Der Aufbau des Amadore64: Eine umfassende Analyse in 12 Schritten
Das Amadore64-Motherboard-Projekt stellt ein monumentales Unterfangen im Bereich der Retro-Computing-Restauration dar. Mit dem Ziel, den legendären Commodore 64 originalgetreu nachzubilden und gleichzeitig sinnvolle Verbesserungen einzuführen, untersucht dieser Prozess eine Vielzahl an Ingenieurtechniken, Diagnosen und Montagemethoden. Durch die detaillierte Dokumentation jedes Schritts dient dieses Dokument sowohl als technische Referenz als auch als intellektuelle Erkundung der Replizierung eines geliebten Computerklassikers mit modernen Mitteln.
Schritt 1: Einrichtung der Stromschienen
Ein robustes Stromversorgungssystem ist unerlässlich, um Stabilität für alle nachfolgenden Phasen der Motherboard-Funktionalität zu gewährleisten. Das externe Netzteil liefert zwei Eingänge: 5VDC und 9VAC, die systematisch in mehrere wichtige Spannungsschienen auf der Amadore64-Platine umgewandelt werden. Dazu gehören:
- 5VDC: Die primäre Versorgungsleitung, streng reguliert, um unter 5,5V zu bleiben und empfindliche Komponenten zu schützen.
- 3.3VDC: Abgeleitet aus 5VDC mittels eines INA219-Strommessers zur präzisen Überwachung von Spannung und Stromverbrauch.
- CAN +5V: Erzeugt durch Vollwellen-Gleichrichtung der 9VAC-Versorgung und geregelt durch einen 7805-Chip, der speziell für den VIC-II-Videosatz vorgesehen ist.
- 12VDC: Ähnlich abgeleitet aus der 9VAC-Eingabe zur Versorgung zusätzlicher Video- und Peripheriegeräte.
- +5VA-Schiene: Zuständig für die Stromversorgung des ATtiny85-Mikrocontrollers und des ACS712-Stromsensors zur Überwachung von Wechselstromlasten.
Um Echtzeit-Diagnosen zu verbessern, wurden ein OLED-Display und ein Mikrocontroller in das Stromüberwachungssystem integriert. Diese Erweiterungen ermöglichten die Visualisierung von Spannungswerten und Stromverbrauch und erwiesen sich während der frühen Testphasen als unschätzbar. Anfangs zeigte die +5VA-Schiene erhebliche Störungen, die die Genauigkeit des ACS712 beeinträchtigten. Das Problem wurde durch die Hinzufügung zusätzlicher Kondensatoren gelöst, wodurch die Signaltreue um mehr als das Hundertfache verbessert wurde.
Wichtige Erkenntnisse
Diese Phase unterstreicht die entscheidende Bedeutung des schrittweisen Aufbaus, der die Identifizierung von Designfehlern frühzeitig im Entwicklungsprozess ermöglicht. Die Gewährleistung einer robusten und störungsfreien Stromversorgung bildet das Fundament für eine zuverlässige Motherboard-Funktionalität.
Schritt 2: Generierung und Validierung des Taktsignals
Die präzise Generierung und Validierung von Taktsignalen ist eine Voraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb von integrierten Schaltungen. Da alte Komponenten nicht mehr verfügbar waren, wurde die Taktgenerierungsschaltung mit dem kundenspezifischen MOS X701-Chip grundlegend neu gestaltet. Diese ausgeklügelte Schaltung erzeugt zwei Schlüsselfrequenzen:
- PHI COLOR: Das primäre Taktsignal, geliefert mit der Standardbetriebsfrequenz.
- PHI DOT: Eine Ableitung von PHI COLOR, reduziert durch Frequenzteilung zur Synchronisierung von Hilfskomponenten.
Die Stabilität der Schaltung wurde durch die Leitung der Signale durch ein fein abgestimmtes LC-Netzwerk mit Kondensatoren und Induktivitäten zur Filterung sichergestellt. Diese Konfiguration garantiert konsistente Oszillationsamplituden und reduziert Phasenjitter.
Beobachtungen
Fehler in der Taktfrequenz oder -stabilität erfordern oft bedeutende Designänderungen, einschließlich manueller Leiterbahntrennungen und Nachrüstungen mit Null-Ohm-Widerständen. Durch die Isolierung und Validierung dieses Subsystems in einer frühen Phase wurden solche Komplikationen minimiert, was den gesamten Entwicklungszeitplan optimierte.
Schritt 3: Architektur des Reset-Signals
Das Reset-Signal spielt eine integrale Rolle bei der Systeminitialisierung, indem es sicherstellt, dass alle Subsysteme stabilisiert sind, bevor der normale Betrieb beginnt. Mit einem 556-Doppel-Timer-IC hält die Reset-Schaltung das System beim Hochfahren im Reset-Zustand, damit sich die Spannungspegel normalisieren können.
Das Ausgangssignal des Timers war jedoch im Vergleich zur gewünschten Polarität invertiert, was die Einbindung eines 7406N-Open-Collector-Inverters erforderte. Ein Pull-up-Widerstand wurde hinzugefügt, um das hohe Ausgangssignal zu stabilisieren und die ordnungsgemäße Funktion des Inverters sicherzustellen.
Ergebnisse
Dieses Subsystem zeigte bei den ersten Tests eine einwandfreie Leistung und ermöglichte eine nahtlose Weiterentwicklung zu den nächsten Montagephasen ohne notwendige Änderungen.
Schritt 4: Implementierung der Videoausgabesysteme
Nach dem erfolgreichen Aufbau der Grundsysteme verlagerte sich der Fokus auf die Videoausgabeschaltung. Der Video Interface Chip (VIC) und das Sound Interface Device (SID) waren die Hauptkomponenten, die installiert wurden und als zentrale Treiber für die Video- und Audio-Signalgenerierung dienen.
Subsystem-Design
- VIC (U19): Zuständig für die Videosignalgenerierung, wobei Luminanz- und Chrominanzsignale für die Anzeigeausgabe synthetisiert werden.
- SID (U18): Bekannt für seine Fähigkeit, komplexe Audiowellenformen zu erzeugen, bildet das SID die Grundlage des charakteristischen Klangprofils des Commodore 64.
Trotz anfänglicher Erfolge bei der Generierung von Videosignalen führte ein Designfehler bei den Transistor-Footprints zu Komplikationen. Das Problem wurde durch manuelles Neuorientieren der Transistoren und Hinzufügen von Drahtverbindungen zur Korrektur der Pinbelegung gelöst, wodurch die volle Funktionalität wiederhergestellt wurde. Verifikationstests ergaben ein einwandfreies Videosignal nach Abschluss.
Schritt 5: Integration des Kassettenanschlusses
Das Subsystem für den Kassettenanschluss wurde entwickelt, um mit alten Peripheriegeräten zu interagieren und das Laden und Speichern von Daten zu erleichtern. Diese Phase stieß auf Herausforderungen aufgrund eines Fehlers in den Transistor-Footprints, der die Basis- und Emitteranschlüsse der Schalttransistoren vertauschte.
Die Kassetten-Schaltung besteht aus einer dreistufigen Transistor-Verstärker- und Schaltstufe, die in einer durch eine Zener-Diode stabilisierten Spannungsausgabe endet. Durch das Rotieren der betroffenen Transistoren und das Löten zusätzlicher Drahtbrücken wurde die Schaltung ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit wiederhergestellt.
Schritt 6: Installation von SMD-Komponenten
Mit funktionierenden Kernsubsystemen wurde die Aufmerksamkeit auf die Installation von Surface-Mount-Geräten (SMDs) gerichtet. Diese Komponenten umfassten Widerstände, Kondensatoren, Ferritperlen und Logik-ICs, die das Rückgrat der Signalaufbereitung und Stromregelung bilden.
Es wurden sorgfältige Löttechniken angewandt, um eine korrekte Platzierung und elektrischen Kontakt sicherzustellen, wodurch das Risiko von kalten Lötstellen oder Fehlanpassungen minimiert wurde. Die Installation dieser Komponenten bereitete die Grundlage für die nachfolgende Integration höherwertiger Komponenten wie Prozessor- und Speichermodule.
Ausblick
Schritt 7 wird die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und das Zeichensatz-ROM einführen, was die ersten Funktionstests der Rechenfähigkeiten des Amadore64 ermöglicht.
Schritt 7: Initialisierung von Prozessor und ROM
Der Prozessor, die PLA und das Zeichensatz-ROM wurden sorgfältig in ihre jeweiligen ZIF-Sockel eingesetzt. Trotz anfänglicher Erfolge bei der Strom- und Taktversorgung bootete das System nicht, was umfangreiche diagnostische Untersuchungen erforderlich machte.
Diagnose und Lösung
Das Problem wurde auf das Fehlen eines Pull-up-Widerstands an der NMI-Leitung (Non-Maskable Interrupt) zurückgeführt, die das Signal unbestimmt und anfällig für undefiniertes Verhalten machte. Nach dem direkten Anbringen eines Pull-up-Widerstands an die Leiterplatte zeigte das System teilweise Funktionalität, wobei der Prozessor begann, rudimentäre Operationen auszuführen.
Schritt 8: Fehlersuche bei RAM-Modulen
Das RAM-Subsystem, bestehend aus 4164-DRAM-Chips, zeigte anfänglich eine unzuverlässige Leistung. Präzisions-ZIF-Sockel wurden installiert, um stabile elektrische Kontakte zu gewährleisten und den einfachen Austausch von Chips während der Diagnose zu ermöglichen.
Mit einem C64 Dead Test Cartridge wurde das RAM-Subsystem rigoros getestet, wobei alle Bänke als betriebsbereit verifiziert wurden. Dies markierte einen entscheidenden Meilenstein in der Systemstabilität und Funktionalität.
Schritt 9: Behebung von Problemen beim Power-Cycling
Anhaltende Startinkonsistenzen wurden auf Spannungsinstabilitäten in der 5V-Schiene zurückgeführt. Dies wurde durch unzureichenden Steuerstrom zum IRFR5305 P-Kanal-MOSFET verursacht, der für die Regelung der Schiene verantwortlich ist.
Korrekturmassnahme
Der Basiswiderstand (R77) für den Treibertransistor des MOSFETs wurde durch einen niederwertigeren Widerstand ersetzt, wodurch der Steuerstrom erhöht und eine vollständige MOSFET-Aktivierung ermöglicht wurde. Diese Änderung beseitigte das Power-Cycling-Problem und sorgte für ein konsistentes Startverhalten.
Schritt 10: Validierung des TOD-Signals
Das Time-of-Day-Signal (TOD), das für den Betrieb der CIA-Chips entscheidend ist, wurde mit einem Multimeter und einem Oszilloskop validiert. Dieses Signal, abgeleitet vom 9VAC-Eingang, wurde auf die erforderliche Frequenz von 50Hz und sichere Spannungsgrenzen überprüft.
Schritt 11: Endmontage und Diagnosen
Mit allen Hauptkomponenten installiert wurde das System eingeschaltet und bootete erfolgreich zu einem angepassten Kernal-ROM-Startbildschirm. Umfassende Diagnosen, unterstützt durch die 586220++-Testsuite, bestätigten die Betriebsintegrität aller Subsysteme.
Schritt 12: Thermische Optimierung und Designverfeinerung
Die letzte Phase konzentrierte sich auf das Wärmemanagement und Designverbesserungen. Wichtige Maßnahmen umfassten:
- Verfeinerung der PCB-Footprints zur Verbesserung der Montagepräzision.
- Behebung thermischer Hotspots, insbesondere bei VIC und Stromregelungskomponenten.
- Planung des Austauschs linearer Spannungsregler durch hocheffiziente Schaltregler zur Reduzierung der Wärmeerzeugung.
Abschliessende Bemerkungen
Das Amadore64-Projekt verkörpert die Schnittstelle zwischen Erhaltung der Retro-Computing-Kultur und moderner Ingenieurskunst. Durch die Bewältigung komplexer Montageherausforderungen und iterative Designverbesserungen wurde eine funktionale und sorgfältig optimierte Nachbildung des Commodore 64 erreicht. Dieses Unterfangen steht als Zeugnis für die anhaltende Faszination für Vintage-Computing und den Einfallsreichtum, der erforderlich ist, um es für eine neue Ära wiederzubeleben.