Tworzenie najlepszego komputera w stylu retro

Chociaż sam go złożyłem, a całe oprogramowanie pochodzi z projektu DIY o otwartym kodzie źródłowym, pod wieloma względami mój MiSTer jest najbardziej wszechstronnym komputerem, jaki posiadam. To zmieniające kształt cudowne pudełko, które może zmienić własną logikę, aby działać jak niezliczone inne maszyny tak dokładnie, jak to możliwe. Od starych płyt arkadowych po wczesne komputery PC i klasyczne konsole, programiści MiSTer poświęcają się pomocy w przekształceniu go w stale rozszerzającą się gamę sprzętu.

Jeśli kiedykolwiek chciałeś użyć oprogramowania lub sprzętu komputerowego, który nie jest już dostępny w sprzedaży, prawdopodobnie już wcześniej spotkałeś się z emulacją. To olbrzymia dziedzina, która często obejmuje mnóstwo osób pracujących nad technicznie wymagającym wyczynem: jak napisać oprogramowanie, które pozwala jednemu komputerowi uruchamiać kod napisany dla innego. Ale jest tylko tyle tradycyjnych emulatorów, które mogą zrobić. Zawsze istnieją nieodłączne kompromisy i zawiłości związane z uruchomieniem obecnego sprzętu do obsługi oprogramowania, do obsługi którego nigdy nie został zaprojektowany. Emulowane systemy operacyjne lub gry wideo często napotykają spowolnienie, opóźnienia i błędy, których nigdy nie napotkałeś na oryginalnych urządzeniach. A co by było, gdyby istniał sposób na zmianę samego sprzętu?

Cóż, to jest Pan. Jest to projekt typu open source oparty na technologii FPGA (Field-Programmable Gate Array), co oznacza, że ​​wykorzystuje sprzęt, który można ponownie skonfigurować po fakcie. Podczas gdy tradycyjne procesory są naprawiane od momentu produkcji, układy FPGA można przeprogramować tak, aby działały tak, jakby schodziły bezpośrednio z taśmy przenośnika z rzeczywistym krzemem, którego chcesz użyć.

Oznacza to, że nie oszukujesz procesora, aby uwierzył, że to coś innego, tylko od samego początku konfigurujesz go tak, aby działał w ten sposób. System MiSTer może teoretycznie uruchamiać oprogramowanie od NES do Neo Geo, do Apple II lub Acorn Archimedes i zapewniać responsywną, niemal tak samo dokładną wydajność, jaką można uzyskać z rzeczywistych urządzeń.

Oczywiście nie jest to takie proste, jak to brzmi. Aby zaprogramować FPGA tak, aby działał jak komputer sprzed trzech dekad, musisz dokładnie zrozumieć oryginalny sprzęt. I to sprawia, że ​​MiSTer jest jednym z najfajniejszych technicznie projektów DIY, które są obecnie realizowane, opierając się na wiedzy programistów z całego świata.

FPGA nie są nową technologią. Dwie wczesne firmy w tej dziedzinie (przepraszam) to Altera, obecnie należąca do Intela, i Xilinx, obecnie część AMD. Obaj konkurowali od lat 80-tych o udział w rynku programowalnych urządzeń logicznych, głównie obsługujących klientów korporacyjnych. Jedną z największych zalet układów FPGA na skalę przemysłową jest to, że firmy mogą iterować swoje oprogramowanie na sprzęcie, zanim będą musiały wyprodukować ostateczny układ krzemowy. FPGA są szeroko stosowane do tworzenia systemów wbudowanych, na przykład dlatego, że oprogramowanie i sprzęt mogą być projektowane niemal jednocześnie.

Możesz być zaznajomiony z układami FPGA, jeśli natknąłeś się na butikowe klony konsoli Analogue, takie jak Mega Sg i Super Nt. Używają one FPGA zaprogramowanych w określony sposób do replikacji pojedynczego, określonego sprzętu, dzięki czemu można używać z nimi oryginalnych fizycznych wkładów i uzyskać wrażenia bardzo zbliżone do rzeczywistych konsol.

Projekt MiSTer jest oparty na bardziej dostępnym sprzęcie FPGA, niż można znaleźć w zastosowaniach komercyjnych lub korporacyjnych. Rdzeniem systemu jest płyta FPGA o nazwie DE10-Nano, wyprodukowana przez inną należącą do Intela firmę o nazwie Terasic z Tajwanu. Pierwotnie był przeznaczony dla studentów jako sposób na nauczenie się pracy z układami FPGA.

DE10-Nano wygląda nieco podobnie do Raspberry Pi – jest to malutka płyta główna, która jest dostarczana bez obudowy i została zaprojektowana do rozbudowy. Sprzęt obejmuje Altera Cyclone V z dwoma rdzeniami procesora ARM Cortex-A9, 1 GB pamięci DDR3 SDRAM, wyjście HDMI, gniazdo kart microSD, port USB-A i łączność Ethernet. Działa na systemie operacyjnym Linux po wyjęciu z pudełka i kosztuje około 135 USD, czyli 99 USD dla studentów.

MiSTer jest inspirowany MiST, wcześniejszym projektem, który wykorzystał płytkę Altera FPGA do odtworzenia Atari ST. Ale DE10-Nano jest tańszy, mocniejszy i możliwy do rozbudowy, dlatego lider projektu Alexey Melnikov użył go jako podstawy dla MiSTer, gdy rozwój rozpoczął się kilka lat temu. Melnikov zaprojektował również płyty rozszerzeń specyficzne dla MiSTer, które zwiększają możliwości DE10-Nano i sprawiają, że gotowa maszyna jest dużo bardziej wszechstronna; projekty są open-source, więc każdy może je produkować i sprzedawać.

Możesz uruchomić MiSTera na jednym DE10-Nano, ale nie jest to zalecane, ponieważ sama płyta obsługuje tylko kilka dostępnych rdzeni. („Rdzeń” to odtworzenie określonej konsoli lub komputera zaprojektowanego do działania na platformie MiSTer). Jedyną aktualizacją, którą należy uznać za niezbędną, jest 128 MB pamięci SDRAM, która zapewnia MiSTer wystarczającą ilość pamięci z odpowiednią szybkością, aby uruchamiać wszystko, co do tej pory wydano na platformę.

Poza tym prawdopodobnie będziesz potrzebować obudowy, zakładając, że wolisz nie uruchamiać otwartych obwodów narażonych na działanie elementów. Dostępne są różne projekty obudów, z których wiele jest przeznaczonych do użytku z innymi dodatkami specyficznymi dla MiSTer, które można pionowo przymocować do DE10-Nano. Na przykład płyta I / O nie jest konieczna dla większości rdzeni, ale dodaje port VGA wraz z cyfrowym i analogowym wyjściem audio, co jest przydatne w różnych konfiguracjach. (Wielu użytkowników MiSTer woli podłączyć swoje systemy do telewizorów CRT, aby w pełni wykorzystać autentyczny sygnał wyjściowy i małe opóźnienia). Możesz dodać radiator lub wentylator, co może być dobrym pomysłem, jeśli chcesz uruchomić system przez dłuższy czas. Jest też płyta koncentratora USB, która dodaje siedem portów USB-A.

Do mojej konfiguracji zamówiłem DE10-Nano, pamięć 128 MB SDRAM, kartę VGA I / O z wentylatorem, płytę koncentratora USB i obudowę zaprojektowaną do precyzyjnego doboru sprzętu. Te w dużej mierze pochodziły z różnych źródeł i pojawiały się w różnym czasie; możesz zamówić DE10-Nano w niezliczonych sklepach komputerowych, ale inne akcesoria MiSTer obejmują zanurzenie się w branży nowych projektów i sprzedawców. Połowa moich części dotarła w zniszczonym pudełku z Portugalii, wypełnionym rozdrobnionym papierem i luźno przymocowaną folią bąbelkową.

Akcesoria MiSTer są oparte na oryginalnych projektach Melnikova, ale ponieważ projekt jest open-source, wielu sprzedawców dostosowuje własne wersje. Na przykład mój przypadek zawiera kabel krosowy, który podłącza się bezpośrednio do płyty IO, aby sterować jej oświetleniem, podczas gdy inne wymagają samodzielnego poprowadzenia diod LED. W międzyczasie płyta USB została wyposażona w mostek do DE10-Nano, który wydawał się mieć inną wysokość niż większość innych, co oznaczało, że musiałem trochę zaimprowizować z rozmieszczeniem śrub. Nic, co zamówiłem, nie było dostarczane z instrukcjami, więc ustalenie, co powinno się znaleźć, zajęło trochę czasu, ale ostatecznie wszystko działało dobrze. Jedyną rzeczą, jaką musiałem zrobić, było kupienie małego śrubokręta sześciokątnego do ostatnich śrub w obudowie.

To część zabawy z MiSTer. Istnieje podstawowa specyfikacja, w której wszystko działa, ale ostatecznie ostatecznie montujesz swój własny komputer FPGA i możesz dostosować kompilację tak dużo lub tak mało, jak chcesz.

Po skonfigurowaniu sprzętu musisz zainstalować oprogramowanie MiSTer. Jest na to kilka sposobów i będziesz chciał poszperać fora i GitHub przez chwilę, więc wiesz, co robisz, ale metoda, którą wybrałem, była w końcu prosta – zasadniczo formatujesz kartę microSD za pomocą pakietu instalacyjnego, wkładasz ją do DE10-Nano, podłączasz Ethernet kabel i klawiaturę USB, włącz system, a pobierze wszystkie dostępne rdzenie. Twoja karta SD zostanie następnie skonfigurowana do bezpośredniego uruchamiania systemu MiSTer OS i możesz uruchomić inny skrypt, aby upewnić się, że wszystko jest zaktualizowane do najnowszych wersji.

System operacyjny MiSTer jest bardzo prosty, z domyślnym tłem, które wygląda jak piksele statyczne w telewizorze i podstawowym menu w czcionce o stałej szerokości, która pozwala wybierać z list rdzeni konsoli i komputerów. Pierwszą rzeczą, jaką zrobiłem, było załadowanie starych ROMów Game Boy Advance, które wyrzuciłem ponad dekadę temu, ponieważ z jakiegoś powodu Nintendo nie chce ich sprzedawać na Switcha. (Proszę sprzedać je na Switcha, Nintendo.) Wydajność wydawała się tak autentyczna, jak mogłem się spodziewać, z wyjątkiem faktu, że zamiast małego ekranu patrzyłem na telewizor 4K.

Moim głównym powodem wejścia do MiSTer jest sprzętowy sposób dostępu do części historii komputera, które przegapiłem, lub powrót do zapomnianych platform, dla których byłem w pobliżu. Wiedziałem, że systemy komputerowe, takie jak Apple II i Amiga, były dużymi lukami w mojej wiedzy, więc wspaniale jest mieć małe pudełko, które może działać jak każdy z nich na polecenie. Dostałem się także na platformę MSX, która była popularna w Japonii w latach 80-tych. Mój kolejny projekt na deszczowy dzień to praca nad instalacją RISC OS, systemu operacyjnego Acorn, który był na pierwszych komputerach, których używałem w szkole w Wielkiej Brytanii. (Właściwie możesz nadal Kup licencjonowane kopie ROM różnych wersji systemu operacyjnego, co było miłą niespodzianką.)

Rozwój MiSTer to tętniąca życiem scena. Melnikov ma Patreona jest aktualizowany kilka razy w tygodniu o ulepszenia, które wprowadził do różnych rdzeni, ale jest wiele innych osób, które codziennie lub co tydzień wspierają projekt. Kolega zapoznał mnie z pracą Jose Tejadana przykład, który ma siedzibę w Hiszpanii i poczynił ogromne postępy w powielaniu starych tablic do automatów do gier firmy Capcom. Jest inny projekt mając na celu uruchomienie oryginalnej PlayStation, co oznacza największy jak dotąd krok w dziedzinie sprzętu 3D na MiSTer.

Często mówi się o FPGA, jakby były srebrną kulą zapewniającą doskonałą emulację, ale tak naprawdę nie jest – przynajmniej nie bez dużego wysiłku. Wszystko, co działa idealnie na MiSTer lub tak blisko doskonałości, jak w inny sposób niezauważalne, jest wynikiem mnóstwa pracy utalentowanych programistów, którzy spędzili czas na opracowywaniu oryginalnego sprzętu i zastosowaniu wiedzy w swoich rdzeniach. Po prostu czytaj ten post z projektu FPGA PSX o tym, co trzeba było zrobić Ridge Racer bieganie na MiSTerze, a także ocena, jak daleko muszą się posunąć. Rdzenie mogą różnić się jakością, dokładnością i stanem ukończenia, ale wiele z nich jest nadal w fazie aktywnego rozwoju, a w ciągu ostatnich kilku lat poczyniono ogromne postępy.

Główny inżynier sprzętu analogowego Kevin Horton rozmawiałem z The Verge w 2019 roku o pracy, która polegała na ponownym stworzeniu Sega Genesis na konsolę Mega Sg. Proces ten zajął mu dziewięć miesięcy, w tym dwa i pół miesiąca na ustalenie procesora w sercu konsoli. „Nie znałem Genesis zbyt dobrze i nie wiedziałem dosłownie nic o procesorze 68000!” powiedział. „To był mój pierwszy kontakt z obydwoma rzeczami i prawdopodobnie spowolnił proces, ponieważ musiałem się tego wszystkiego nauczyć”.

Ostatecznie Horton potwierdził dokładność swojej pracy, podłączając bezpośrednio 68000 do FPGA i porównując ich wydajność w teście, który trwał tydzień z rzędu. Pokazuje, jak daleko idą entuzjaści FPGA w dążeniu do jak najdokładniejszych wyników, ale to, co wyróżnia MiSTer, to to, że jest to w dużej mierze praca hobbystów. Nikt nie płaci nikomu pensji za stopniowe modyfikacje wydajności arkadowej wersji Bionic Commando, ale właśnie tam Tejada skierował swoją pasję.

MiSTer to ważny projekt, ponieważ nawiązuje do koncepcji konserwacji w sposób, który zbyt często jest niedoceniany przez przemysł technologiczny. Projekt wysuwa argument, że sposób, w jaki uruchamiamy oprogramowanie, jest równie dużą częścią naszego doświadczenia, jak jego zawartość. Tak, możesz przenosić, emulować lub ponownie wydawać oprogramowanie, aby działało na nowoczesnym sprzęcie, ale zawsze będzie istniał kompromis w podstawowym kodzie, który przesuwa piksele na twoich oczach.

Oczywiście może to brzmieć jak niszowa troska dla każdego, kto jest zadowolony, powiedzmy, z emulowanego oprogramowania, które można uruchomić w przeglądarce pod adresem Archive.org. Często jestem jedną z tych osób – emulacja może być świetna i ciężko jest pobić wygodę. Ale projekt MiSTer to mimo wszystko niesamowity wysiłek. Nigdy nie będę miał ani odrobiny wiedzy technicznej posiadanej przez programistów MiSTer, ale jestem wdzięczny za ich wysiłek. Kiedy już zbudujesz swój własny system, ciężko jest nie czuć się zainwestowanym w pracę, która się w niego włączy; MiSTer to niekończące się dążenie do doskonałości i jest w tym coś pięknego.

Zdjęcia: Sam Byford / The Verge