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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。

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
  1. 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。
  2. 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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