家庭用コンピューターの初期には、Appleという会社がありました。 彼女はApple IIのコンピューター製品群で大きな進歩を遂げたばかりでしたが、ペースの速いコンピューター市場のトップにとどまるにはイノベーションが必要でした。 同社はすでにミニコンピューターに触発され、ビジネスユーザー向けのリサラインに取り組んでいます。つまり、適切な価格でしたが、平均的な消費者にとっては高すぎるように見えました。 追加のプロジェクトとして、Macintoshが開発されました。これは、「路上からの人々」のための新世代のコンピューターのアイデアの実現であり、約500ドルかかりました。 このプロジェクトはスティーブ・ジョブズに引き継がれ、彼のリーダーシップの下で、ハードウェアはより高度になり、ソフトウェアはテキスト・インターフェースの代わりにGUIを受け取り、価格はほぼ2,500ドルに急騰しました。 この価格で受け取った機器は、たとえば、他のマシンのグラフィックスアクセラレータとサウンド機能を欠いていましたが、ソフトウェアは価格を正当化しました。 最初のMacintoshはMac 128Kであり、その成功により、このコンパクトなMacのより高度なモデル、特にMacintosh 512K、Macintosh Plus、およびMacintosh SEシリーズの作成が促されました。



Macintoshの開発は1984年頃に行われましたが、コンピューターを理解し始めるずっと前から、コンパクトMacintoshには何らかの弱点がありました。両親が最初に購入したコンピューターはMacintosh Plusでした。 後に20 MB SCSIハードドライブが追加され、このマシンで最初のBasicプログラムを作成しました。 私がまだオランダに住んでいたときに、壊れたSE / 30マシンを購入し、それをLinuxサーバーに変えましたが、それでもMacソフトウェアを実行できました。 しかし、私はこの車をオランダに残し、ここ上海では、もはや古典的なAppleハードウェアを持っていません。



日常生活でMac Plusが不要になったことは明らかですが、ノスタルジア攻撃に備えてMac Plusを手元に置いておくというアイデアが気に入りました。 私自身がそのようなマシンの小さなコピーを作成すれば、おそらくMacintoshの経験を少しでも得ることができます。 古いハードウェアの小さなバージョンを作成した経験がすでにある場合は、このプロセスを適用して由緒あるMac Plusを構築してみませんか？

ディスプレイ

そのようなマシンを構築するには何を使うべきですか？ 最初に、Raspberry Piなどを使い、2.5インチLCDスクリーン、PCEやMiniVMacなどのエミュレーターを追加し、3Dプリンターでケースを印刷して、作業を検討するというアイデアを思いつきました。 しかし、私はこの考えが報われるとは思いません。私の好みのマシンは大きすぎるだけでなく、プロジェクト自体も単純すぎます。 オリジナルのMac 128Kでは、最終結果が低電力であることが判明した場合でも、開発者はお金を節約するためにいくつかのトリックを実行することができました。 標準的な「鉄」のレプリカを簡単に組み立てることは、元のデザインの精神に反します。 それで、もっとエキゾチックな食材を求めてTa宝網に行きました！





ディスプレイから始めることにしました。 当時、Macにはかなり高い解像度の画面があったため、適切なディスプレイを選択することが非常に重要でした。 通常、中国の電子機器市場でディスプレイを選択する場合、品揃えは膨大です。 残念ながら、「大規模な品揃え」は、高解像度の画面だけでなく、大きなサイズ、または小さな、小さな解像度の画面で構成されています。 理想的には、512x342ピクセルの解像度が必要でした。 これはMacのネイティブ解像度であり、同様のディスプレイでズームせずにすべてを表示できます。 残念ながら、市場にはこのような解像度の既製のスクリーンはありません。 最も近いアナログは640x480のようなものになります。 何らかの理由で、この解像度の画面は非常に大きく、最小の画面の対角線は3.5インチです。 したがって、残念ながら、Macをできるだけ小さくしたい場合は、解像度を下げる必要があります。



解像度を少し下げることはかなり可能だと判断したので、かなり大きなディスプレイの品揃えを入手しました。 私たちが見た最初のディスプレイの1つはx163qln01-AUO製の1.63インチOLEDスクリーンでした。 少し高価ですが（画面あたり約25ドル）、Ta宝網でよく見かけます。データシートには、少なくとも連絡先、サイズ、電力要件が記載されています。 このディスプレイはAndroidのスマートウォッチブランドの種類のために設計されたようで、少しグーグルで、使用できる開始シーケンスさえ見つけました。



唯一の問題（コネクタが互いに0.5 mmの距離にあるコネクタを除く）は、ディスプレイがSPIではなくパラレルインターフェイスを使用し、MIPIインターフェイスを使用しないことでした。 これについては後で対処する必要があります。



ディスプレイを選択したら、プロセッサに移動できます。 ESP32-Wroverモジュールを選択しました。 このモジュールには、ESP32（240 MHzで動作する2つの32ビットCPUと約0.5メガバイトのRAMを備えたWiFiチップ）、4 MiBのフラッシュメモリ、4 MiBのPSRAMが含まれています。 2つのCPUコアはMacをエミュレートするのに十分高速であり、4 MiBのPSRAMをMac RAMとして使用できることを提案しました。 4 MiBのフラッシュメモリはそれほど多くはありませんが、エミュレーターとシステムソフトウェアとプログラムを備えた小さなハードディスクには十分です。 私はエスプレッシフで働いているという事実からも恩恵を受けているので、この機器は私にとって非常に馴染みのあるものです。 さらに、モジュールを購入して配送を待つ代わりに、仕事からいくつかのモジュールを取り出すことができます。



そのため、すべての準備がほぼ整いました。OLEDスクリーンには電源用のコンポーネントが必要だったため、低電圧降下安定器（LDO）やその他の電源チップによってコンポーネントの数が増えました。 Macにもサウンドが必要だったため、安価なアクセラレータチップとスピーカーを用意し、電源とデバッグ用の標準FT232モジュールを入手しました。 これらのコンポーネントはすべて非常に小さく、デバイスの本体を小さくすることができます。 結果は、実際のMacの1/6をわずかに超えるモデルになるはずです。

表示制御

ディスプレイの解像度、サイズ、明るさについて文句を言うことはできませんが、ピクセルを表示することはより困難であることがわかりました。 MIPIはESP32シリコンでサポートされていなかったため、MIPIと通信する別の方法を見つける必要がありました。 MIPI DSIはMIPI Allianceによって開発された標準であり、公開されていません。 これは私にとって趣味であるため、漏えいしたドキュメントから情報を収集し、既存のデバイスをテストする必要がありました。 幸いなことに、1、2年前に、 Mike HarrisonはiPodディスプレイの制御に使用されるMIPI DSIインターフェイス（1、2、3、4、5、 Webサイト ）をリバースエンジニアリングし、仕様のコピーもいくつか見つけました。 それは私の人生をずっと楽にしてくれました：少なくとも、ディスプレイに何を送るべきかを理解するのに役立ちます。



インターフェイスにはさらに多くの機能がありますが（これについては、上記のリンクを提供したすべてのビデオをご覧ください）、物理的なMIPIレイヤーの説明は非常に簡単です。 MIPIは、2つのデータバスと2つのクロックバスの4つのワイヤを使用します。 また、低電力（LP）モードと高速（HS）モードの2つの信号伝送モードがあります。









低電力モードでは、制御データ構造の送信と、特定のコマンドが物理レシーバーに直接影響することを示すために、ワイヤが個別に使用されます。 このモードの電圧降下は、高速モードに比べて非常に大きくなります。高信号の場合、電圧は約1.2 V、低信号の場合は約0 Vです。低電力モードにはより多くの信号状態があるため、送信などの機能を実行します高速モードに切り替えるか、終了する注文の受信者。 上のグラフの青い線は、低電力モードでのデータ送信を示しています。



高速モードでは、2つのクロックバス（CLKP / CLKN）と2つのデータバス（DP / DN）が差動バスとして機能します。一方のバスは常に他方のバスです。 レシーバーは2つのバスの違いを検出し、それらに基づいて送信値を設定します。DPを超える場合は1、DNを超える場合は0です。 名前が示すように、高速モードは最大1.5 GHzのクロック周波数で非常に高速なデータ転送を提供します。 電磁干渉と電力消費をあまりせずにこれを達成するために、標準は次のトリックを使用します：非常に低い電圧を使用します：ペアの電圧は平均200 mVで、バスごとの偏差は0と1を示すためにバスごとに±100 mVです。 上記のグラフでは、赤ビットは高速モードで送信されます。



高速モードでデータ自体を転送するという観点から見ると、インターフェースは本質的にかなり奇妙な差動SPIインターフェースと見なすことができます：クロック信号とデータ伝送チャネルがあり、各クロックサイクルでデータ値がインターフェースに送信されます。 SPIとの違い（信号が差動である点を除く）は、CLKビットの状態が変化した場合にのみデータビットが送信されることであり、たとえば立ち上がりエッジだけではありません。 もう1つの違いは、/ CSバス上の信号が低くなると送信の開始が認識されず、むしろ帯域内信号であるということです。各データ送信は1つの一意の「マジックワード」で始まり、受信者はこの値を決定して送信が開始されるタイミングを把握します。



このインターフェイスがESP32とやり取りできるようにするには、レベルシフトを実行する必要があります。 すべてのGPIOも3.0または0 Vになるように、3.0 VのソースからESP32に電力を供給したかったのです。これをMIPIインターフェイスの信号レベルに適合させるために、最も低コストのソリューションを選択しました。



抵抗値を計算するために、関心のある3つの出力電圧状態の方程式を作成しました（高低電力信号の場合は1.1 V、低高速信号の場合は0.07 V、高速信号の場合は0.33 V、電圧はほとんどの場合、それらは仕様内にとどまります）、およびそれらを生成する3つの入力状態。 方程式がわかりました。 理論的には、それらを手動で解決することは可能でしたが、最終的にはWolframAlphaでそれらを放棄し、必要な抵抗値を取得しました。

            3v
 G -R1-+ R3
 G -R2-+-+ ---->
            R4
            GND

 R4 *（1.9 / R1 + 1.9 / R3）= 1.1、 
 （1 /（1 / R4 + 1 / R1 + 1 / R2））*（2.93 / R3）= 0.07、 
 （1 /（1 / R4 + 1 / R1））* 2.67 *（1 / R3 + 1 / R2）= 0.33、 
 R2 = 1000

 R1 = 280、R2 = 1K、R3 = 3K6、R4 = 150 

この時点で、少しcheすこともできることに気付きました。高速モードではバスが差動であるため、ディスプレイは2つのバスの違いだけを見て送信データを決定します。 これは、一方のバスに固定電圧を維持し、他方にハイまたはローの信号を印加することにより、GPIOを節約できることを意味します。 これを行うには、2番目のタイプの抵抗ネットワークが必要でした。

            3v
            R3
 G -R1-+-+ ---->
            R4
            GND

 R4 *（1.9 / R1 + 1.9 / R3）= 1.1、
 （1 /（1 / R4 + 1 / R1））*（2.8 / R3）= 0.2、
 R4 = 150

 R1 = 320、R3 = 1500、R4 = 150 

別のタスクは、クロック回路を作成することでした。 通常のSPIは、クロックバスのリーディングエッジでビットを送信します。 （または、構成に応じて立ち下がりエッジで。）MIPIは、クロック信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方でビットを送信します。 ESP32機器のSPIモジュールはそれ自体ではこのような信号を生成できませんが、反転出力が入力に接続されている単純なDトリガーを使用して、一方を他方に変換できます。 入力の各クロックパルスは、必要に応じて出力レベルを変更します。

回路図

ディスプレイ機器を扱ったので、最も難しい部分を終了しました。 あとは残りを追加するだけです。 電源から始めましょう。 それは非常に簡単です：5V回路全体をUSBからシリアルへのコンバーターから供給します。これは、デバッグ/プログラミングインターフェイスとしても使用できます。 この電圧は、OLEDスクリーンに必要な+4.6 V、-3.4 V、1.8 V、およびESP32に電力を供給する3.0 Vを生成するために使用されます。 TPS65631チップによって+4.6 Vおよび-3.4 Vの電圧が生成され、このための基準回路がOLEDディスプレイのデータシートに示されています。 他の電圧は、単純なLDOのペアによって生成されます。









Macintoshにも音がありました。 現代の標準では、その品質はそれほど高くありません（22 kHz、8ビット）が、そのプログラムの音は今や伝説になっているので、私のプロジェクトではそれらを拒否することはできませんでした。 ESP32には8ビットDACが組み込まれています。これは、エミュレーターによって生成されるアナログ音波を作成するために使用されます。 その後、これらはNS8002に供給されます。NS8002は、小さなSOIC8形式でマウントされた2ワットのABクラスのサウンドアンプです。 安価で、必要なサポートコンポーネントがほとんどなく、小さなMacに注意を引くのに十分なサウンドを作成します。









Macintoshを非常に革新的なものにした側面の1つは、マウスを備えた最初の商用コンピューターの1つだったことです。 Macintoshチームはマウスを非常に慎重に考え出したため、OSのほぼ全体がマウス制御のUI要素に基づいており、たとえばIBM PCとは異なり、Macintosh全体をマウスで制御できます。 明らかに、私の小さなMacにもこの重要な周辺機器が必要でした。 最初のMacintoshで販売されていたボールマウスは今でも覚えていますが、ローラーを頻繁に汚れから掃除する必要があることにはあまり満足していませんでした。 このため、これらの機械装置は光学式マウスに完全に置き換えられました。 この利点は、これらの新しい光学式マウスの詳細を見つけるのが非常に簡単なことです。たとえば、ADNS9500ゲーミングマウスセンサーと対応する光学機器の売り手を見つけるのに、それほど時間はかかりませんでした。



別の便利な側面は、光学式マウスセンサーがかなり深く統合されたデバイスであるということです。動作に必要な外部コンポーネントはわずかであり、これは回路に反映されます。 電圧を安定化するためのいくつかのコンデンサ、レーザーダイオードをオンにするMOSトランジスタ（データシートから直接コピー）、およびその他の標準的な詳細を追加しました。 マウスセンサーは4線のSPI信号を介してデータを送信し、これらの線の1つを使用してマウスボタン信号を送信しました。ボタンをクリックすると、MISO接点がかなりプルダウンされます。 このプルアップ抵抗の値は、マウスがデータの送信を停止するのに十分ではありませんが、通常はバスを引き上げるプルアップ抵抗を克服するのに十分であるため、センサーがMISOバスに3つの状態を作成すると、ESP32はボタンが押されたことを認識できます。









最後に、OLEDスクリーンを接続する必要があります。 すべての抵抗器の値を計算するという困難な作業はすべて完了しているため、回路は多かれ少なかれそれ自体を語るべきです。 追加されたチップはDフリップフロップであり、クロック速度を半減するために使用されます。上記のように、MIPI規格ではクロック極性が反転するたびに新しいビットが必要ですが、ESP32は前面または背面でのみ新しいビットを送信しますフロント。









回路図を描いた後、回路基板設計を作成しました。 私が選択したディスプレイは、それを制御するボードに取り付けられ、コネクタはこの回路基板の背面にあるはずです。 これは他のコンポーネント用のスペースをあまり残しませんでしたが、他のすべてのコンポーネントを反対側に配置したかったのです。









良い視界とホットエアガンを持っていることは素晴らしいことです。これにより、0603コンポーネントを使用して、ボードの限られたスペースにすべてを配置することができました。 ディスプレイコネクタとOLED QFNパワーチップを従来のはんだごてで接続することは特に困難です。









マウスセンサーとそのコンポーネントはボード上のスペースを取りすぎるため、すべてのコンポーネントをセンサー自体にはんだ付けすることにしました。 これにより、すべてをマウスに配置できます。

ソフトウェア

明らかに、ソフトウェアはこのアセンブリのかなり重要な要素です。Macintosh全体をエミュレートする必要があります。 ただし、Macintoshはそれほど複雑なマシンではありません。 実際、68000マイクロコントローラー、シリアルポートを制御するZilog Z8530シリアル転送コントローラー、内部I / Oおよびキーボードとのインターフェースを提供するための6522 VIA、およびディスプレイとサウンドのロジックを含む複数のプログラマブルロジックアレイ（PAL）で構成されています。 また、フロッピードライブとのインターフェイスを提供する統合Woz Machineチップもあります。 これはかなり複雑なチップです。 ただし、フロッピーディスクをエミュレートする予定はないので、IWMをエミュレートすれば十分で、ドライブにディスクがないことを常に返します。 代わりに、エミュレートされたSCSIハードドライブに接続されたNCR 5380 SCSIチップを完全にエミュレートし、組み込みのESP32-Wroverフラッシュメモリから読み取ります。



さらに、システムには機器に直接アクセスするプログラムはほとんどありません。Macプログラマーは、最初からOSレベルのハードウェアアブストラクションレイヤーを使用して、Mac機器の将来のバージョンとの互換性を維持するように言われました。 一般に、これは、OSが起動してすべてに満足する程度までハードウェアをエミュレートすることができれば、ほとんどのプログラムが問題なく動作することを意味します。



そこで、エミュレータをゼロから作成してみることにしました。 より正確には、まったくゼロからではありません。 68000はかなり複雑な獣であり、私は車輪を再発明したくありませんでした。 代わりに、インターネットを検索したところ、 MAMEには、Musashiという便利で高速なCKベースの68Kエミュレータがあり、私のニーズに完全に合っていることがわかりました。 RAMではなくオペコードをフラッシュメモリに転送するために少し工夫する必要がありますが、それ以外の場合は、ESP32への移植にはほとんど何も必要ありません。



ただし、プロジェクト全体をESP32で開発する予定はありませんでした。このチップはOpenOCDをサポートしているため、かなり広いデバッグ機能を提供するため、「ダウンロード、テスト、修正、ロード」サイクルが単調すぎます。 そのため、ESP32の制限を忘れずに、最初にすべてをLinuxマシンで開発することにしました。 そこで、さまざまなチップのデータシート、マシンのLinux-68K情報 、およびインターネットで入手できるInside Macintoshシリーズの情報を使い始めました。 次に何をすべきかわからないときは、 他の オープンソース エミュレーターの内部を見ることができました。



これらすべてを備えて、コンパイラーとしてgccを選択し、グラフィックスを操作するためのライブラリーとしてlibsdlを選択して、作業を開始しました。 手短に言えば、しばらくすると、簡単ですが、一般的に機能するMacPlusエミュレーターが手に入ります。マウス、ビデオ、SCSIハードドライブ、およびサウンド機能です。









私のハードウェアはまだ準備ができていなかったので、エミュレータを開発ボードESP-Wrover-Kitに移植することにしました。 私はまだそのようなボードをいくつか手元に置いていて、とにかく使用するWroverモジュールに加えて、ビデオの動作をチェックするのに使用できる便利な320x240ディスプレイを持っています。









セットアップ後、Macエミュレーターはこのボードでかなりの利益を上げました。 実際、通常、Mac Plusが動作する7.8 MHzに非常に近いです。 （7.8 MHzはMac Plusよりわずかに高速です。このマシンでは、メモリサイクルの一部がフレームバッファとサウンドシステムを消去するため、周波数を35％削減できます。）



明らかに、devboardでのエミュレーターの作業は良い前進ですが、最終的にはすべてがdevboard画面ではなく、購入した画面で機能するはずです。 そしてもう1つ：devkit画面は320x240の画面を持ち、Mac画面の固体部分を切り取ります。 使用するディスプレイのサイズは320x320なので、垂直方向にのみ大きくなります。512x342のMac画面を表示するにはどうすればよいですか？



320x320の画面に512x342ピクセルを配置する方法は1つしかなく、それがスケーリングです。 実際、画像を取得して圧縮し、小さくしてから表示します。 ただし、スケーリングはさまざまな方法で実行できます.OSによって生成された白黒画像は、各ピクセルが画面上に明確に定義された光の点を作成すると想定していることを考慮してください。つまり、すべてを台無しにする多くの方法があります。 できるだけ少ないピクセルを失う必要があります。 つまり、OLED画面の解像度を上げる必要があります。



しかし、それを行う方法は？ OLED画面を開いて、内部にさらにいくつかのピクセルを配置できるとは考えられません。 ただし、これは必要ありません。 OLEDディスプレイの解像度はすでに述べた3倍です。 その理由は、この画面が色だからです。各仮想「ピクセル」には赤、緑、青のサブピクセルがあります。 さらに、この特定の画面では、サブピクセルに三角形が並んでいます。 以下は、3つのピクセルをオンにしたクローズアップスクリーンショットです。









ご覧のとおり、ピクセルは3つのサブピクセルの三角形のセットです。 列に応じて、三角形は下または上を指します。 本質的に、これは、画面のサブピクセル解像度が480 x 640ピクセルであることを意味します。 これはまだ512x342ピクセルを表示するのに十分ではありませんが、その差は非常に小さいため、適切な小さなスケールを選択すると、9インチ画面用に設計されたGUIを表示する1.63インチ画面で表示が可能な限り読みやすくなります：

本体

これで、Macintosh Plusを非常によくエミュレートするディスプレイとソフトウェア、さらにそれを実行できるマイクロコントローラーが手に入りました。 何が欠けていますか？ 明らかに、これらすべてのエンクロージャー！



私は仕事からFormlabs 1+ SLA 3Dプリンターで印刷することにしました。 これを行うには、最初にモデルが必要です。 ゼロから作成したかった。 明らかに、本物のMacintosh Plusを手元に置いたほうが良いでしょう。 実際に、私はそれを持っていますが、大陸の半分が私たちを共有しています...幸いなことに、私はほとんど同じように良い解決策を見つけることができました：親切な人がiFixit wikiで元のMac 128K（ケースはPlusとほぼ同じです）の寸法を示しました。



私はまだOpenScadですべての3Dモデルを作成しており、苦痛と呪いの後、すべての曲線を必要に応じて見せることができました。 1：6スケールの美しいMacモデルを手に入れました。









また、iFixitを使用して画像からマウスを作成しましたが、光学式マウスの十分に大きいセンサーがそれに適合するはずなので、実際のマウスの1/6にスケーリングできません。 スケールは2/5に近いため、マウスは小さなMacに比べて大きく見えますが、スケーリングされていない人間の指にとってははるかに便利です。









したがって、残っているのはモデルを印刷することだけです。 コンストラクトをさまざまなSTLファイルにエクスポートし、Formlabs 1+で印刷しました。 最終結果は十分でした。 デザインの両方の部分にラッチを追加しなかったことを後悔しています。 この問題は一滴の接着剤で解決されました。

結果

だから、私はすべてのコンポーネントを持っていて、それらを組み立てることしかできませんでした。 シャーシ前面のPCBコネクタは、いくつかのクリップで固定されています。 ブートメカニズムおよび電源として使用されるusb-to-serialコンバーターは、背面に接続されており、いくつかの端子にも取り付けられています。 スピーカー内部に取り付けるために何かをするのを忘れていましたが、スーパーグルーでケース内でそれを修正することができました。 マウスは細い線で接続されています。 （はい、彼らは配色とやや矛盾しています...より美しいマルチコアケーブルが見つかったらすぐに修正します。）









コンピューターですべてを開発する場合、工場からプリント回路基板を受け取ったときや、数週間作業していたケースデザインの3Dプリンターで印刷した後など、プロジェクトが完全に具体化されたときにのみ、製品の真のスケールを実現します。 もちろん、すべてが元のMacの6分の1になることは知っていましたが、すべてをまとめて車を実際に見て初めて、その意味を理解しました。 Macは本当に小さいことが判明しました！















小型でキーボードがないにもかかわらず、Macで有名なプログラムのほとんどを実行できます。これがデモです。最初の20秒でメモリチェックが実行されます。経験から、このような長いチェックはバグではないことがわかりました。元のMac Plusは、アップグレード後でもロードに同じ時間がかかりました。





それでは、このMac Plusの何が良いのでしょうか？私はそれを作成することを楽しんでいましたが、キーボードなしでは最大限の能力を発揮できないことを認めなければなりません。さらに、彼には通信手段がありません。私はWiFi経由でAppleTalkを実装する予定でしたが、元のMacのシリアルバスコントローラーチップ自体ではエミュレートできないという奇妙な理由で成功しませんでした。それでも、完成したプロジェクトをこの状態にして、ようやく私の古い夢を実現し、スクリーンセーバーのスクリーンセーバーのトースターを画面上で飛ばして、それをMacテーブルに置くことができます。









いつものように、このプロジェクトはオープンソースであり、プリント回路基板とケースの設計、およびファームウェアがGithubに投稿されています。すべてがBeer-Wareライセンスの下でライセンスされているので、あなたはそれを使ってほとんど何でもすることができます。プロジェクトで何かを使用したことがある場合は、私にそれについて書くことができます。