MC68000-x-2-Virtual-Memory-System

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# MC68000 x 2 Virtual Memory System

MC68000 を2個使って仮想記憶を実現してみた．その備忘録．

![MPUx2.jpg](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/MPUx2.jpg)

## MMU

SRAM で MMU を構成した．SRAM は2つあり，1つは論理アドレスを物理アドレスに変換する TransRAM，もう1つは物理ページへのアクセス (read/write) を記録する AccessRAM である．

- 論理空間は 0xFF800000 ~ 0xFFFFFFFF の 8 Mbytes
- ページサイズは 4 kbytes
- TransRAM は 11 bit の論理ページ番号 (A12-A22) を 8 bit の物理ページ番号に変換する（ブロックダイアグラム参照）．
- TransRAM において物理ページ番号 0xFE と 0xFF はページフォルトを表す．これらの値が記録されている論理ページにアクセスするとページフォルト信号 PGFault がアサートされる．
- AccessRAM の bit 7 はアクセスビット，bit 6 は書き込みがあったことを示すいわゆる dirty bit．残りの 6 bit は未使用で，更新の際には保存されるので，オペレーティングシステムが物理ページに関する情報を記録するために利用できる．

![block diagram](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/block_diagram.png)

![MC68000x2VMsystem.jpg](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/MC68000x2VMsystem.jpg)

MMU + RAM の他に，ブート用の Flash と UART (82C51) を載せた．GAL は単なるデコーダ．

![MMU_RAM.jpg](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/MMU_RAM.jpg)

## 仮想記憶の実現機構

2つの MC68000 を MPU[0], MPU[1] と呼称する．それぞれの制御信号も AS0#, AS1# のように数字をつけて区別する．

MPU[1] が通常処理を行い，ページフォルトが発生したら MPU[0] に切り替わり，ページの入れ替え処理を行う．2つの MPU の切り替えをコントローラが行う．

コントローラはリセット時に BR0 と HALT1 をアサートして MPU[0], MPU[1] をともに停止状態にする．BG0 と AS0 で MPU[0] の停止が確認できたら HALT1 をネゲートして MPU[1] をスタートさせる．

仮想記憶実現のポイントはリトライサイクルの利用にある．コントローラは MMU が発生したページフォルトを識別すると 調停動作を行う．

1. TransRAM 更新のための C.WR 信号を発行する（詳細は後述）
2. リトライサイクルを起動するために HALT1 と BERR1 を同時にアサートする．
3. これに対して MPU[1] は AS1 をネゲートすることで応答する．
4. コントローラは BERR1 だけネゲートし，MPU[1] を再開待ちの HALT 状態とする．
5. 同時に BR0 をネゲートして MPU[0] を起こす．
6. MPU[0] はページの入れ替え処理を行い，完了したら SWITCH 信号を発行する．
7. コントローラはこれを受けて BR0 をアサートし，MPU[0] を停止させる．
8. BG0 と AS0 で停止が確認できたら HALT1 をネゲートし，MPU[1] が再開する．ここでリトライサイクルが実行される．

コントローラの状態遷移図を以下に示す．初期状態は S0．状態 S1 は MPU[1] が通常処理を行っている状態．MPU[0] は BR0 で停止中．状態 S4 は MPU[0] がページ入れ替えを行っている状態．MPU[1] は HALT1 で停止中．

![controller_state_machine.png](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/controller_state_machine.png)

状態を HALT1, BERR1, BR0, C.WR の 4 bit で表現する．これらはそのまま制御信号となる．

積項を少なくするために，HALT1 と BR0 は反転して記憶する．結果として（偶然），リセット時の初期状態がよい値になった．

この状態機械を GAL 22V10 1個で実現した．`gal/MC68K_VM.GAL` を参照．

![controller_state_transitions.png](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/controller_state_transitions.png)

部品点数は MPU 以外 4個だけである．アドレスバスとデータバスを並列に接続できる点が大きい．

![MPUx2_board.jpg](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/MPUx2_board.jpg)

## フォルトを起こした論理ページの識別方法

仮想記憶を実現するだけであれば大きな困難はなく，MC68000 を DTACK で待たせておき，バスを切り離して，sub MPU でページ入れ替えを行った後，MC68000 を再開させればよい．sub MPU は MC68000 である必要はなく，どのようなものでもかまわない．しかし，これをそのまま実現しようとすると，バスの切り離しのためのゲートまたはセレクタと，フォルトを起こした論理ページ番号の識別のための読み込みゲートまたはラッチが必要になる．

部品点数を極力少なくするために，MC68000 を DTACK で待たせるのではなく，リトライサイクルを利用する．バス切り離しのゲートは AS#, UDS#, LDS#, R/W の4本で済む．欠点としては，read-modify-write サイクルには対応できない．

残る問題は，ページフォルトを起こした論理ページ番号を sub MPU が識別する方法である．コントローラがリトライサイクル起動前に発行する C.WR 信号はこのためのものである．

このライトパルスでアドレスバスの値をラッチし，sub MPU で読み出すというのがストレートな方法である．このラッチを省略するために，ページフォルトを表す物理ページ番号を 0xFE と 0xFF の2つ用意した．

オペレーティングシステムは，物理ページを割り当てない論理ページ番号の TransRAM スロットに 0xFE を書き込む．MPU[1] がこれにアクセスすると MMU がページフォルトを発生させ，これを受けてコントローラが C.WR 信号を出す．MMU はこれを受けて TransRAM に書き込み信号を出す．アドレスバスには MPU[1] の論理アドレスが出ており，TransRAM のデータバスはプルアップしてあるので，0xFF が書き込まれる．sub MPU は TransRAM を走査し，0xFF を検索することでフォルトを起こした論理ページ番号を識別できる．ページ入れ替えのコストに比較すれば，検索のコストは問題にならないと考えられる．

## 実機の動作

![timing chart](https://raw.githubusercontent.com/hatsugai/MC68000-x-2-Virtual-Memory-System/main/images/timing_chart.png)

1. MPU[0] が物理ページの割り当てられていない論理ページをアクセス
2. MMU がページフォルトを通知
3. これを受けてコントローラは調停に入る．まず C.WR 信号を発行する．これにより MMU は TransRAM の値を 0xFF に更新する．
4. コントローラは次に HALT1 と BERR1 を同時にアサートして MPU[1] にリトライサイクルを要求する．
5. MPU[1] は AS1 をネゲートして応答する．
6. コントローラはこれを受けて BERR1 だけネゲートし，MPU[1] を halt 状態とする．この時点で，アドレスバスとデータバスは High-Z となる．
7. 同時に BR0 をネゲートして，MPU[0] を起動する．
8. MPU[0] が起動し，BG0 をネゲートする．High-Z にならない制御信号はこれで切り替える．
9. MPU[0] が処理を開始
10. MPU[0] はページ入れ替え処理を行い（この例では省略），TransRAM に書き込む．
11. MPU[0] は Switch 信号を発行して，コントローラに MPU 切り替えを要求する．
12. コントローラはこれを受けて BR0 をアサートし，MPU[0] を停止させる．
13. MPU[0] が停止し，BG0 がアサートされる．
14. コントローラは BG0 と AS0 で MPU[0] の停止を確認したら，HALT1 をネゲートして MPU[1] を再起動する．
15. MPU[1] はリトライサイクルを実行し，ページフォルトを起こしたメモリアクセスを再実行する．

## 雑多なこと

- Apollo Domain 等，MC68000 で仮想記憶を実現したといわれている過去のワークステーションがどういう機構だったのかは知らない．MC68000 のマニュアルを読んでいて，リトライサイクルが使えるのではないかと思いついたのでやってみたというだけ．
- 仮想記憶といっても機構だけで，外部記憶はつけていない．ページの入れ替えはやったつもり．シリアルでやろうと思えばできるけど...
- 割り込みは考慮していない．面白そうな問題ではある．
- Supervisor/User モードの切り替えは考慮していない．つまり FC[0..2] は使っていない．
- MMU + RAM ボードは MC68010 でも使用できる（はず．試してはいない）．そのように境界を設計した（MC68000 x 2 の部分がいかに少ない部品で作れるかということを示す目的もあったが）．MC68020 の場合はタイミングを調整する必要がある．
- MMU を作るのは部品点数も配線量も多くてたいへん．コントローラだけでも切り替えの機構は実験できる．ページフォルト信号を生成する FF 等を用意すればよい．実際，最初の検証は MC68008 x 2 でそのように行った．MC68008 ならブレッドボードに収まる（収まった）．
- コントローラはマイコンで実現することもできる．実際，最初の検証では AVR を使った．ただ...マイコンを使うなら，それでページ入れ替えをすればいのではないか，さらに TransRAM の更新はすべてマイコンでいいのではないか（セレクタ省略）となり，だったらメモリもマイコンでいいのではないかとなり，だったらエミュレータでいいじゃないかとか，目的を見失ってしまいそうになる．そこで，今回のこだわりとしては1980年代後半くらいの部品だけで構成したという体にした．だからといってマイコンを使うことが悪いというわけではない．楽しみ方はいろいろあるというはなし．
- MC68000 x 2 にバスを解放させることもできる．BR0 と BR1 を両方アサートし，BG0, BG1, AS0, AS1, HALT1 を観測する（めんどくさ）．状態によっては MPU[1] は BR1 に応答できないので，HALT1 も観る必要がある．バス解放のために，制御線のセレクタには 74LS257 を使った．
- 回路図はないのかといわれそうだけど，実は書いていない．

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