Zolatron 自製微型電腦：VIA 架構用戶端連接埠與印表機介面設計解析

今天要來聊聊...嗯，怎麼讓自己做的電腦跟外面世界溝通。

一台電腦，如果只能自己跟自己玩，那老實說，它就是個會發熱的盒子。它的價值在於跟外部的東西互動，不管是感測器、開關，還是一些奇奇怪怪的周邊。而 6522 這顆晶片，全名叫 Versatile Interface Adapter (VIA)，就是個好東西，它很多才多藝，很適合拿來做這件事。

我之前已經在 Zolatron 這台自製電腦上用過它了，那時候是為了驅動一個小小的 LCD 螢幕，但那還是在麵包板上亂插的階段。等到要把它們做成正式的 PCB 板，可以插到 Zolatron 的背板上時，我就覺得...嗯，不該只為了一件事設計一張卡。我想保留 6522 的那種「多功能性」。

所以這篇會一次講兩塊板子，因為它們骨子裡幾乎是同個東西，一塊算是另一塊的特化版。

先來看看最酷的應用：搞定一台老印表機

我想，對很多人來說，最有感的應用，大概就是接上一台並列埠 (parallel port) 印表機吧。我手邊還有一台 1983 年買的 Epson MX-80 F/T III 點陣式印表機，到現在還能動，蠻神奇的。讓 Zolatron 可以控制這台印表機，感覺...很有那個年代的味道。

要跟這種老印表機溝通，你需要一些訊號線：

• 首先是八條資料線，剛好用掉 VIA 上的一個 Port，我就選了 Port A。
• 然後還需要一堆控制跟狀態的訊號線。全部接滿的話，Port B 的八隻腳其實不太夠。不過好消息是，不是每一條都非接不可。

我自己是挑了幾個關鍵的來接：像是 `/STROBE` (告訴印表機有資料來了)、`/ACK` (印表機回報說收到了)、`BUSY` (印表機正在忙)，還有 `/INIT` (叫印表機重置一下)。老實說，有這幾條就差不多能用了，其他的算是...嗯，讓生活品質好一點的選項。加一加，剛好八個訊號，塞滿 Port B 剛剛好。

說到這個，要在台灣找一台還能動的 Epson MX-80 可能有點挑戰，大概要去一些二手市集或特定的論壇挖寶。這點跟國外不太一樣，他們有時候在車庫拍賣 (garage sale) 就會看到這種老古董。不過零件倒還好，像 6522 這種晶片，以前要去光華商場樓下找，現在直接上網訂，像 Digi-Key 或 Mouser 這種全球性的網站，其實蠻方便的。

還有個細節，我沒有直接把 6522 的腳位拉到印表機接頭上。我想了想，中間加個緩衝 (buffer) 好像比較保險。我用了兩顆 74LV541 八進八出的驅動晶片。它的作用很單純，就是把訊號「放大」一點，也順便整理一下波形，算是一種保護措施，免得哪天不小心把貴桑桑的 VIA 晶片燒了。

最後...嘿，當然少不了「燈號」(blinkenlights)。我在板子上加了四顆 LED，分別對應到錯誤、連線、自動換行跟忙碌狀態。看著那些燈在閃，才真的有「東西在動」的感覺，蠻酷的。

這塊板子是怎麼想的？通用 I/O 的設計

OK，剛剛說的印表機板，其實是從一張更通用的 I/O 板改來的。這張通用板的目標很簡單：把 6522 晶片上的 Port A 和 Port B 的所有腳位，全部拉出來，做成方便連接的排針 (pin headers)。這樣不管以後我想接什麼，感測器也好、LED 也罷，都有一塊現成的板子可以用。

但這裡有個核心問題：當 Zolatron 的背板上插了那麼多張卡，CPU 怎麼知道它現在到底在跟誰說話？

這就要靠「位址解碼」(Address Decoding)。簡單講，就是每張卡都要有一個獨一無二的「門牌號碼」。我用的方法是拿一顆 74HC138 晶片，它是一個「3 到 8 線解碼器」。我把 CPU 位址匯流排 (address bus) 的高位元 A13、A14、A15 這幾條線接給它，它就會根據這幾條線的訊號，決定要啟用它的八個輸出中的哪一個（把它拉到低電位）。

然後，我把這八個輸出接到一排跳線針腳 (jumper) 上。每張卡上都有這麼一組。我只要用一個小小的跳線帽，插在我想指定的位址上，那張卡就有了自己的門牌號碼。例如，我把跳線插在 `/Y0` 的位置，那張卡的位址就是 `$A000` 開頭。這種做法比直接焊死在板子上，或是像 Apple II 那樣每個插槽位址都固定，要靈活多了。

核心中的核心：把 VIA 晶片接上系統

位址搞定了，再來就是把 6522 VIA 晶片本身接上 Zolatron 的系統匯流排。

大部分的接線都很直觀。八條資料線接資料匯流排、`/RES` 接重置線、`PHI2` 接時脈...等等。比較特別的是 `/IRQ` 這支腳，也就是中斷請求。我是透過一個蕭特基二極體 (Schottky diode) 才接到系統的 `/IRQ` 線上。這樣做可以讓 VIA 把 `/IRQ` 線拉低來發出請求，但又不會主動把它拉高，效果類似於「開漏極」(open drain) 輸出。算是一個小技巧。

再來是晶片致能 (`Chip Enable`) 的部分。6522 有兩支致能腳，`CS1` (高電位致能) 和 `/CS2` (低電位致能)，要兩個同時有效，晶片才會理你。我把 `/CS2` 接到剛剛說的 74HC138 的輸出，所以只要 CPU 發出的位址對了，這裡就會被致能。

至於 `CS1`...老實說，我當時把它接到了位址線 `A13` 上。因為在我的 I/O 位址空間裡，`A13` 永遠是高的，所以這樣做也能動。不過呢，我自己是覺得，如果我要再做一版，我可能會直接用一顆電阻把它接上 +5V (pull-up)。這樣更單純，有時候簡單就是最好的設計。

寫程式怎麼控制？暫存器定址這回事

硬體都接好了，那在寫程式的時候要怎麼用它？關鍵在於讀寫 6522 晶片內部的「暫存器」(Register)。

6522 有 16 個內部暫存器，由四支腳 `RS0` 到 `RS3` 來選擇。所以我就把 CPU 位址匯流排最低的四條線 `A0` 到 `A3`，直接接到這四支腳上。

這樣一來，事情就變得很直觀。假設我的卡片位址設在 `$A000`。

• 當我寫程式去存取 `$A000` 這個位址時，因為 `A0` 到 `A3` 都是 0，所以選中的是第 0 號暫存器。
• 當我存取 `$A001` 時，`A0` 是 1，選中的就是第 1 號暫存器。
• 存取 `$A002` 就是第 2 號、`$A003` 就是第 3 號...以此類推，一直到 `$A00F` (二進位的 1111)，就是第 15 號暫存器。

所以，用 6502 組合語言來寫，就會像這樣：

LDA #$FF      ; 準備要寫入的值 (例如把 Port B 全部設為輸出)
STA $A002     ; 把它存到 $A000 這張卡的第 2 號暫存器 (DDRB)

讀取暫存器就更簡單了：

LDA $A000     ; 讀取 $A000 這張卡的第 0 號暫存器 (Port B 的值)

對，你可能會發現，我的位址解碼給了這張卡 1024 個位址空間 (從 `$A000` 到 `$A3FF`)，但我實際上只用到了前面的 16 個。這看起來很浪費，但在這種自製電腦的設計裡...嗯，還蠻常見的。這樣做可以簡化很多解碼邏輯，讓事情不容易出錯。

通用板 vs. 印表機板，到底差在哪？

說了這麼多，這兩張板子其實就是兄弟。我整理了一下它們的異同：

一些你可能會踩到的坑（或是我差點踩到的）

在做這個的時候，有幾個地方我覺得可以提出來分享一下。

第一個就是剛剛提到的「位址浪費」。千萬不要想說「哦，`$A010` 到 `$A3FF` 都沒用到，我拿來接別的東西好了」。這是一個陷阱。因為雖然我們只看 `A0-A3` 來選暫存器，但更高的位址線（像 `A4`、`A5`）的變化，還是會影響到 `A0-A3` 的組合，這會讓你的定址變得一團亂，自找麻煩。

第二個，就是我前面反省過的 `CS1` 接法。把它接到 `A13` 能動，但沒什麼道理。直接用電阻上拉到 +5V，邏輯上更乾淨。設計這種東西，有時候「能動」跟「好設計」是兩回事。

最後是緩衝。印表機板我加了緩衝晶片，但通用 I/O 板就沒有。這是一種取捨。如果你確定你接的東西很單純，耗電量小，那直連通常沒問題。但如果要接到另一個獨立的設備，特別是線拉很長，或是對方是什麼來路不明的東西，加個緩存晶片就像買保險，總是比較安心。

總之，就是這樣。用一個核心的 6522 設計，變出兩張實用的擴充卡。這顆晶片真的...嗯，很靈活。我腦子裡已經有下一個想用它來做的東西了，不過那就是另一個故事了。