# RP2040 PIO 状态机精确仿真 ZX Spectrum/Amiga 卡带协议：时序波形生成参数

> 基于 RP2040 PIO 状态机，给出 ZX Spectrum/Amiga 卡带协议的 bit-banging 实现、时序参数与 PIO 配置要点。

## 元数据
- 路径: /posts/2025/11/28/rp2040-pio-state-machines-for-precise-cassette-emulation-zx-spectrum-amiga/
- 发布时间: 2025-11-28T11:33:51+08:00
- 分类: [systems-engineering](/categories/systems-engineering/)
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## 正文
RP2040 的 PIO（可编程 I/O）子系统是复古计算机卡带仿真领域的强大工具，特别是针对 ZX Spectrum 和 Amiga 等机的磁带加载协议。这些协议依赖精确的波形时序，如 ZX Spectrum 的 pilot tone（约 806μs 高/低脉冲）和数据位（0 位约 1333μs，1 位约 667μs），传统 CPU bit-banging 难以维持纳秒级精度，而 PIO 状态机（State Machine, SM）可独立运行，达到系统时钟（133MHz）级别的确定性执行。

PIO 的核心在于 2 个 PIO 块，每个块 4 个 SM，共 8 个 SM，每个 SM 执行共享 32 条指令的 PIO 汇编程序。SM 配备 OSR（输出移位寄存器）、ISR（输入移位寄存器）、X/Y Scratch 寄存器、双向 FIFO（TX/RX），以及 DMA/IRQ 接口，支持 FIFO 与 CPU/DMA 无缝数据流。指令集仅 9 种：JMP、WAIT、IN、OUT、PUSH、PULL、MOV、IRQ、SET，支持 [delay] 槽（0~31 周期）和 side-set（并行设置最多 5 引脚）。例如，SET pins, 1 [10] 可精确生成 10 周期高脉冲，结合 clkdiv（16.8 定点分频）调整 SM 频率，实现 μs 级波形。

针对 ZX Spectrum 卡带（EAR 端口，3.5mm 单声道音频，~1200-4000Hz），协议分 pilot（2168 脉冲对齐）、sync1（806μs 高 + 1606μs 低）、sync2（668μs 高 + 1606μs 低）、数据位（pilot 后边沿对齐，0: 1333μs 高 + 1333μs 低；1: 667μs 高 + 1333μs 低）。Amiga 类似，但 FAST/SLOW 模式下时序不同（pilot 240μs/480μs）。PIO 优势：一个 SM 生成时钟/数据波形，另一个处理数据流（DMA 从 SD 卡读取 .tap/.tzx 文件），CPU 仅监控。

工程实现中，先用 pioasm 汇编 .pio 文件生成 .h（如 maxduino.pio）。典型 PIO 程序：

```
.program cassette_tx
loop:
    pull block      ; 从 TX FIFO 拉 32 位数据块
    mov osr, ~x     ; 反转位序（MSB 先）
bitloop:
    jmp x-- bitloop ; X 递减至 0
    out pins, 1     ; 输出 LSB 到 OUT pins（bit-bang）
    set pins, 1 [pilot_delay]  ; 高脉冲，延迟 pilot_delay 周期
    set pins, 0 [sync_delay]   ; 低脉冲
    jmp !osre bitloop ; OSR 空时拉新数据
```

配置 SM：pio_sm_config c = cassette_tx_program_get_default_config(offset); sm_config_set_out_pins(&c, ear_pin, 1); sm_config_set_clkdiv(&c, div); pio_sm_init(pio0, sm0, offset, &c); pio_sm_set_enabled(pio0, sm0, true)。关键参数：

- **SM 频率**：sysclk / clkdiv，目标 ~1MHz（ZX pilot ~1.2kHz，周期 ~833 cycles）。133MHz / 133 = 1MHz，精确匹配 μs 级：pilot 高 806μs → 806 cycles，高 clkdiv=165（133MHz/165≈806kHz）。
- **延迟槽**：[n] = n / SM_freq（μs）。pilot 高：n = 806μs * SM_freq；数据 0 高：n=667μs * freq。
- **FIFO 阈值**：autopull=true, pull_thresh=8，确保流式无中断。
- **Side-set**：sideset_count=1, sideset pins for EAR（GPx），指令侧带 set。
- **DMA 链**：DMA0 从 SD → PIO TX FIFO，IRQ 同步多 SM（一 SM 波形，一 SM 校验）。

落地清单：
1. **硬件**：RP2040 板（如 Pico），3.5mm JACK（GP0 EAR OUT），SD 卡槽（SPI GP1-4），复古机 EAR IN。
2. **固件**：CMake 添加 pio_add_program(pio0 cassette_tx.pio)，UF2 刷入。SD 加载 .tap 文件，解析块头（pilot/sync/data len）。
3. **参数表**（133MHz sysclk）：

| 协议     | 元素     | 高 (μs) | 低 (μs) | clkdiv | 高 delay | 低 delay |
|----------|----------|---------|---------|--------|----------|----------|
| ZX Pilot | 高/低   | 806    | 806    | 165   | 133     | 133     |
| ZX Data0 | 高/低   | 1333   | 1333   | 200   | 267     | 267     |
| ZX Data1 | 高/低   | 667    | 1333   | 200   | 133     | 267     |
| Amiga SLOW| Pilot  | 240    | 240    | 278   | 67      | 67      |

4. **监控/回滚**：UART 日志 SM IRQ（rx_fifo() 检查溢出），示波器验波形（±5% 时序容忍）。风险：时钟漂移→动态 clkdiv 校准；长 tape（>10min）→DMA 优先级高，避免 CPU 饥饿。
5. **优化**：多 SM 并行（SM0 pilot/sync，SM1 data），JOIN_TX FIFO 双倍缓冲。

实际项目如 MaxDuino 使用 PIO 精确仿真多协议，支持 ZX/Amiga/MSX 等，加载速度达原生 100%。相比 CPU 轮询，PIO 零 jitter，功耗低（空闲 <1mA）。

资料来源：
- RP2040 数据手册 PIO 章节。
- ZX Spectrum 卡带格式规范（WOS）。
- MaxDuino 项目（retrogamecoders 评测）。

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