V laboratoriju Računalniškega muzeja smo se odločili med starimi napravami poiskati Iskrin 4-bitni mikrokontroler oziroma mikroračunalnik (kot so jim takrat radi rekli) EMZ-1001, ki so ga razvili in načrtali na Fakulteti za elektrotehniko med leti 1975-1977.
Kot obljubljeno nadaljujemo s fotografijo vezja EMZ-1001K in nekaj drugimi zanimivostmi, ki smo jih mimogrede odkrili.
Mikroskopska fotografija EMZ-1001K
Vezji Iskra EMZ-1001K in EMZ-1005A smo poslali raziskovalcu Travis-u Goodspeed-u v ZDA. Ta je za nas odprl in z mikroskopom poslikal dejansko vsebino čipa na silicijevi ploščici (Silicon die). Na sliki so lepo vidni različni predeli mikrokontrolerja, njegovi “možganski režnji”. Mikrokontroler poleg centralne procesne enote vsebuje kontrolno enoto, vhodno-izhodno enoto in pomnilnike. Največja mreža vidna na sliki je ravno bralni pomnilnik, na katerem je po naročilu stranke že ob proizvodnji z litografskim postopkom zapisana ustrezna programska oprema (Mask ROM), druga manjša pa je njegov delovni pomnilnik (RAM).
EMZ-1001 je izdelan v 5-mikronski NMOS tehologiji podjetja American Microsystems Incorporated (AMI). Zanjo so v Iskri konec sedemdesetih pridobili tudi licenco in jo nato leta 1983 uvedli v svoji tovarni Iskra Mikroelektronika v Stegnah. Pred tem so vezja na silicijevih rezinah zanje nekaj let izdelovali v ZDA (EMZ-1001, EMZ-1002, EMZ-1005A/B in nekatere druge). Licenco za dejansko domačo izdelavo vezij in uvoz strogo nadzorovane proizvodne tehnologije so v Iskri uspeli pridobiti izključno po zaslugi izvrstnega načrtovalskega dela strokovnjakov iz Laboratorija za mikroelektroniko na Fakulteti za elektrotehniko.
Pred tem so od podjetja že leta 1975 kupili licenco, vendar je ta vključevala le načrtovanje monolitnih vezij (MOS) po meri, njihovo sestavljanje in testiranje. Naši strokovnjaki so se v načrtovanju monolitnih integriranih vezij za posebne namene takrat šolali tudi v Silicijevi dolini. V mešani projektni skupini so s strokovnjaki podjetja AMI v letih 1975-1978 med drugim izdelali prav obravnavani mikrokontroler EMZ-1001 oziroma AMI S2000, kot ga je poimenoval ameriški partner.
Leta 1980 je Iskra v majhnih količinah prodajala standardno različico svojega EMZ-1001 po ceni približno 550 dinarjev, pri večjih serijah pa je bila cena seveda nižja. Cena za izdelavo 5000 kosov skupaj z izdelavo maske za program po meri je znašala približno 6000 dolarjev. Za izdelavo programske maske so potrebovali 2-3 mesece.
Različice mikrokontrolerja
Mikrokontroler EMZ-1001 s pripono K, ki smo ga poslali na slikanje v ZDA, je enak običajni različici mikrokontrolerja, le da je prilagojen za uporabo v najbolj zahtevnih temperaturnih pogojih (od -40 do 85 stopinj celzija). Ta je predvsem uporaben v industriji in za vojaške namene. Izdelovali so še tri cenejše različice: 1001B z razponom 0-55 stopinj, 1001C z razponom 0-70 stopinj in 1001E z razponom 0-85 stopinj celzija.
Običajna različica mikrokontrolerja je omogočala uporabo segmentiranih LED prikazovalnikov, posebna različica EMZ-1001A pa je omogočala tudi uporabo fluorescentnih VFD prikazovalnikov. Kasneje so v podjetju AMI, ki je bil solastnik vezja, izdelali še bolj zmogljive različice mikrokontrolerja z nazivom AMI S-2150, S-2200 in S-2400 z razširjenimi pomnilniki RAM (320, 512 B) in ROM (1.5, 2 in 4 KB), ter nekaterimi drugimi bistvenimi posodobitvami. Iskra slednjih ni izdelovala.
Več o tem lahko najdete na naslovu: https://www.cpushack.com/2023/06/13/the-4-bit-eight-bit-processor-ami-s2000-and-iskra-emz1001/
Podroben opis arhitekture in delovanja lahko najdete v članku Dušana Raiča: Integrirani mikroračunalnik Iskra EMZ-1001 (na strani 14): https://www.dlib.si/stream/URN:NBN:SI:DOC-IOE5F5GH/dbc07a6f-2548-45a6-ab4d-b5f9da2dd170/PDF
Priporočamo pa tudi članek Davorja Miljana: Projektiranje z integriranimi mikroračunalniki (na strani 31), ki bolj podrobno opisuje področja in načine uporabe mikrokontrolerjev: https://www.dlib.si/stream/URN:NBN:SI:DOC-VN9TV8FP/7ccbe455-72b2-4b31-aaea-4f6896701851/PDF
Projekt emulacije Iskra EMZ-1001A
Predstavljamo še zanimiv projekt emulacije.
Zoltan Pekič je s pomočjo naprave s programirljivim poljem logičnih vrat (FPGA) tipa MicroNova Mercury Baseboard (LINK) ustvaril simulacijo mikrokontrolerja Iskra EMZ-1001A. Implementacijo in delovanje mikrokontrolerja je prikazal s preprostim programom za prikaz besedila ‘Hello world’ na prikazovalniku s segmentiranimi LED diodami in programom, ki računa Fibonaccijevo zaporedje.
Video projekta: https://youtu.be/Bn3rqHyoyjo
Več o tem poiščite na spletni strani projekta: https://hackaday.io/project/188614-iskra-emz1001a-a-virtual-resurrection ali pa na https://github.com/zpekic/sys_emz1001/tree/main
Naprave s programirljivim poljem logičnih vrat (FPGA) so sestavljene iz niza logičnih blokov, ki jih je mogoče poljubno programsko prilagajati, da izvajajo različne digitalne funkcije. Na ta način lahko oponašajo delovanje vseh vrst logičnih in pomnilniških digitalnih vezij in so izredno uporabne pri izdelavi in preizkušanju prototipov. Danes je emulacija stare strojne opreme s temi napravami še posebej olajšana saj vse potrebno prilagajanje lahko izvede kar programska oprema sama glede na specifikacije oponašane naprave.
Emulacija postaja pomemben del ohranjanja računalniške dediščine. Projekt Zoltana Pekiča lepo prikazuje en izmed mogočih načinov poustvarjanja in oživljanja stare strojne opreme. Delovanje pretekle strojne opreme pa je na sodobnih napravah mogoče precej zvesto oponašati tudi s povsem programskimi sredstvi. S takšnimi programskimi emulatorji lahko nato zelo uspešno oživljamo staro programsko opremo.
..pripravil Marko Štamcar, vodja laboratorija.
Nekaj dodatnih virov
EMZ-1001 na Wikipedia.hr (LINK) | Brošura za EMZ-1001 (LINK) | AMI S2000 Family datasheet (LINK) | AMI S2000 Programing manual (LINK) | Članek The four bit eight bit processor AMI S2000/Iskra EMZ-1001 (LINK) | AMI S2000 specifikacije na CPUWorld (LINK) | Electronic Design no.3, 1978: Oglas za AMI S2000 in pripadajočo razvojno opremo na strani 80 in 81 (LINK)