Началось все с обсуждения с восьмилетней дочерью, что такое компьютер. Давно согласился с Фейнманом, что если вы не можете объяснить ребенку, то, вероятно, не до конца разобрались с вопросом.
Первым делом я пытался рассказать, что компьютеры повсюду - офисные компьютеры, телефоны, умная колонка и даже умный холодильник. Стоп, там же микроконтроллер, и на этом понятии я понял, что мне так просто не получится объяснить разницу.
Я рад, что частично застал эпоху становления компьютерной сферы - лучше понимаешь логику изменений. Мои первые программы на MSX (домашний компьютер, приставка на процессоре Z80) были примитивными командами на BASIC, и я представляю их развитие на текущем “железе” на уже “взрослых” языках типа Go.
Мне привычнее начинать классификацию с того, что близко, например, привычный компьютер это персональный компьютер (ПК). Для меня это всегда было устройством для игр разработки и запуска программ, в нем было устройство ввода - клавиатура, вывода - экран или телевизор (для простоты не будем вспоминать про Altair с его набором индикаторов). С ПК все просто и привычно - мат.плата, процессор, память, накопитель, монитор и клавиатура. Ноутбуки - все то же самое, но с батарейкой.
С серверами, мейнфреймами сложнее не намного. По сути, они же тоже мощные компьютеры, но обычно без монитора и клавиатуры, ориентированные на обработку данных, но принцип и компонентная база идентичны.
А как же смартфоны, вроде бы совсем отличаются от ПК, другие процессоры, технологии? Несмотря на разную компоновку, этот тип устройств все же близок к ПК, точнее как максимальное развитие темы ноутбуков в сторону миниатюризации. У смартфонов есть все те же компоненты - материнская плата, ЦП и оперативная память. Важным фактором является наличие некоторого набора датчиков (температуры, компаса, местоположения, света и тп). Это же похоже на микроконтроллеры?
Да, но нет. Микроконтроллеры отличаются от привычных компьютеров. Они менее универсальны, создавались для конкретных задач. Их прикладное назначение не нуждается в высокой производительности, в основном не супербыстрые (меньше 100 МГц), операционная система им часто не нужна. Архитектурно они обычно монокристальные: в одном чипе размещены процессор, память, порты ввода-вывода, АЦП, ШИМ, иногда небольшой накопитель EEPROM и многое другое.
Получается такая размытая терминология. Ведь если оставить на материнской плате ПК только центральный процессор и BIOS, то это будет микро макро-контроллер? А если наоборот, запускать программы общего назначения на микроконтроллере, станет ли он тогда похож на ПК?
Вот именно этот кейс мне и захотелось попробовать и перейдя от слов к делу, я выделил свободные выходные. Решил сделать совсем простое устройство на микроконтроллере, на котором можно было разработать примитивную программу и запустить ее. Язык программирования можно было выбрать любой, но для усиления эффекта ностальгии по MSX я прикрутил самый простой BASIC.
В этом я буду далеко не новатор - подобные проекты уже существовали. Мой личный вклад состоял в небольших доработках по адаптации и русификации.
Электроника
Для меня это был познавательный учебный процесс: на каждом этапе объяснял детям, что и для чего нужно. Я старался выбирать самые простые и понятные компоненты, ничего не усложняя и дополнительно не прикручивая.
Вот мои “кубики”:
Древняя Arduino Mega 2560;
Знаковый (текстовый) экран от компании МЭЛТ, который может отображать 20 символов в 4 строки;
Очень компактная клавиатура от проекта CardKB, работает по I2C.
Второстепенные детальки:
Аккумулятор 18650, плата зарядки и светодиоды;
Как потом уже оказалось стабилизатор напряжения на базе платы MT3608, иначе экран сильно тускнеет при просадке аккумулятора;
Четыре 5V светодиода, тумблер, 1 сопротивление на 220 Ом и набор проводов.
Я погрузился в доки, но понял, что уже сильно обленился и решил призвать на помощь железного ИИ друга. Благодаря коллегам, такой есть у нас в Озоне на базе модели DeepSeek. Я просто описал, какие компоненты у меня есть, и - о чудо! - за 2 секунды я получил полную схему проводов, от экрана и клавиатуры к Arduino. Выглядело это примерно так:
Самое главное - ИИ детально расписал, что куда подключать в табличном виде:
CardKB (I2C клавиатура)
CardKB | Arduino Mega 2560 |
GND | GND |
5V | 5V |
SDA | Mega pin 20 (SDA) |
SCL | Mega pin 21 (SCL) |
I2C-адрес CardKB обычно 0x5F
LCD MT-20S4A-2YLG (HD44780, 4-битный режим)
Пины LCD (стандартные 16 пинов)
Номер пина экрана | Название пина экрана | Куда подключаем |
1 | VSS | GND |
2 | VDD | 5V |
3 | VO | GND |
4 | RS | Mega pin 7 |
5 | RW | GND |
6 | E | Mega pin 6 |
11 | D4 | Mega pin 5 |
12 | D5 | Mega pin 4 |
13 | D6 | Mega pin 3 |
14 | D7 | Mega pin 2 |
15 | A (LED+) | 5V через резистор 220 Ом |
16 | K (LED−) | GND |
Arduino Mega 2560
Пин Mega | Куда подключаем |
2 | LCD D7 |
3 | LCD D6 |
4 | LCD D5 |
5 | LCD D4 |
6 | LCD E |
7 | LCD RS |
10 | LED+ 1 |
11 | LED+ 2 |
12 | LED+ 3 |
13 | LED+ 4 |
20 | CardKB SDA |
21 | CardKB SCL |
5V | LCD VDD, CardKB 5V |
GND | LCD VSS, RW, K, VO CardKB GND, LED- 1, 2, 3, 4 |
Вот так красиво оно должно было быть по ТЗ:
И вот что напаял чудо-инженер:
С контуром питания я разбирался позднее, но там все проще - от аккумулятора на разъем BAT +/-, от клемм OUT +/- на входное питание стабилизатора и от стабилизатора - на пины 5V и GND Arduino.
Схема:
Поделка по факту:
Стабилизатор тонкой отверткой отрегулировал на 5.1V, опять же по рекомендации железного друга.
Сделав небольшие тесты экрана и клавиатуры я понял, что все более-менее работает - можно приступать к корпусу.
Корпус.
Мне хотелось все сделать быстро и просто, поэтому, отринув хипстерский метро - минимализм, я взял за основу проверенный топорный кубизм. В этот раз корпус спроектировать получилось очень быстро, благодаря включению в проект готовых скетчей всех компонент в формате stl или step. Нашлись все кроме экрана, но для МЭЛТ простительно. Покрутив их немного, я быстро нарисовал корпус вокруг компонентов, сделав побольше зазоры на порты и крепления. Проектировал в Plasticity, пока печаталась нижняя часть, проектировал верхнюю, затем по тому же принципу - финальную крышку. Мой первый корпус, который я не перепечатывал по десять раз - с первой попытки получилось приемлемо.
Сначала разместил клавиатуру, Arduino, тумблер и зарядку, оставил место под стабилизатор. Также сделал 5мм отверстия под светодиоды.
Аккумулятор разместил в задней части корпуса вместе с креплением.
Экран под углом установил на верхней крышке отдельной 3D-моделью.
Я намеренно оставлял большие отверстия для проводов, чтобы не разбирать запаянную схему, а просто закреплять компоненты по месту.
В финальном виде захотел закрыть все эти провода, сделав крышку на “монитор” и заднюю заглушку на аккумулятор.
Еще думал закрыть сверху клавиатуру, но кнопки оказались настолько мелкие, что можно было проиграть в функциональности в угоду дизайну.
Получилось три стола для печати. Суммарное время печати совпало с расчетным - примерно 6 часов. Пластика ушло немного, в основном белого.
Результат печати, честно говоря, порадовал, повезло, что ничего не съехало, поддержки отошли штатно.
Куча проводов достаточно просто зашла в корпус, хорошо что места было много.
Странная дружба народов, на Arduino надпись: “Made in Italy”, а на экране патриотическое “Сделано в России”. Даже жалко закрывать крышкой.
Еще немного суперклея и микрошурупов и вот финальный вид готов.
Теперь приступим к написанию программного обеспечения.
Разрабатываем софт
Точнее говоря, дорабатываем готовый для своих нужд. Для начала я начал искать похожий проект и нашел вот этот:
https://github.com/robinhedwards/ArduinoBASIC
Там немного другое периферийное железо, поэтому требовалось адаптировать проект для i2c клавиатуры и тексто-знакового экрана. Почитав исходники, я понял, что опять без электронного ассистента не обойтись... Хорошо, что исходники небольшие и архитектурно есть разделение между интерпретатором и условно-редактором.
Скормив исходники ИИ, мои приключения начались. Буквально через несколько уточнений удалось сделать практически работающий код, который мог печатать и запускать простые команды.
Проект состоит из трех основных элементов:
Основная программа Arduino с setup / loop main.ino
Интерпретатор бейсика basic.cpp
Поддержка оборудования host.cpp
Большую часть проблем при обеспечении удобства ввода доставил host.cpp, в нем практически пришлось сочинять текстовый редактор вводимых команд и переменных. Стратегия была такая, что есть экранный буфер в виде массива, некий аналог видеопамяти в компьютерах. Весь вывод ведется именно в него. Например, в случае перехода на следующую строку, часть массива сдвигается вверх с помощью функции memmove, а снизу заполняется пробелами с помощью memset.
Имея такой буфер, можно в любой момент перерисовать экран, выводя символы последовательно.
Очень понравилось, что в экране есть захардкоженный курсор, его просто требуется включить, сказать - “мигай” и указать, координаты где мигать.
lcd.cursor(); lcd.blink(); lcd.setCursor(curX, curY);
Ввод команд и переменных осуществляется в свой буфер в виде строки. Здесь было сложно учесть, что длинная строка может переехать на следующую строку, а потом с помощью backspace вернуться назад.
Также еще добавил историю вводимых команд, чтобы не вводить их повторно в случае ошибки. Полноценного курсорного ввода - перемещение по строке я не реализовал, уже явно за рамками данного проекта.
В сам интерпретатор я добавил несколько функций и операторов, как по мне без них было бы скучно - CHR$, SIN, COS, DATA, READ и др.
Следующим этапом, мне очень захотелось сделать возможность печати русского текста. Опишу этот кейс подробнее, потому что это был самый интересны�� вызов в этом проекте.
Сложностей было несколько:
В клавиатуре не хватает кнопок для х, ъ, ж, э, вот не понадобились они англоговорящим товарищам, не нужны.. Пришлось “перенести” их над цифрами 6, 7, 8, 9 и 0. Но как вводить заглавные буквы? Хорошо, что есть режим на клавиатуре sym для ввода специальных знаков.
В обычных компьютерах я привык к таблице ASCII, где есть полные наборы русских букв, но в мире IoT все иначе. Не нужно создавать буквы, если есть похожие английские буквы, а таких оказалось много .. с, o, e, p и т.п. Дольше всего я искал заглавную букву Ь. Вот почему заглавный Ъ есть, а мягкого нет? Помогла дочь, найдя похожесть английской буквы b в нижнем регистре.
Русские буквы разбросаны по таблице в случайном порядке. Насколько я понимаю разработчики экрана искали неиспользуемые в российской технике символы и значки, заменяли на русские. Очень много времени потратил на их поиск. Даже сделал специальную микропрограмму для показа таблицы символов, с запуском fn + 1:
Как следствие из вышесказанного - нет надежного источника для хранения русских букв в памяти. Клавиатурные коды содержат одинаковые для обоих регистров коды, а экранных русских букв меньше, чем нужно.
Не думая слишком долго, я взял самую простую кириллическую кодировку DOS CP866 и сделал маппинг в коды экрана и клавиатуры. Выглядит это примерно так:
// Структура для хранения маппинга struct RuMap { unsigned char eng; unsigned char rus; unsigned char lcd; }; const RuMap ruMap[] = { // Нижний регистр {'q', 169, 185}, /* й */ {'w', 230, 229}, /* ц */ {'e', 227, 121}, /* у */ {'r', 170, 186}, /* к */ {'t', 165, 101}, /* е */ {'y', 173, 189}, /* н */ {'u', 163, 180}, /* г */ {'i', 232, 193}, /* ш */ {'o', 233, 230}, /* щ */ {'p', 167, 183}, /* з */ {'a', 228, 228}, /* ф */ {'s', 235, 195}, /* ы */ {'d', 162, 179}, /* в */ {'f', 160, 97}, /* а */ {'g', 175, 190}, /* п */ {'h', 224, 112}, /* р */ {'j', 174, 111}, /* о */ {'k', 171, 187}, /* л */ {'l', 164, 227}, /* д */ {'z', 239, 199}, /* я */ {'x', 231, 192}, /* ч */ {'c', 225, 99}, /* с */ {'v', 172, 188}, /* м */ {'b', 168, 184}, /* и */ {'n', 226, 191}, /* т */ {'m', 236, 196}, /* ь */ {',', 161, 178}, /* б */ {'.', 238, 198}, /* ю */ {'7', 229, 120}, /* х */ {'8', 234, 194}, /* ъ */ {'9', 166, 182}, /* ж */ {'0', 237, 197}, /* э */ // Верхний регистр {'Q', 137, 166}, /* Й */ {'W', 150, 225}, /* Ц */ {'E', 147, 169}, /* У */ {'R', 138, 75}, /* К */ {'T', 133, 69}, /* Е */ {'Y', 141, 72}, /* Н */ {'U', 131, 161}, /* Г */ {'I', 152, 172}, /* Ш */ {'O', 153, 226}, /* Щ */ {'P', 135, 164}, /* З */ {'A', 148, 170}, /* Ф */ {'S', 155, 174}, /* Ы */ {'D', 130, 66}, /* В */ {'F', 128, 65}, /* А */ {'G', 143, 168}, /* П */ {'H', 144, 80}, /* Р */ {'J', 142, 79}, /* О */ {'K', 139, 167}, /* Л */ {'L', 132, 224}, /* Д */ {'Z', 159, 177}, /* Я */ {'X', 151, 171}, /* Ч */ {'C', 145, 67}, /* С */ {'V', 140, 77}, /* М */ {'B', 136, 165}, /* И */ {'N', 146, 84}, /* Т */ {'M', 156, 98}, /* Ь */ {'<', 129, 160}, /* Б */ {'>', 158, 176}, /* Ю */ {'&', 149, 88}, /* Х */ {'*', 154, 173}, /* Ъ */ {'(', 134, 163}, /* Ж */ {')', 157, 175}, /* Э */ };
Далее я сделал специальную комбинацию клавиш для переключения языка - fn + пробел и глобальную переменную для языка. При вводе с клавиатуры в случае русского языка делаю маппинг букв eng в коды rus (кодировка 866).
При выводе же текста на экран делаю другой маппинг из 866 в коды символов МЭЛТ.
Весь исходный код я выложил в GitHub, модельки соответственно в MakerWorld.
https://github.com/nicolas-vp/mega_basic
https://makerworld.com/en/models/2399263-arduino-computer-with-basic
Выводы
Выходные прошли задорно, никакой бэкенд на Go не заменит удовольствие от отладки кода на C на самом устройстве.
Детям понравилось устройство, даже написали простую программу включения светодиода. Думаю немного поняли про микроконтроллеры.
Наконец-то я оценил практичность рудимента в виде нумерации строк на BASIC с помощью 10, 20, 30.. На маленьком экране корректировать программу быстрее, просто запоминая номер строки для правки.
С ИИ создавать электронику стало одно удовольствие, меньше времени тратишь на даташиты, на рутину, где ты не специалист. Для меня, бекенд-разработчика, код на C/CPP конечно похож на Go, но есть нюанс.. Мои познания в электронике минимальны, но вместе с ИИ мы справились.
Позже, развивая аутентичность проекта, я добавил ещё пищалку (PC Speaker), внешнюю память EEPROM и сделал подпрограмму для визуального выбора нот. Но это уже за рамками данной статьи.
Чек-лист
Нашел у себя книгу “Современный компьютер”, Москва “Мир”, 1986. Есть подозрение, что современного там мало уже осталось за 40 лет, но есть определение персонального компьютера с характеристиками. Посмотрим, удовлетворяет ли спроектированное устройство этим критериям.
Персональный компьютер - это небольшая ЭВМ, основой которой служит микропроцессор; иначе говоря, это микро-ЭВМ. Однако не все микро-ЭВМ являются персональными. Микро-ЭВМ может быть ориентирована на решение одной задачи, например на управление станком или регулирование подачи топлива в автомобильный двигатель; она способна обрабатывать тексты, использоваться в качестве телевизионного игрового устройства или карманного калькулятора, который в принципе даже нельзя назвать компьютером. Персональный же компьютер - это нечто иное.
Действуя как самостоятельная вычислительная машина, он предоставляет в распоряжение индивидуального пользователя самые разнообразные функциональные возможности.
В дальнейшем мы будем полагать, что персональный компьютер представляет собой систему, обладающую следующими характеристиками:
1. Стоимость всей системы менее 5 тыс. долл.
✅ Запас по стоимости успешно пройден более чем в 50 раз.
2. В состав системы входит периферийная память в виде кассетных накопителей на магнитной ленте (НМЛ) или магнитных дисках (НМД), либо она должна иметь возможность подключаться к аналогичным устройствам других систем.
✅ Есть EEPROM 4kb, внешний EEPROM 32kb (его даже можно извлечь) можно сказать, что условно - да.
3. Микропроцессор способен функционировать совместно с памятью объемом по крайней мере 64 килобайт.
❎ В текущей сборке только 8kb на борту, из которых сам интерпретатор забрал почти половину. Ограничение легко обойти, взяв аналогичную по размеру и стоимости плату Arduino DUE с 64kb.
4. Компьютер способен работать с программами, написанными по крайней мере на одном из языков программирования высокого уровня, таких, как Бейсик, Фортран или Кобол. В языках этого типа инструкции могут записываться с весьма высокой степенью абстракции без учета конкретного характера машинных операций.
✅ Да, Basic присутствует.
5. В компьютере обязательно наличие операционной системы, которая упрощает его взаимодействие с человеком в режиме диалога; компьютер немедленно (или по крайней мере быстро) реагирует на запросы или действия оператора.
✅ Оператор может в режиме диалога взаимодействовать с компьютером, используя клавиатуру.
6. Такие машины рассчитаны главным образом на широкую продажу и предназначены в первую очередь для тех, кто раньше не имел дела с компьютерами.
✅ Сложно уже найти людей, кто раньше не имел дела с компьютерами, но скорее да, специальных навыков не нужно.
7. Система достаточно универсальна, что дает возможность выполнять обширный набор программ для различных приложений; она не ориентирована на решение какой-либо одной задачи или обслуживание только определенной категории пользователей.
✅ Да, можно разработать широкий спектр программ.
Чек-лист почти пройден и удалось разработать ПК на базе микроконтроллера - поставленную задачу можно считать решенной.
