Проект SpeccyBoot [1] (автор Patrik Persson) позволяет загружать компьютер ZX Spectrum через сеть Ethernet. Сетевая загрузка использовалась для бездисковой загрузки рабочей станции несколько лет назад, но все еще используется для загрузки плат разработчика встраиваемых систем.

[Как работает сетевая загрузка]

Обычно процесс загрузки через сеть работает следующим образом:

1. Машина (компьютер, плата разработчика с микроконтроллером) запускается и использует протокол DHCP или BOOTP для получения сетевого адреса (IP).
2. Машина загружает с сервера исполняемый файл по протоколу TFTP.

SpeccyBoot это устройство, которое делает то же самое с домашним компьютером ZX Spectrum. Устройство подключается к порту расширения ZX Spectrum, и через него получает соединение с Вашей локальной сетью Ethernet. SpeccyBoot использует широко распространенные протоколы, основанные на протоколе IP, так что процедура загрузки работает со стандартным программным обеспечением.

Это дает нам возможность виртуально загрузить в Spectrum любую программу за несколько секунд вместо утомительной и подверженной ошибкам загрузки с аудиокассеты. Программы упакованы как снапшоты памяти *.z80, которые можно создать из любого современного эмулятора Spectrum, или они могут быть получены из архивов сайта World of Spectrum [2].

Процедура загрузки через SpeccyBoot. Когда Вы включаете питание ZX Spectrum, оборудованного платой SpeccyBoot, то происходит следующее:

1. Если при этом была нажата кнопка Caps Shift, то машина загрузится в BASIC, и не будут произведены шаги конфигурирования, описанные далее.
2. Через DHCP будет получен сетевой адрес IP.
3. По протоколу TFTP с сервера загрузится файл snapshots.lst.
4. Содержимое файла snapshots.lst отобразится как меню. Когда был выбран нужный снапшот, он загружается по TFTP и затем запускается.

Имеются функциональные ограничения (хотя это и не критично):

1. Нет поддержки ручного (статического) назначения IP-адреса, возможно только динамическое назначение IP (через DHCP).
2. Сервер TFTP ищется широковещанием на начальном запросе чтения. Таким образом, в сети должен быть только один сервер TFTP.
3. Не поддерживается больше одного устройства SpeccyBoot в одной локальной сети, потому что MAC-адрес фиксирован.

Демонстрационное видео:

Как устроен SpeccyBoot. На рисунке ниже показана логика внутреннего устройства SpeccyBoot. Устройство подключается к стандартному коннектору расширения Spectrum (expansion bus), и для подключения к локальной сети использует Ethernet контроллер ENC28J60 [3] компании MicroChip. Контроллер через развязывающий трансформатор физически соединен с сетью Ethernet. Этот контроллер обменивается с компьютером ZX Spectrum по протоколу SPI, используя очень простой хост SPI. И наконец, в устройстве также есть память EEPROM на 8 килобайт (28C64 или аналогичная), предназначенная для поддержки стека используемых протоколов.

Программно/аппаратный интерфейс. Железо SpeccyBoot управляется записями и чтением через один 8-битный управляющий регистр, размещенный по адресу 0x9F в адресном пространстве ввода/вывода Z80. Данные записываются в SpeccyBoot и читаются обратно через один и тот же адрес. Отдельные биты данных используются для следующих целей:

[Совместимость с разными версиями ZX Spectrum]

Автор SpeccyBoot использовал его вместе с ZX Spectrum 128. SpeccyBoot должен точно так же нормально работать и 48-килобайтной версией ZX Spectrum, и даже наверное с 16-килобайтной. Тестирование на эмуляторе Fuse (Free Unix Spectrum Emulator [6]) подтверждает это.

Поздние машины Amstrad Spectrum (+2A/+2B/+3) имеют другую цоколевку коннектора расширения (expansion connector), и не будут напрямую работать со SpeccyBoot так, как здесь описано. Конечно, можно слегка изменить плату SpeccyBoot, чтобы можно было подключить её к одной из этих машин, однако у автора SpeccyBoot не было такой возможности.

[Как самостоятельно собрать SpeccyBoot]

Для сборки SpeccyBoot нужно выполнить 3 основные шага: сделать плату и спаять схему, собрать программное обеспечение [5], прошить программное обеспечение в ПЗУ EEPROM SpeccyBoot.

Автор собрал схему на обычной плате для лабораторного макетирования. Для этого не нужно особо продвинутых навыков. Вот несколько замечаний по дизайну аппаратуры SpeccyBoot:

1. Для сетевого интерфейса Ethernet была использована плата разработчика ENC28J60-H компании Olomex [7]. Это значительно упрощает сборку конструкции. Можно использовать и другие аналогичные платы, которые доступны для покупки на сайте aliexpress.com.

2. Перемычка JP1, когда она установлена, запрещает EEPROM 28C64 (это полезно, когда в ней содержится мусор, например когда 28C64 не прошита).

В таблице приведена приблизительная стоимость компонентов (исключая плату, коннекторы и другую мелочь):

Если Вы захотите вместо готового модуля Ethernet самому собрать его на микросхеме ENC28J60 (ИМХО это довольно бессмысленно при наличии дешевых аналогов модулей на сайте Aliexpress), то придется в таблицу добавить несколько дополнительных внешних компонентов (таких как коннектор Ethernet, согласующий трансформатор, кварцевый резонатор и т. п.). Это может снизить общую стоимость компонентов до примерно 10 евро (но только не в сравнении с китайскими дешевыми модулями ENC28J60). Подробную информацию по подключению микросхемы ENC28J60 и её цоколевке см. даташит [3].

Сборка программного обеспечения SpeccyBoot. Выполните в консоли следующие команды:

sudo apt-get install git make gcc sdcc
git clone https://github.com/patrikpersson/speccyboot.git
cd speccyboot
make

Это работает на любом современном дистрибутиве Debian Linux или Ubuntu Linux. Некоторые релизы sdcc имеют проблемы с компиляцией определенных макросов в исходном коде SpeccyBoot. Автор использовал для компиляции sdcc 3.4.0.

После того, как сборка завершится, в рабочем каталоге получится файл speccyboot.wav. Этот WAV-файл включает программу SpeccyBoot и приложение загрузчика, оба в формате, который принимает ZX Spectrum. Автор загружал WAV-файл с помощью телефона, запустив его в проигрывателе.

make clean && make DGBOOT=1

Прошивка (установка ПО) устройства.

1. Запустите BASIC. Если у Вас уже установлена предыдущая версия SpeccyBoot, то удерживайте для этого клавишу CAPS SHIFT, когда сбрасываете или включаете питание ZX Spectrum. Иначе замкните JP1, чтобы запретить EEPROM, и включите питание ZX Spectrum.

2. Обычным образом загрузите в ZX Spectrum файл speccyboot.wav - так же, как загружаете любую программу с магнитофонной кассеты. После нескольких минут загрузки появится следующий экран:

3. Снимите перемычку JP1, чтобы разрешить EEPROM (если это еще не было сделано).

4. Нажмите кнопку 1, 2 или 3 (в зависимости от модели EEPROM, которую Вы используете). Новое программное обеспечение будет записано в EEPROM. Если Вы хотите использовать защиту от записи, управляемую программным обеспечением, то этот шаг займет около 6 секунд, иначе завершится примерно за 1 секунду.

5. После успешного завершения процесса записи отобразится следующий экран:

Если на этом шаге произошла ошибка, повторите все заново, начиная с шага 1, и убедитесь, что правильно устанавливаете перемычку JP1.

6. Перезагрузите Ваш Spectrum. Он должен запуститься теперь под управлением только что записанного ПО SpeccyBoot.

[Как использовать SpeccyBoot]

Конфигурация сервера TFTP. Вам потребуется установить и/или активировать сервер TFTP на компьютере в Вашей локальной сети. К счастью, ПО для сервера TFTP свободно доступно для большинства платформ. Ваш сервер TFTP должен уметь отвечать на широковещательные запросы, потому что их использует SpeccyBoot. Большинство серверов TFTP (но не все) поддерживают такую возможность, и у некоторых нужно явно разрешить эту опцию.

Большинство вариантов операционных систем UNIX либо по умолчанию имеют установленный сервер TFTP, либо позволяют очень просто его установить. Также есть серверы TFTP и для Microsoft Windows от сторонних производителей.

sudo apt-get install xinetd tftpd

service tftp
{
   protocol = udp
   port = 69
   socket_type = dgram
   wait = yes
   user = nobody
   server = /usr/sbin/in.tftpd
   server_args = var/lib/tftpboot -s
   disable = no
}

sudo launchctl load -w /System/Library/LaunchDaemons/tftp.plist

SNAPDIR=/var/lib/tftpboot/speccyboot   # < -- подстройте этот путь, чтобы
                                       # он соответствовал Вашему дистрибутиву
sudo mkdir -p $SNAPDIR
sudo chown < имя_пользователя > $SNAPDIR<
cp < путь_до_снапшотов >/*.z80 $SNAPDIR

Обновление индекса снапшотов. После того, как Вы создали директорию для снапшотов, как показано выше, и после того, как Вы добавили туда снапшоты и/или удалили некоторые из них, нужно обновить индекс SpeccyBoot. Это список (рассортированный по именам файлов без учета регистра), находящийся в текстовом файле с именем snapshots.lst. Протокол TFTP не имеет команды "list directory", поэтому этот файл нужен для того, чтобы SpeccyBoot мог получить список снапшотов с сервера TFTP.

На машине UNIX для обновления индекса можно использовать скрипт speccyboot-update. Он находится в директории utils пакета исходного кода SpeccyBoot [5], и устанавливается в каталог /usr/local/bin путем запуска make install из директории speccyboot/utils дерева каталогов исходного кода SpeccyBoot.

После того, как speccyboot-update установлен, Вы можете обновлять индекс снапшотов в любой момент (например, когда добавили новый снапшот) простым запуском команды:

speccyboot-update

Загрузка снапшотов. Если конфигурация TFTP сервера, как это описано выше, выполнена, то Вы можете попробовать, как работает SpeccyBoot. Подключите его в коннектор расширения ZX Spectrum и Ethernet к модулю ENC28J60, и включите питание. На экране ZX Spectrum Вы должны увидеть IP-адрес SpeccyBoot и сервера TFTP, и получить Ваш список снапшотов. Используйте кнопки со стрелками для навигации по списку снапшотов, и алфавитно-цифровые клавиши для прямого перемещения по списку к тому имени, которое начинается с буквы/цифры нажатой клавиши. Используйте клавишу Enter для загрузки выбранного снапшота.

Чтобы загрузить BASIC вместо меню SpeccyBoot удерживайте клавишу Caps Shift в момент сброса/включения питания ZX Spectrum.

[Устранение проблем]

Если SpeccyBoot испытывает проблемы, то цвет бордюра экрана покажет, что не так:

$ModLoad imtcp
$InputTCPServerRun 514

sudo apt-get install uml-utilities

auto fuse_tap
iface fuse_tap inet static
  address 192.168.100.1
  netmask 255.255.255.0
  pre-up tunctl -g adm -t fuse_tap
  post-down tunctl -d fuse_tap

sudo apt-get install tftpd xinetd isc-dhcp-server

INTERFACES="fuse_tap"

ddns-update-style none;
default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;
authoritative;
log-facility local7;
option subnet-mask 255.255.255.0;
option broadcast-address 192.168.100.255;
option routers 192.168.100.1;
subnet 192.168.100.0 netmask 255.255.255.0 {
  range 192.168.100.100 192.168.100.200;
}

service tftp
{
   protocol = udp
   port = 69
   socket_type = dgram
   wait = yes
   user = nobody
   server = /usr/sbin/in.tftpd
   server_args = var/lib/tftpboot -s
   disable = no
}

fuse --speccyboot --speccyboot-tap=fuse_tap

[Ссылки]

1. SpeccyBoot site:patrikpersson.github.io.
2. World of Spectrum site:worldofspectrum.org.
3. ENC28J60 - Ethernet Controller site:microchip.com.
4. Z80 File Format site:worldofspectrum.org.
5. patrikpersson/speccyboot site:github.com.
6. Fuse - the Free Unix Spectrum Emulator site:fuse-emulator.sourceforge.net.
7. ENC28J60-H site:olimex.com.