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8位计算一直有一个特别的吸引力：你可以组装一个独立的系统，该系统功能强大，易于使用，操作简单，用户可以自行组装并编写程序。如今，大多数业余爱好者组装的8位计算机都采用经典的CPU，这个CPU来自20世纪80年代。当时正是家用计算机的英雄时代，数以百万计的电视机被征用作为显示器。我利用摩托罗拉6809自行组装了一台8位计算机。我试图使用尽可能少的芯片，但是仍然需要13个支持集成电路来实现RAM或串行通信等功能。于是我开始琢磨：如果我放弃使用经典的CPU，转而使用现代的8位的CPU呢？最低可以使用多少个芯片？
结果就是Amethyst。像经典的家用计算机一样，它有一个集成键盘，可生成音频和视频。它还有一个内置的高级编程语言，供用户自行编写程序。它只使用了6个芯片——1个ATMEGA1284P CPU、1个USB接口和4个简单的集成电路。ATMEGA1284P（以下简称1284P）芯片大约在2008年推出，程序存储器的闪存为128千字节， RAM为16千字节。它可运行高达20兆赫、配有内置串行接口控制器，并有32个数字输入/输出引脚。
由于有板载存储器和串行接口，我可以省去一大堆支持芯片。我可以以不同频率开关I/O引脚来产出音调，进而直接生成基础音频，只不过产生的方波十分刺耳。但是如何生成模拟视频信号呢？这肯定需要一些专用硬件吧？然后，在2018年底，我偶然发现了20世纪70年代史蒂夫•沃兹尼亚克（Steve Wozniak）用来给苹果II提供彩色图形功能的方法。该方法被称为国家电视系统委员会（NTSC）人工色彩，它可以追溯到20世纪50年代，美国彩色电视广播就采用了这种方法。最初，美国广播电视都是黑白的，使用的都是一个相当简单的NTSC标准。电视阴极射线管的光束扫描屏幕表面，一行接着一行。接收视频信号的振幅决定光束在行间给定点的亮度。然后在1953年，NTSC得到了升级，支持彩色电视，同时保持现有黑白电视的可识别性。兼容性是通过以高频正弦信号的形式编码颜色信息来实现的。相对于每行开始之前传输的参考信号（colorburst），在给定点信号的相位决定了颜色的基础色调。信号的振幅决定了颜色的饱和程度。然后，这种高频彩色信号被添加到相对低频的亮度信号中，以创建所谓的合成视频，如今仍被用作许多电视机和生产线上廉价显示器的输入信号。对于黑白电视来说，彩色信号就像是噪声一样，被忽略了。但是，彩色电视可以通过滤波电路分离出彩色信号与亮度信号。在20世纪70年代，工程师们认识到这种滤波电路可用于消费类计算机，因为它可以用数字方波信号复制合成模拟信号的大部分效果。当阴极射线管（CRT）逐行扫描时，由计算机发送到电视机的一连串0，可解释为持续的模拟低电压，表示为黑色。所有的1将被视为持续的高电压，生成纯白色。当位速率足够快时，更复杂的二进制模式可使高频滤波电路生成彩色信号。这一技巧可以让苹果II最多显示16种颜色。起初，我想快速开关I/O引脚来直接生成视频信号。不过，我很快就意识到，我的1284P运行时钟速度是14.318兆赫，我无法以足够快的开关速度来显示4种以上的颜色，因为内置串行接口发送一位数据需要两个时钟周期，这会将我的速率限制在7.159兆赫。（苹果II使用快速直接存储器访问，当CPU忙于内部处理时，将外部存储器芯片连接到视频输出，但我计算机的RAM是集成到芯片上的，所以这种方法并不是一个好的选择。）于是，我翻了翻抽屉，找出了4个7400芯片——两个多路复用器和两个并串变换移位寄存器。我可以设置8个1 284P的并行引脚，同时发送到多路复用器和移位寄存器，将它们转换成高速串行位流。通过这种方式，我可以生成高速位流，在屏幕上显示215种不同的颜色。其代价是，维持视频扫描线需要耗费大量的计算能力：只有大约25%的CPU时间可以用于其他任务。
因此，我需要一个轻量级的用户编程环境，我选择了Forth而不是传统的Basic。Forth是一种古老的嵌入式系统语言，它具有交互性强、代码编译效率高等优点。你可以在很小的空间里做很多事情。由于1284P不允许直接从其RAM执行已编译的计算机代码，因此用户编码被编译成中间字节码。然后，该字节码作为数据输送到在1284P闪存中运行的虚拟机。该虚拟机的代码是用汇编代码编写的，并经过人工优化，使其速度尽可能快。作为一名在Glowforge公司工作的工程师，我有机会使用先进的激光切割机，所以设计和制造木质外壳对我来说是一件很简单的事情（这也算是对Atari 2600木纹饰面的一种敬意）。机械键盘开关直接焊接在Amethyst计算机的单板上；它有一个特点是没有空格长条键，但是在<Enter>键上方有一个空格按键。我的GitHub库里有完整的电路图、印刷电路板（PCB）文件和系统代码，所以你完全可以动手组装自己的Amethyst计算机，或者改良我的设计。你能把芯片数量再减少一两个吗？IEEE Spectrum
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