдать под цвет и добавить еще одну страницу с атрибутами, увеличив на 1 разряд шину адреса ОЗУ. В дополнительную страницу атрибутов можно перенести и выбор шрифта, добавить подчеркивание, моргание символа, моргание фона и т. д.

Новая схема имеет следующий вид. Она не сильно отличается от предыдущей.

При увеличении количества цветов возникает вопрос — какую палитру выбрать? Когда цветов всего 8 такого вопроса нет – все цвета это двоичный перебор трех основных цветов r, g, b (2^3=8). Когда больше – тут возможны варианты. Например, 16-цветная палитра EGA:

Как видно, в этой палитре 4-й бит отвечает за яркость. Но половинки таблицы поделены по яркости неодинаково. Первая половина «настроена» на 2/3 яркости (байт ААH = 170 = 2/3*256). Во второй половине добавляется еще 1/3 яркости (байт 55H = 85 = 1/3*256) и цвета называются bright *color*. Интересный момент: из схемы выбивается цвет №6 (yellow/brown), который по логике должен быть АААА00, но специально сделан АА5500 для того, чтобы малопривлекательный грязно-желтый цвет заменить на более востребованный коричневый. Это известная аппаратная фича видеокарт и мониторов EGA. Причем, в некоторых мониторах это было учтено, а в некоторых моделях с целью упрощения схемотехники на это забивали. А в других даже добавляли отдельный регулятор для настройки (назывался «BROWN ADJ.»), которым можно было отрегулировать желаемый оттенок этого цвета. Поэтому цвет в таблице обозначен как желтый/коричневый.

Нелинейное деление по яркости автоматически приводит к появлению в палитре двух оттенков серого – светло-серого и темно-серого цвета, которые весьма востребованы на практике.

Однако, 16-цветная палитра VGA немного другая. Там цвета делятся по яркости ровно пополам (80Н = 128 = 1/2*256):

В ней также выбивается из логики один цвет – светло серый (С0С0С0), который должен быть черным и, соответственно, дублировать уже имеющийся. Кроме того, этот цвет поменялся местами с темно-серым цветом (808080). Это сделано специально для совместимости 16-цветных палитр VGA и EGA, которые, таким образом, почти идентичны по восприятию.

В нашем же случае, когда сигналы формируются аппаратно с помощью резисторов представляется более удобным использовать палитру EGA. При этом необходимо добавить в логику дешифрации коррекцию только одного цвета – того самого №6. Все остальные цвета получаются автоматически. Для коррекции палитры VGA только изменением программы дело бы не обошлось — понадобилось бы добавлять еще группу резисторов для формирования светло-серого цвета (С0С0С0).

Резисторы должны быть рассчитаны так, чтобы одна группа давала 1/3 яркости, вторая 2/3 яркости, и вместе, соответственно, давали полную яркость. Нехитрыми вычислениями согласно закону Ома были рассчитаны их сопротивления: 390 Ом и 750 Ом.

Логика для формирования видеосигнала для статичного изображения (например, тестовых цветных полос) довольно простая. Однако если необходимо формировать изображение в зависимости от внешних событий или команд, задача несколько усложняется. Необходимо организовать интерфейс с ОЗУ и ПЗУ. Причем, обмен должен происходить не просто быстро, а очень быстро! Попробуем для начала оценить, будут ли вообще выбранные микросхемы успевать работать.

Итак, у нас режим 640х480. Частота вывода пикселей – 25 МГц (вообще то по стандарту должно быть 25,175 МГц, но можно абсолютно безболезненно округлить до 25, VGA, как и многие другие аналоговые стандарты допускает довольно значительный разбег по параметрам), частота кадровой развертки 60 Гц (реально получается – 59,5 Гц), частота строчной развертки – 31,46875 кГц (реально – 31,25 кГц), то есть, время вывода одного пикселя составляет 40 нс, символа шириной 8 бит – 320 нс. За 320 нс необходимо прочитать ASCII код символа (байт), код цвета (байт) и поле атрибутов (байт) из ОЗУ, затем используя ASCII код в качестве адреса прочитать из ПЗУ битовую маску символа. Только после этого у логики ПЛИС будет вся необходимая информация для начала формирования изображения.

Согласно даташиту, для выбранной микросхемы D43256BGU-70LL полный цикл чтения занимает 70 нс. Поскольку мы ее используем при пониженном напряжении, длительность цикла необходимо увеличить. Хотя бы до 100 нс. Таким образом, за 320 нс мы как раз успеем прочитать из ОЗУ 3 байта — ASCII код, код цвета и атрибуты символа. Отлично. С ПЗУ сложнее, в нем адрес записывается в 2 захода – по строкам и столбцам и, согласно описанию, цикл чтения занимает 270 нс. Небыстро, но в 320 нс укладываемся, даже с запасом.

Проблема в том, что мы не можем начать выдавать адрес ПЗУ пока не узнаем как минимум ASCII код, а на это нужно 100 нс. В сумме получается 370 нс. Выручает нас то, что каждый по отдельности цикл чтения ОЗУ и ПЗУ укладывается в допустимый интервал и можно просто потратить на чтение данных не один цикл, а два. На время подготовки данных необходимо сместить область отображения символов, сделав дополнительную область гашения шириной 2 символа в начале строки, и, на те же 2 символа уменьшить область гашения после конца строки. Это сделать несложно – просто смещаем гасящий импульс на 640 нс (соответственно, смещается и синхроимпульс). С точки зрения монитора – никакой разницы.

Для понимания того, что и в какой момент писать и считывать удобно составить циклограмму. Поначалу ее и все тайминги я держал в голове, однако составление ее на бумаге и взгляд на нее со стороны позволил существенно оптимизировать циклы чтения и даже уменьшить количество использованных дефицитных регистров.

Цикл начинается с выставления на шину адреса ОЗУ адреса байта ASCII символа. Через 80 нс на шине данных ОЗУ появляется запрошенный байт, который мы незамедлительно используем для формирования адреса для чтения байта из ПЗУ знакогенератора. На отметке 100 нс выставляем на шину адреса ОЗУ адрес байта атрибутов символа. На 140 нс (через 60 нс после выставления адреса) защелкиваем первую часть адреса ПЗУ. Ждем еще 60 нс и выставляем на шину адреса ПЗУ вторую часть адреса. К этому времени на шине данных ОЗУ уже должен быть байт данных с атрибутами символа, 5 бит которого (подробные описания регистров ниже) отвечают за шрифт и входят во вторую часть адреса ПЗУ. Оставшиеся 3 бита данных сохраняются во временном регистре 2. Еще через 60 нс защелкиваем вторую часть адреса ПЗУ. Данные на шине данных ПЗУ появятся через 120 нс после этого события и это произойдет уже во время второго цикла. Чтобы циклы не пересекались, эти данные запишем во временный регистр 1 (на отметке 80 нс). И, наконец, на отметке 300 нс необходимо переписать все подготовленные данные в рабочие регистры. Битовая маска символа из временного регистра 1 переписывается в регистр rom_reg, применяются ранее сохраненные биты атрибутов к считанному в этот момент байту с цветом.

Таким образом, к концу второго цикла будут готовы все данные для вывода символа.

Основные регистры:

Запись данных из микроконтроллера в ОЗУ происходит следующим образом. Дожидаемся когда сигнал BUSY станет нулевым, записываем в регистры адреса начальные адреса, куда будут записываться данные (чаще всего это адрес 0 – адрес начала страницы данных, но может быть и произвольный адрес если необходимо изменить только несколько байт). Затем записываем необходимые данные. После записи каждого байта, адрес автоматически увеличивается на 1. При подходе к краю экрана (80-й символ в строке) адрес положения символа в строке автоматически обнуляется, а адрес строки увеличивается на 1. После записи всей страницы данных адрес автоматически переключается на запись страницы атрибутов, а после страницы атрибутов – на запись страницы цвета. После записи всех трех страниц адрес также автоматически обнуляется и начинается запись в страницу с данными. Таким образом, начальный адрес можно выставить только один раз и далее гнать только данные. Это позволяет сэкономить несколько мкс на установку адреса, а также упрощает программирование, когда закинуть все данные можно в одном цикле на 7200 итераций.

Формат данных для записи данных (AD=0):

data page
[7 - 0]
sym ASCII (8 bit)

На странице данных хранятся ASCII коды символов.

attribute page
[7 - 3] [2 - 0]
font (5 bit) sym attribute (3 bit)

sym attribute (3 bit):
bit 0 – symbol blinking
bit 1 – background blinking
bit 2 – underline symbol

На странице атрибутов хранятся шрифты и атрибуты символов. Младшие два бита отвечают за аппаратное моргание символа или фона, третий бит – за формирование подчеркивания. Старшие биты выбирают шрифт. Соответственно, можно выводить на экран символы из разных шрифтов вперемешку в любой комбинации. 5 разрядов для выбора шрифта позволяют хранить 32 разных шрифта, включающие как любые символы национальных алфавитов, так и спрайты для вывода картинки, например.

color page
[7 - 4] [3 - 0]
background color (4 bit) symbol color (4 bit)

Страница цвета содержит, соответственно цвет символа и цвет фона. Цвета могут быть любые из 16-цветной палитры.

Регистров адреса — 3. Выбор, в какой конкретно из них идет запись осуществляется старшими битами. Если старший бит [7] равен лог. 0, то записывается регистр позиции в строке (столбец). Если он равен лог. 1, то записывается регистр номера строки (строка) и номера страницы ОЗУ (данные или атрибуты или цвет). Если три старших бит равны лог. 1 то записывается специальный управляющий регистр, биты 4, 3 которого определяют положение аппаратно формируемой черты при включении бита подчеркивания, биты 2 – 0 зарезервированы для будущих настроек.

Формат данных для записи адреса (AD=1):

[7] [6 - 0]
0 sym col pos (7 bit)

Регистр хранит позицию в строке.

[7] [6 - 5] [4 - 0]
1 page (2 bit) sym row pos (5 bit)

page: 00 – data page, 01 – attribute page, 10 – color page

Регистр хранит номер строки и выбор страницы.

[7 - 5] [4 - 0]
1 1 1 control reg (5 bit)

control reg: bit 4,3 – adjust underline
00 – 11 and 12 lines
01 – 12 and 13 lines
10 – 13 and 14 lines
11 – 14 and 15 lines

bit 2,1,0 – for future use

Специальный управляющий регистр.

Если задать адрес вне диапазона 0-79 по столбцу и 0-29 по строке, то данные начнут записываться в теневую область памяти, которая не отображается на экране. Ничего страшного в этом нет, после прохождения адреса 128 данные снова запишутся в видимую область. Была идея использовать теневую область данных как дополнительное ОЗУ для микроконтроллера. При этом, шину данных необходимо сделать двунаправленной и добавить сигнал чтения/записи. Однако от этого было решено отказаться с целью упрощения интерфейса. Тем более, что современные микроконтроллеры не испытывают настолько сильного недостатка в ОЗУ, как это было раньше. Кроме того, доступ к этому ОЗУ происходит не в любое время по желанию микроконтроллера, а также только во время гасящего импульса.

Внутренние регистры ПЛИС (некоторые):

hreg[10:0] min-0, max-1599
[10 - 4] [3 - 1] [ 0 ]
sym col pos (7 bit) sym col (3 bit) tact bit

Регистр содержит текущее положение развертки по горизонтали. Тактируется от частоты 50 МГц, что в 2 раза больше необходимых 25 МГц, поэтому младший бит (tact bit) не используется. Соответственно, биты с 1 по 3 обозначают позицию внутри символа, биты с 4 по 10 – позицию символа в строке. При достижении значения 1600 регистр обнуляется и на 1 увеличивается регистр vreg.

vreg[9:0] min-0, max-524
[9] [8 - 4] [3 - 0]
0 sym row pos (5 bit) sym row (4 bit)

Регистр содержит текущее положение развертки по вертикали. Тактируется от регистра hreg. Соответственно, биты с 0 по 3 обозначают строку внутри символа, биты с 4 по 8 – строку символов. Бит 9 попадает уже в область гашения, поэтому не используется. При достижении значения 525 регистр обнуляется.

ram_addr_int[13:0], ram_addr_ext[13:0]
[13 - 12] [11 - 7] [6 - 0]
page (2 bit) sym row pos (5 bit) sym col pos (7 bit)

page: 00 – data page 01 – color page, 10- attr page

Регистры содержат текущее значение адреса для доступа к ОЗУ (всего 16 кБайт). Младшие 7 бит – адрес символа в строке (столбец), затем 5 бит – адрес строки и 2 бита – адрес страницы (данные, атрибуты или цвет). Этих регистров 2 – один для внутреннего использования логикой ПЛИС, второй управляется извне, микроконтроллером и может быть изменен только им.

rom_addr[10:0] row
[10 - 4] [3 - 0]
ASCII code (7 bit) sym row (4 bit)

rom_addr[10:0] col
[10 - 6] [5 - 1] [0]
0 0 0 0 0 font (5 bit) ASCII code[7]

Регистр адреса ПЗУ, записывается в два приема. Содержит адрес строки символа, ASCII код символа и адрес шрифта. Эти адреса расположены таким образом, что в ПЗУ можно прошивать стандартные файлы шрифтов *.fnt без какой-либо дополнительной обработки, просто подряд. Объединить несколько шрифтов в один файл для прошивки можно, например, программой редактирования файлов WinHex. Главное, чтобы шрифты были с разрешением 8х16.

rgb[5:0]
[5 - 3] [2 - 0]
rgb color 1/3 rgb color 2/3

Регистр вывода цвета. Этот регистр подключен непосредственно к ножкам ПЛИС, подающие сигналы R, G, B на монитор. Младшие 3 бита подают сигнал уровнем 2/3 яркости (должны подключаться к резисторам 390 Ом), старшие подают сигнал уровнем 1/3 яркости (их необходимо подключить к резисторам 750 Ом).

Файлы проекта выложены на Гитхаб.

Поскольку объем данных ПЗУ достаточен, на монитор также можно выводить и графические изображения. При этом, изображение необходимо разбить на спрайты размером 8х16 и зашить в ПЗУ знакогенератора. Изображение только должно удовлетворять двум требованиям: чтобы в пределах одного спрайта было использовано не более двух цветов из палитры и количество спрайтов не превышало 256. Как, например, на изображении ниже. За специально подготовленное изображение спасибо художнику A_Foxli.

К слову сказать, уложиться в 256 спрайтов — задача не из легких, именно поэтому изображение выглядит больше как детский рисунок. В процессе подгонки его приходилось несколько раз упрощать. Рисование спрайтами отлично подходит, например, при выводе на экран логотипа фирмы.