Целью данного проекта является создание платы совместимого компьютера с Apple IIe с приближенной к оригиналу схемотехникой и размером платы. За референс при разработке была взята фотография материской платы Apple IIe NTSC (она справа) Основные отличия от оригинальной схемы:

• вместо заказных ASIC (БМК) микросхем IOU и MMU в проекте используются CPLD фирмы Altera EPM7128SLC84;
• прямо на основную плату добавлены дополнительные 64Кб памяти, известные как Aux RAM/Apple 80-Column Text Card;
• вместо двух микросхем типа 27C64 с основным ROM Apple IIe установлена одна микросхема типа 27C256, с возможность переключить верхний и нижний банк джампером. Это позволяет записать в одну микросхему ROM AppleIIe enhanced и тест оперативной памяти DeadTest, или записать обычный Apple IIe ROM и Apple IIe enhanced с возможность переключаться между ними;
• на плате отсутствует какой-либо контроллер клавиатуры (в следствии отсутствия свободного места). Вместо этого предусмотрено место для установки разъема, в который сверху устанавливается дополнительная плата контроллера клавиатуры "бутербродом". На дополнительной плате клавиатурного контроллера располагается разъем для подключения оригинальной матричной клавиатуры Apple IIe;
• на плате присутствует разъем PS/2 для подключения PS/2 клавиатуры, однако без дополнительной платы клавиатурного контроллера он никуда не подключен;
• основной генератор переделан с транзисторной схемы на схему с использованием инвертера типа 74LS04 (555ЛН1), при этом предусмотрена возможность установить отдельный кварцевый генератор;
• операционный усилитель в схеме работы с магнитофоном заменен с двуполярного на однополярный, тем самым обеспечивая нормальное функционирование платы от однополярного источника питания плюс 5 вольт.

Общий вид собранной платы rev1.0b:

• Плата запускается, проходит тесты (RAM deadtest, встроенный в Apple IIe ROM), выводит приглашение "Apple //e";
• Плата работает со слотами, с дополнительными платами расширения Dan II controller, A2VGA+Mockingboard card;
  
  • Проверить с другими картами расширений (пока отсутствуют);
• Спикер (бипер) - работает;
• Магнитифон
  • Работает чтение с магнитофона, происходит загрузка игр по команде LOAD;
  • Проверить выход на магнитофон;
• Джойстик;
• Контроллер клавиатуры;
  • Обслуживание PS/2 клавиатуры;
  • Обслуживание оригинальной матричной клавиатуры;
  • Одновременное обслуживание обоих видов клавиатур;
  • Создание схемы в CAD;
  • Чертеж и заказ печатных плат;
    

Процесс разработки клавиатурного контроллера

• Исправление некоторых ошибок платы ревезии 1_0b и создание новой платы ревизии 1_1.
  Общий вид собранной платы rev1.1 и платы с установленным клавиатурным контроллером:
  
  История изменений по сравнению с версией rev1_0b:
  • Микросхема U29 заменена с 74LS74 на 74S109
  • Исправлен рисунок на шелке у транзистора Q3 2N3904.
  • У микросхемы зещелки U23 74LS374 расположен дополнительный конденсатор ~220пФ между первой ножкой и землей.
  • Скорректированно местоположение отверстия под стойку в нижнем левом углу платы для установки в оригинальном корпусе Apple IIe.
  • Разъем PS/2 клавиатуры развернут внутрь платы для возможности подключить PS/2 клавиатуру когда плата находится в корпусе Apple IIe.
  • Установлен дополнительный штыревой разъем J9 с сигналами PS/2 клавиатуры для возможности подключения выносного PS/2 разъема на корпус Apple IIe.

• При разработке платы я руководствовался свеже-отрисованной схемой Apple IIe (NTSC) - 050-0051-D от команды bit-preserve . Схема хорошо читается (в отличии от моей), полезно иметь ее под рукой для представления об оригинальной схемотехнике Apple IIe (а мы от нее не далеко отступаем).
• Список деталей BOM на плату rev1.0b здесь: .csv версия .ods OpenOffice версия; на плату rev1.1 здесь: .csv версия
• Монтажная схема расположения деталей на плату rev1.0b здесь: монтажная схема rev1.0b; на плату rev1.1 здесь: монтажная схема rev1.1
• Схема принципиальная на плату rev1.0b здесь: схема принципиальная rev1.0b; на плату rev1.1 здесь: схема принципиальная rev1.1
• Книга "мурзилка" о внутреннем устройстве Apple IIe, с временными диаграммами, принципами функционирования MMU, IOU, памяти и многим другим: Jim Sather - Understanding the Apple IIe Если что-то пошло не так.

Для полноценного функционирования платы необходим только один источник однополярного питания плюс 5 вольт. Остальные вспомогательные напряжения минус 5 вольт, минус 12 вольт, плюс 12 вольт основной платой не используются и разведены лишь на дополнительные слоты расширения (SLOT1-SLOT7). Конкретный тип используемого разъема питания в оригинальной плате AppleIIe мной не установлен, поэтому посадочное место сделано скорее под стандартный тип Molex разъема 6 пин, хотя отверстия и несколько увеличины в диаметре для возможной установки оригинального разъема (но не гарантируется). Распиновка соответствует оригинальной распиновке Apple IIe:

При этом пятивольтовая шина питания на плате разделяется на две - одна шина питает всю логику, память и вообще нижнюю часть платы. Другая же пятивольтовая шина питает слоты расширения и схему формирования видео-сигнала (видео-усилители). Так сделано в оригинальной Apple IIe, так же сделал и я. Поэтому важно при начальной сборке платы и запуске только от однополярного источника +5 вольт не забыть установить два дросселя L5 и L2 возле разъема питания для нормального функционирования обоих этих шин. Дроссели представляют из себя ферритовые бусины для гашения возможных высокочастотных помех от блока питания, и в случае современных качественных блоков питания и/или на период сборки-наладки их можно заменить на перемычки (в случае отсутствия нужных дросселей-фильтров).

Не смотря на кажущуюся простоту конструкции и небольшое количество микросхем, компьютер Apple IIe представляет из себя достаточно сложное устройство с жесткими привязками к таймингам, есть тактовые сигналы с обратной связью, что крайне затрудняет отладку "в динамике". Поэтому имеет смысл собирать плату поблочно, проверяя тот или иной узел после сборки и только после этого приступать к другому узлу. Начать следует с питания - необходимо определиться, планируется ли использования в дальнейшем каких-либо карт расширения, использующих кроме основного питания пять вольт дополнительные линии питания плюс 12 вольт, минус 12 вольт и минус пять вольт. Если планируется, то необходимо будет распаивать все дросселя-фильтры на каждые шины питаний, устанавливать все электролитические и фильтрующие конденсаторы по этим линиям. Если не планируется, то можно обойтись одним лишь однополярным блоком питания 5 вольт и не распаивать фильтрующие конденсаторы по дополнительным линиям питаний. А конкретно это дроссель L6 и керамические конденсаторы C89 - C95 (7 штук) 0.1мкФ по линии -12 вольт; дроссель L3, конденсаторы C96 - C102 (7 штук) 0.1мкФ и электролит C71 по линии -5 вольт; дроссель L4 и конденсаторы C75 - C81 (7 штук) 0.1мкФ по линии +12 вольт. Не лишним будет начать сборку именно с установки всех фильтрующих конденсаторов 0.1мкФ по линиям питания пять вольт (порядка 90 штук в общей сложности). Так как плата двухслойная без внутренних слоев питания и земли, без блокировочных конденсаторов на плате могут появляться нежелательные шумы по питанию.

После того, как на плату можно подавать питание (минимально запаяны дроссели-фильтры L5 и L2, или перемычки вместо них, и хотя-бы часть блокировочных конденсаторов 0.1uF) следующим шагом будет логичным собрать и запустить тактовый генератор. Для этого необходимо запаять микросхему U28 (К555ЛН1), резисторы R23 и R24 номиналом 330-470 ом, подстроечный конденсатор C52 типа КПК-КП и непосредственно сам кварц 14.31818MHz. После чего убедится, что на 6-ом выходе микросхемы U28 присутствует частота 14.3MHz. Вместо подстроечного конденсатора C52 можно установить обычный керамический конденсатор 5-20пФ, но в дальнейшем может потребоваться его подбор для правильных цветов на экране. В крайнем случае можно вообще шунтировать C52 перемычкой, но на экране скорее всего будет черно-белое изображение без цветовой составляющей. Далее, можно установить микросхему управляемый буффер U5 (К555ЛП8) и резистор R15 (1k). Через эту микросхему по разрешающему входу /CLKEN сигнал 14.3MHz с выхода 6 ножки U28 транслируется дальше в остальную схему. Если микросхема U5 исправна и резистор R15 установлен, то сигнал 14.3MHz должен присутствовать на 11 выводе микросхемы U5. Затем необходимо установить микросхему U29, выполняющую роль делителя основной частоты на два и на четыре. ВНИМАНИЕ! В rev1.0b по умолчанию микросхема U29 применена 74LS74, что не является правильным. Требуется ее замена на микросхему 74S109 с переделками, описанными ниже в разделе Errata . После ее установки (модифицированной микросхемы 74S109 с подогнутыми ножками) на 5 ножке (по посадочному месту на плате) должен присутствовать сигнал 7 MHz, а на 9 ножке (по посадочному месту на плате) сигнал 3.58 MHz. Для платы rev1.1 никаких переделок не требуется, микросхема U29 устанавливается согласно своему наименованию - 74S109. На 6 ножке должен присутствовать сигнал 7 Mhz, а на 10-ом выводе - сигнал 3.58 MHz. Если это так, то генератор основных сигналов (14.3MHz, 7MHz и 3.58MHz) у вас собран и запущен. После этого можно запаять все резисторные сборки, проверяя первый их вывод на соответствие первому выводу на монтажной схеме, так как многие разрешающие и другие сигналы подтягиваются через эти резисторные сборки к питанию. В какой последовательности собирать плату дальше - каждый решает сам, так как дальше уже становится все взаимосвязано друг с другом и одно вряд-ли будет работать без другого. Можно лишь посоветовать сперва запаять обе панельки для CPLD и прошить их, а дальше пробовать собрать "минимальную" конфигурацию, о которой ниже.

• На плате выведен JTAG-разъем J4 для прошивки только лишь одной CPLD U2 (MMU). Вторая CPLD U25 (IOU) своего разъема JTAG не имеет и не соединена с разъемом J4 в цепочку. Поэтому прошивать CPLD необходимо последовательно - сначала вставив первую CPLD в панельку U2, прошить, извлечь, далее вставить другую CPLD в панельку U2 и прошить. Либо же делать это на каком-либо внешнем устройстве/программаторе, если такой имеется в наличии. Прошиваются CPLD через стандартный программатор от Altera USB Blaster (или его клоны) в среде Quartus II начиная с версии 9.1. Распиновка разъема JTAG стандартна, изображена на картинке:
  
  В основе прошивок CPLD лежит открытый проект MMU/IOU от frozen_signal в неизмененном виде, кроме расставленных необходимых пинов у CPLD. Готовые pof файлы для прошивки:
  IOU здесь
  MMU здесь

• Прошивка GAL16V8 чипа:
  Apple IIe-IIc TMG - 341-0170-A - GAL16V8

• Прошивка основного ROM U14 (27C256) - так как применена микросхема большего размера (32Кб), чем в оригинальном AppleIIe (16Кб), на плате имеется возможность переключать верхний и нижний банк ROM джампером J2. Таким образом имеется возможность записать в ROM сразу две каких-либо прошивки, скомбинировав их. Например, прошика содержащая ROM от AppleIIe enhanced 1984 года и тест памяти Apple II RAM deadtest или прошивка от расширенной и не расширенной версии AppleIIe. Скачать их можно здесь:
  Apple IIe enhanced 342-0304-A-1984 + RAM deadtest
  Apple IIe enhanced 342-0304-A-1984 + Apple IIe 342-0135-A-1982

• Прошивка для знакогенератора U24 (27C64/AT28C64) - Применена 8кб микросхема, поэтому имеется поддержка "двухязыковых" евро-компьютеров. Возможна установка как ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием типа 27C64, так и электрически-стираемое ПЗУ типа AT28C64. При установке ПЗУ важно правильно выбрать тип микросхемы джампером J11 - когда джампер снят (не установлен) то препологается что используется микросхема типа AT28C64; когда джампер установлен - микросхема типа 27C64. Скачать какую-то прошивку со шрифтами можно здесь:
  Apple IIe Video - Custom - Enhanced-Reactive

Множество дампов оригинальных прошивок доступно по адресу: https://downloads.reactivemicro.com/Apple%20II%20Items/ROM_and_JEDEC/IIe/

Для минимального запуска очевидно, что на плату не требуется сразу устанавливать все компоненты. На первое время можно исключить:

• Дополнительную память 64Кб AUX Ram/80 Column card. Это микросхемы памяти U31-U38 (4164/ру5), защелка U39 (74LS374), буфер U40 (74LS245), резисторная сборка R42 (3.3Kx10), резисторы R40 и R41 (47ом);
• Микросхему буфер U22 (74LS245) - она буферизирует шину данных на слоты расширения, так же участвует в опросе порта джойстика и кнопок с клавиатуры OpenApple/ClosedApple;
• Схему обработки джойстика - это таймер U17 (NE558), резисторы R10-R13 (100ом), конденсаторы C23-C26 (0.022мкФ), времязадающий конденсатор C27 (0.1мкФ);
• Схему обработки входа с магнитофона - это операционный усилитель U15 (MCP602), его обвязку резисторы R6,R7,R8,R9, конденсатор C22 (0.1мкФ);
• Схему обработки выхода на магнитофон - это резисторы R21, R22;
• Мультиплексор U16 (74LS251) - он нужен для чтения данных из порта джойстика, порта магнитофона и обработке кнопок OpenApple/ClosedApple;
• Дешифратор U20 (74LS154) - он нужен для выбора устройств в слотах расширения. При этом дешифратор U18 (74LS138) на плату все-же следует установить, так как он участвует в дешифрации адресов необходимых IOU;
• Спикер (пищалка) - это транзистор Q1 и его обвязка C34,C36,R16,R18,D1;

При такой минимальной конфигурации должна выводится картинка на экран и запускаться тест проверки памяти Apple II RAM deadtest , а так же встроенный тест в основной прошивке AppleIIe, при этом приглашения с надписью Apple //e на экране не будет.

Клавиатурный контроллер расположен на отдельной дополнительной плате, которая устанавливается в основную плату с помощью штыревых соединителей типа PLS в посадочное место U21. В rev1.0b и rev1.1 это посадочное место маркировано как ATMEGA328P-PU, так как предполагалось что туда можно будет установить один лишь микроконтроллер Atmega без дополнительной обвязки в виде защелки и обслуживающий только лишь PS/2 клавиатуру. В дальнейшем в ходе разработке было принято решение вместо этого вынести клавиатурный контроллер на отдельную плату, который сможет обслуживать и PS/2 и оригинальную матричную клавиатуру Apple IIe. Отлаживать, проверять и запускать основную плату можно и без контроллера клавиатуры, для этого временно:

• необходимо сигнал /RESET (6 пин U21) подтянуть 10кОм резистором к питанию (+5В);
• необходимо сигналы SW1_CAPL (12 пин U21) и SW0_OAPL (11 пин U21) замкнуть на землю. В этом случае вместо встроенного теста в основную прошивку Apple IIe компьютер будет выходить в приглашение "Apple //e"

Дальше, если есть какое-либо загрузочное устройство с автоматической загрузкой, например известный контроллер Dan II / Apple II Storage Interface and Arduino Inteface можно установить его в слот (номер 5?), после чего должна произойти загрузка заранее выбранного образа ProDOS диска. Это может быть например образ с играми Total Replay , который будет крутить по-кругу заставки игр.

В зависимости от параметров транзистора Q2, а так же от применимых микросхем U19 (74LS10/555ЛА4/531ЛА4) и U1 (74S02/К531ЛЕ1) сумматор синхро, видео сигнала и цветовой составляющей может нуждаться в настройке. Если на изображении присутствует "двоение", за символами тянется шлейф, то необходимо подобрать резистор R31.

Для этого на время наладки вместо постоянного R31 6.8K впаивают переменный резистор 10K, плавной подстройкой которого добиваются отсутствия "шлейфа" за символами. Далее сопротивление переменного резистора замеряется мультиметром и на основе показаний подбирается и впаивается постоянный резистор нужного номинала. Например у меня при установленных: транзисторе Q2 КТ3107Б, U19 К531ЛА4, U1 К531ЛЕ1 сопротивление подстроечного резистора составило 456 ом, было впаяно ближайшее в ряде 470 ом, что дало приемлемый результат.

Контроллер клавиатуры выполнен на отдельной плате, которая посредством штыревых соединителей соединяется с основной платой. За основу взят микроконтроллер Atmel AT89C52 (8051 ядро, 256 байт RAM, 8кб FLASH), как наиболее дешевый (*на момент создания клона-реплики) пяти-вольтовый МК с большим количеством выводов GPIO. Прошивка контроллера позволяет обрабатывать оригинальную матричную клавиатуру Apple 2e, PS/2 клавиатуру, а так же одновременно их обе сразу.
Для установки дополнительной платы клавиатурного контроллера на материнской плате в посадочное место U21 впаиваются гнездовые соединители типа PBS 1x14 2.54" (мама):

При этом электролитический конденсатор C103 необходимо применить низко-профильный, либо расположить его горизонтально на материнской плате, что бы он не упирался в дочернюю плату клавиатурного контроллера. Компоненты C33 (0.1uF), J7 (штырки 3 пин) не устанавливаются (рудимент от идеи использовать Atmega в качестве клавиатурного контроллера).
На плате клавиатурного контроллера с нижней стороны в разъем MB-connector впаиваются соединители типа PLS 1x14 2.54" (папа):

Далее плата клавиатурного контроллера вставляется в основную плату посредством штыревых соеденителей и может быть дополнительно жестко зафиксирована через нейлоновые стойки с помощью трех крепежных отверстий винтами.

• схема клавиатурного контроллера rev1_0b
• монтажная схема клавиатурного контроллера rev1_0b
• список деталей BOM на клавиатурный контроллер .csv
• прошивка AT89C52 v2.58 Первый релиз.
• прошивка AT89C52 v2.58h Исправлено определение некоторых PS/2 клавиатур - увеличена задержка ожидания ответа от клавиатуры при включении.

Прошивка позволяет изменять некоторые параметры посредством нажатия специальных комбинаций клавиш, отдельно для матричной и для PS/2 клавиатуры. При нажатии такой специальной комбинации прямо в текущее положение курсора на экране выводиться краткое отображение изменившегося параметра. Для PS/2 клавиатуры возможно изменять Typematic Rate (Частота повторения симв/сек) и Typematic Delay (Msec) (Задержка повторения в msec). Значение по умолчанию для Typematic Rate устанавливается в 11 (0x0B), значение по умолчанию для Typematic Delay равно 1 (0x01). Так же для PS/2 клавиатуры введена клавиша F12 действующая как клавиша Reset:

Сканирование оригинальной матричной клавиатуры Apple 2e производится в прерывании по таймеру с интервалом раз в ~10мс (5мс выборка столбца, следующие 5мс чтение строки). По умолчанию этот параметр установлен в 5. Так же при сканировании матричной клавиатуры применяется программный анти-дребезг и учет времени нажатия отдельно взятой клавиши. По умолчанию это значение установлено в 4.

Так как на основной плате применена микросхема ПЗУ знакогенератора типа AT28C64/2764 (8Кб), то имеется возможность переключаться между двумя наборами шрифтов (языков). В европейских корпусах Apple 2e для переключения языка на передней части корпуса имелся отдельный переключатель, контакты которого можно подключить к плате клавиатурного контроллера к разъему J3 в штырьки 3,4. Если такого переключателя в корпусе компьютера нет, то выбирать необходимый банк ПЗУ знакогенератора можно устанавливая или снимая джампер с контактов 3,4 разъема J3 клавиатурного контроллера. Так же предусмотрена возможность переключать банки ПЗУ знакогенератора непосредственно с клавиатур определенной комбинацией клавиш, для этого необходимо установить джампер в положение 1,2 и высвободить контакты 3,4 разъема J3. В текущей прошивке не реализовано.

Для отладочных целей на плате клавиатурного контроллера выведен разъем J2 для подключения UART (TTL, 5V). Параметры порта: 2400 8N1. В процессе работы туда выводится некоторая отладочная информация.

• Отверстие под стойку в нижнем левом углу платы чуть-чуть не совпадает с расположением стойки в корпусе 2e. Нужно буквально на миллиметр расположить его ниже и правее?. Можно без проблем рассверлить до большего диаметра, так как никаких дорожек рядом не проходит.
  
• Не правильный рисунок на шелке у транзистора Q3 2N3904. Транзистор следует устанавливать плоской частью к верху платы.
  
• У микросхемы зещелки U23 74LS374 необходимо расположить дополнительный конденсатор ~220пФ между первой ножкой и землей. Можно навесным монтажом, можно снизу платы используя SMD тип конденсатора.
  
• Неправильно выбранная мной замена JK-триггера 74S109 в схеме делителя частоты на D-триггер типа 74(L)S74, микросхема U29. В результате чего цвета отображаются не правильно. Слева оригинальная схема Apple, справа примененная на плате схема: Кстати, свеже-отрисованная схема (кусок которой слева) так же содержит ошибку - прямой выход с первого триггера Q (6 нога) должен соединяться с входом J (14 нога) второго триггера, а инверсный выход /Q ( 7 нога ) должен соединяться с входом K (13 нога) второго триггера. Правильно эта схема нарисована в книге Jim Sather - Understanding the Apple IIe В итоге, 74S109 конечно не устанавливается в панельку для 74LS74, хотя бы потому что у них количество ножек разное. Ну и разумеется распиновка другая. Вариантов решения проблемы несколько: первое и простое, но не очень красивое - это воспользовался местом на плате с названием SPARE (небольшая макетка), куда можно запаять JK-тригер и снизу платы подпаять к нему провода МГТФ согласно схемы, U29 при этом разумеется не устанавливать.
  
  Второе решение - посложнее это все-таки установить 74S109 непосредственно на место 74LS74. Для этого необходимо загнуть (исключить контакт) и перекоммутировать некоторые ножки непосредственно под самой микросхемой 74S109 примерно таким образом: У микросхемы 74S109 загибаются ножки 1, 3, 7, 9, 12,13,14,16. Ножки 1 и 16 загнуты друг к другу и спаиваются между собой. К ним тонким проводом подпаивается отвод от незагнутой 15 ножки. Далее загнутая ножка 3 соединяется с незагнутой ножкой 8. Загнутая ножка 7 соединяется с загнутой ножкой 13. Загнутая ножка 9 никуда не подключается, так и остается просто загнута. Загнутая ножка 12 соединяется проводком с незагнутой ножкой 4. И наконец загнутая ножка 14 соединяется с незагнутой ножкой 6. Полученную "каракатицу" можно устанавливать в посадочное место U29 со сдвигом, так что бы 1 и 16 ножки висели в воздухе. Получается практически не заметно, без МГТФ снизу платы:

• У микросхемы U29 на шелке отсутствует ее наименование. Должно быть 74S109.
• Разъем U21 под плату клавиатурного контроллера до сих пор имеет на шелке наименование Atmega328P-PU. Должно быть KBD-Controller.

Задавать вопросы по сборке можно в телеграмм-канале https://t.me/appleiirus
Новости по разработке этого и некоторых других проектов в личном блоге https://t.me/tronix_blog