Sprinter-SDCC/docs/im2_isr_design.md

IM2 Interrupt Handlers — Design Document

Status: Phase 1 РЕАЛИЗОВАН 2026-07-06, ИСПРАВЛЕН после отладки (libc/irq: irq_install/irq_remove + трамплин; тест tests/irqtest).

Результаты verification (2026-07-06, по docs/samples и исходникам MAME)

Первая версия зависала на первом же прерывании после irq_install. Причины и проверенные факты:

• DSS работает в IM 1 (обработчик на 0x0038). I=0x3F — наследие Spectrum ROM, НЕ признак IM 2-таблицы. Доказательства: docs/samples/sprinterIntLib.asm (intRestoreDefaultInterrupt: ld i,a
  • im 1 безусловно, «обязательно перед функциями дос и биос») и docs/samples/SIO_CTC_KEY.asm (выход: LD I,A + IM 1). Чтение «таблицы DSS» по [I<<8+0xFF] давало мусор (0x00BF) и было причиной зависания. Фикс: чейн из трамплина ВСЕГДА на 0x0038 (jp с interrupted-PC на стеке = имитация RST 38); irq_remove всегда восстанавливает IM 1 (I — только регистр).
• CBL-фильтр по биту 7 порта 0xFE убран из трамплина: в MAME при выключенном CBL бит 7 всегда = 1 (sprinter.cpp kbd_fe_r: data |= 0xE0), и каждое кадровое прерывание ложно классифицировалось как CBL — user-handler не вызывался бы никогда. Признак «#fe.bit7=1» (sprinterIntLib.asm) имеет смысл только при активном CBL — вернуть в Phase 2 вместе с поддержкой CBL.
• Порт 0x19 = SIO-A RR0 (Z84C015), бит 0 = «Rx Character Available» — семантика клавиатурного пробника верна (подтверждено sprinterIntLib.asm: in a,(COM_A); bit 0,a; Z → кадровое).
• Вектора встроенной периферии Z84C015: SIO — 0x10..0x1E, CTC — 0x06 (базовые вектора задаются записью в WR2 SIO-B / CTC ch0). Штатно их прерывания выключены (сэмплы включают/выключают их сами); наша заливка 257×H перехватывает любой вектор на трамплин, а чейн на 0x0038 безопасен для любого источника.
• Внешний вектор действительно 0xFF (MAME sprinter.cpp: set_irq_acknowledge_callback → 0xff).

Отличия реализации от плана ниже:

• отдельный --memory im2 НЕ понадобился: таблица — статический буфер 513 Б в BSS с выравниванием в рантайме; т.к. внешний вектор — только 0xFF, значимы лишь байты [0xFF]/[0x100], и 3-байтовый jp _irq_tramp лежит ВНУТРИ таблицы по смещению H (H = старший байт её адреса, < 0xC0 — не пересекается). Никаких linker-областей и правок crt0;
• работает в tiny/big (код и данные в W2); в small/huge irq_install возвращает EINVAL (проверка адресов трамплина/буфера);
• чейн к DSS — ВСЕГДА и всегда на 0x0038 (и клавиатура, и кадр): не нужно знать, что DSS делает в своём ISR — SYSTIME/клавиатура/мышь живут. User-handler зовётся только на кадровых (фильтр: бит 0 порта 0x19 → мимо); финальный jp — SMC-операнд;
• W3-порт в трамплине НЕ сохраняется: gfx держит DI на время свопов, а user-handler'у banking запрещён; DSS свои окна сохраняет сам;
• irq_remove вешается на atexit (выход без снятия = IM 2/I указывают в память умершего процесса = крах шелла); восстановление — всегда IM 1.

Phase 2a — CTC-таймер (РЕАЛИЗОВАН 2026-07-07)

irq_ctc_install(handler, div2, div3) / irq_ctc_remove() — вектор 0x06, ОТДЕЛЬНЫЙ от кадрового 0xFF (решает проблему «кадр и клавиатура неразличимы»). Механика (по docs/samples/sprinterIntLib.asm и SIO_CTC_KEY.asm):

• CTC Z84C015: канал 2 тактируется видеотактом 875 кГц (1 тик = 1 знакоместо) и работает делителем; канал 3 считает от канала 2 и прерывает. f = 875000/(div2*div3), div 0 = 256;
• пресет IRQ_CTC_VSYNC_DIV2/3 = 112×160 (2 пикс. линии × 160 = 320 линий) — точное начало кадра ~48.8 Гц;
• порты: CH0=0x10, CH2=0x12, CH3=0x13; control-слова 0x57 (ch2: counter, int off) / 0xD7 (ch3: counter, int on); базовый вектор блока пишется в CH0 (0 → вектор ch3 = 0x06); стоп = 0x03 (reset);
• RETI обязателен в CTC-трамплине: daisy chain Z84C015 снимает IUS только по опкоду RETI — с RET следующее прерывание не придёт;
• CTC-путь НЕ чейнится к DSS (личное прерывание); кадровые/клавиатурные 0xFF идут своим путём параллельно;
• общая IM2-таблица под счётчиком ссылок (_irq_table.c): кадровый и CTC-хендлеры ставятся/снимаются независимо, последний возвращает I/IM 1; atexit-уборка глушит CTC ОБЯЗАТЕЛЬНО (иначе после выхода прерывания кГц-частоты душат шелл).

Phase 2b (CBL/COVOX handler — вернуть фильтр 0xFE.7 при активном CBL, sample-буфер; фундамент Audio API), ISA-вектора, цепочки нескольких хендлеров — не реализовано.

Этот документ собирает всё, что мы знаем о прерываниях Sprinter и план реализации user-задаваемых ISR через Z80 IM 2 mode. Когда возьмёмся за реализацию — читать этот файл, чтобы не повторять research.

Зачем нужны прерывания

• Timer ISR (50/60 Hz) — счётчик кадров, плавная анимация без busy-loop, тайминги
• Mouse / keyboard async-обработка — без polling
• Music playback — AY-3-8910, COVOX через прерывания
• Real-time games — input + game logic + render в interrupt-driven архитектуре

Hardware-факты (из docs/converted)

Sources of vector 0xFF

Источник	Detect bit	Частота
Frame (screen refresh)	(default if none of below)	50/60 Hz
Keyboard	port 0x19 (COM_A) bit 0	event-driven
CBL/COVOX (sound)	port 0xFE bit 7 (sample request)	sample-rate-dependent
Mouse	— (hardware interrupt not wired)	—
ISA	другой vector (configurable)	depends

Источники:

• docs/converted/Forum.txt:956 — кадровые и клавиатурные прерывания приходят с vector 0xFF; различаются по bit 0 порта 0x19. От мыши прерываний нет
• docs/converted/Forum.txt:758-764 — CBL также vector 0xFF, отличить по bit 7 порта 0xFE
• docs/converted/IvanMak.txt:1086 — READ_KBD: IN(0x19), bit 0 = "байт принят"; затем IN(0x18) = data byte; нужно drain FIFO (до 3 байт)
• docs/converted/IvanMak.txt:1471 — ВАЖНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ: vector table + ISR + stack ОБЯЗАНЫ быть в области 0x8000..0xBFFF (window 2). Иначе BIOS будет отключать прерывания на каждой вызове функции

Что DSS делает в своём ISR (предположения, требует verification)

DSS shell имеет свой IM 2 handler:

• Drain'ит keyboard FIFO в свой буфер (читается через ESTEX WAITKEY/SCANKEY)
• Возможно обновляет ESTEX SYSTIME ($21) tick counter
• Возможно poll'ит mouse (хотя hardware-IRQ от mouse нет — может быть software polling)
• Refresh курсора мыши (он же видимый и движется в shell)

Без chain'инга к DSS:

• Сломается клавиатура (ESTEX kbd functions не получат байты)
• Может сломаться SYSTIME counter
• Может перестать обновляться mouse cursor

IM2-трюк

Стандартная схема для одиночного ISR address:

1. Аллоцировать 257-байтный буфер заполненный одинаковым байтом H
2. Загрузить I = H (например H=0xA3 → table at 0xA300, обращения 0xA300..0xA400)
3. При прерывании CPU читает байт по (I<<8)|v и следующий
4. Если оба байта = H → ISR address = (H<<8)|H = HHHH
5. По адресу HHHH положить jp real_isr

Поскольку для нас интересен только vector 0xFF: read bytes at (0xA3FF) and (0xA400). Если table заполнена H=0xA3 — оба байта читаются как 0xA3. ISR_ADDR = 0xA3A3. По адресу 0xA3A3 кладём 3-байтовый jp _trampoline.

Предлагаемый дизайн

Public API (libc/include/irq.h)

typedef void (*isr_t)(void);

int  irq_install(isr_t handler);  /* 0 OK, -1 error (already installed) */
void irq_remove(void);

/* Convenience macros — wrap DI/EI when modifying volatile globals
 * shared between main and ISR. */
#define IRQ_DISABLE()  __asm di __endasm
#define IRQ_ENABLE()   __asm ei __endasm

Пример использования:

volatile uint16_t ticks = 0;
void on_tick(void) { ticks++; }

int main(void) {
    irq_install(on_tick);
    uint16_t start = ticks;
    while (ticks - start < 50) { /* wait 1s */ }
    irq_remove();
}

Внутренности

Аллокация vector page:

• Static buffer 513 байт в _BSS (sprinter.lib).
• Размер 513 = 256 (выравнивание) + 257 (сама table) — в худшем случае выравнивание тратит 256 байт.
• Внутри буфера ищем 256-byte aligned адрес. SDCC может не поддерживать __attribute__((aligned(256))) — придётся через ассемблер с .area _BSS_ALIGNED и линкер-флаг для выравнивания, или через runtime поиск aligned position.
• Alternative: заранее линкуем vector page по фиксированному адресу через linker flag -Wl-b_VECTORS=0xA300 (как у банков). Стабильнее.

Trampoline в W2:

• Маленький asm-блок (~50 байт) который:
  1. ex af,af'; exx; push ix; push iy — сохранить ВСЕ регистры
  2. in a, (0xE2); push af — сохранить current W3 page byte
  3. in a, (0x19); bit 0, a; jr z, _not_kbd — keyboard?
     • keyboard path: chain to DSS old ISR (jp/call to saved address)
  4. in a, (0xFE); bit 7, a; jr z, _not_cbl — CBL? (Phase 2)
  5. Frame path: ld hl, (user_handler); ld a, h; or l; jr z, _no_user; call hl_indirect
  6. pop af; out (0xE2), a — restore W3
  7. pop iy; pop ix; exx; ex af,af'; ei; reti

Где живёт trampoline:

• Для tiny mode: _CODE = W2 → естественно
• Для big mode: _CODE = W2 → естественно
• Для small/huge: _CODE = W1, но trampoline ДОЛЖЕН быть в W2 (W1 может swap'нуться)
• Решение: новая linker area _TRAMP_W2 с absolute address в W2 (например 0xBE00). sprinter-cc размещает её через -Wl-b_TRAMP_W2=0xBE00. trampoline.s помечает себя .area _TRAMP_W2.

Chain to DSS:

• В irq_install:

  ld a, i              ; A = current vector page high byte
  ld (old_I), a
  ld h, a
  ld l, #0xFF
  ld a, (hl)           ; A = vector_high (= old_I по trick'у)
  ld d, a
  ld e, a              ; DE = address of DSS's IM2 jp
  ld hl, (de)          ; HL = DSS's old jp target
  ld (dss_old_isr), hl
  

• В trampoline keyboard-path:

  ld hl, (dss_old_isr)
  push hl
  ret                  ; jumps to DSS ISR which ends with EI; RETI
  

• Опасность: DSS's ISR может предполагать что регистры свежие (как только что от CPU) → возможно нужно НЕ saving некоторые регистры до chain'а

irq_remove:

• DI
• Restore I to old value
• Restore IM mode (обычно был IM 2 → IM 2; редко IM 1 if shell upgraded)
• Free vector page if dynamically allocated
• EI

Ограничения user handler'а

User's ISR может:

• Читать/писать volatile globals
• Делать дешёвые арифметические операции
• Менять g_text_attr (но не вызывать putch/cputs)

User's ISR НЕ должен:

• Вызывать printf / puts / malloc / любые ESTEX/BIOS функции — они могут не быть re-entrant
• Использовать gfx_* — они swap'ят W3, наш trampoline уже сохраняет порт но если внутри ISR будет повторный swap то trampoline не сможет восстановить
• Запускать accelerator (LD D,D и т.д.) — accel меняет систему команд CPU
• Долго работать — ISR должен быть быстрым (< 1ms), иначе пропустим следующий

Открытые вопросы

1. Что именно DSS делает в своём ISR — disassemble DSS или вызвать его с инструментировкой
2. ld a, i semantics на Sprinter — на Z80 P/V flag отражает IFF2; нужно для save/restore
3. Alignment vector page — найти SDCC-совместимый способ: либо linker absolute area, либо runtime align внутри 513-байтного буфера
4. Re-entrancy ESTEX из main во время ISR:
   • Если main вызывает ESTEX и в это время приходит interrupt → DSS chain'инг должен работать корректно (DSS уже спроектирован под IM 2)
   • Если main вызывает BIOS (RST 8) — это отключает прерывания на время вызова, OK
5. Memory budget — vector page 513 байт в BSS уменьшит heap. В tiny mode с heap ~10KB это ~5%. OK.

Phase 1 acceptance

• examples/irq_test/ — счётчик тиков растёт с 50 Hz
• Клавиатура продолжает работать через DSS chain (можно прервать тест клавишей)
• Корректный exit — DSS shell получает управление обратно без crash
• Работает во всех memory modes (tiny, small, big, huge)
• Memory note memory/sprinter_im2_isr.md с описанием ABI и ограничений

Phase 2 (когда понадобится)

• CBL/COVOX prerequisite handler (для audio playback)
• ISA interrupt handler (для ZX-Bus карт)
• Multiple user handler chain (e.g. tick + sound)

Альтернатива: отдельный memory mode "im2"

Идея: вместо того чтобы крутить trampoline location во всех существующих режимах, сделать отдельный --memory im2 который:

• Forces CODE в W2 (как tiny)
• Reserves определённый адрес в W2 под vector page и trampoline (например 0xBE00..0xBFFF)
• crt0_im2.s ставит IM 2 в начале (заменяет DSS handler с chain)
• crt0_im2.s восстанавливает на exit

Плюсы:

• Меньше matrix-сложности (irq работает только в одном mode)
• Можно агрессивно reserved'ить W2-память
• Тестируется как единое целое

Минусы:

• Программам приходится явно выбирать --memory im2 для использования прерываний
• Дублирование crt0 и runtime

Текущее предложение — пойти этим путём (отдельный mode) для v2, не лезть в существующие crt0.

Внешние ссылки

• docs/converted/IvanMak.txt:1040-1054 — секция 9.3 "Прерывания от ISA" + 9.4 "AT-Клавиатура"
• docs/converted/IvanMak.txt:1469-1473 — IM 2 ограничения (table/stack/ISR в W2)
• docs/converted/Forum.txt:758-764 — CBL interrupt discrimination
• docs/converted/Forum.txt:956 + :1049 — vector 0xFF disambiguation
• docs/converted/Parinov.txt:601 — IM 1 alternative (handler по адресу 0x0038, не наш путь)

История

• 2026-06-01 — research собран в этот документ, реализация отложена до v2