1. 项目概述如果你手头有一台V20-MBC这样的复古单板机并且对CP/M-86这个经典的16位操作系统感兴趣那么你迟早会碰到一个需求修改它的BIOS。无论是想添加一个通过GPIO引脚输出数据的打印机驱动还是仅仅想个性化一下启动时显示的签名信息你都需要掌握从源码编译到定制修改的完整流程。这个过程听起来有点复古甚至有些“考古”的意味但它恰恰是理解早期计算机系统如何从底层硬件“活”起来的最佳实践。对于嵌入式开发者和复古计算爱好者来说能够亲手构建一个自定义的BIOS意味着你获得了对硬件最直接的控制权这远比在现成的操作系统上写应用要来得深刻。本文将带你一步步走通在Windows环境下为V20-MBC定制CP/M-86 BIOS的全过程。我们会从零散的原始资料和工具开始把它们整合成一个可用的工具链最终生成一个属于你自己的cpm86.bin文件。整个过程涉及汇编语言、磁盘映像操作、交叉编译工具链的使用虽然工具看起来有些年头但其中的原理和步骤对于理解系统引导、硬件抽象层HAL乃至现代嵌入式开发中的Bootloader定制都有着直接的借鉴意义。无论你是想为你的V20-MBC添加新功能还是单纯想学习这套经典的开发流程这篇指南都将提供详尽的、可直接复现的操作步骤和背后的原理解析。2. 核心工具链解析与准备2.1 工具链的构成与选型逻辑为V20-MBC编译CP/M-86 BIOS本质上是一个交叉编译的过程我们在现代的Windows系统上使用一套工具去生成运行在8086兼容处理器V20上的二进制代码。这套工具链是“拼凑”起来的因为它复现了上世纪80年代CP/M开发者的工作环境。理解每个工具的作用是成功编译的关键。cpmtools这是整个流程的基石。CP/M系统使用一种独特的磁盘映像格式.DSK文件它并非简单的FAT或RAW镜像而是包含了特殊的文件系统结构如目录区、文件分配表。cpmtools的作用就是在现代操作系统上读写这种古老的磁盘映像。我们需要用它从V20-MBC的SD卡系统映像中提取出关键的编译工具如ASM86.COM汇编器和GENCMD.COM链接/格式转换器。这里选择命令行版本而非GUI版本一方面是出于脚本化和可重复性的考虑另一方面命令行工具的输出更清晰便于在出错时排查问题。GUI版本可能因数字签名问题被Windows拦截对于这种小众开源工具命令行版本通常更稳定、干扰更少。iz-cpm这是一个非常巧妙的“便携式CP/M模拟器”。它不是一个完整的虚拟机而是一个能在Windows命令行下直接加载并运行CP/M格式.COM可执行文件的工具。你可以把它理解为一个轻量级的CP/M运行时环境。在编译过程中我们需要运行来自CP/M系统的ASM86.COM和GENCMD.COM而iz-cpm正是让这些“古董”程序在现代Windows上“复活”的桥梁。它的存在避免了我们去搭建一个完整的CP/M模拟器如z80emu或虚拟机的麻烦极大地简化了流程。dd for Windows在Unix/Linux世界dd命令是处理二进制数据的瑞士军刀。在Windows上我们需要一个功能相同的替代品。这里我们使用的是一个独立移植的版本。它的核心作用是在编译的最后阶段对GENCMD.COM生成的.CMD文件进行“修剪”。CP/M-86的.CMD文件格式在文件开头包含了一个文件头header而V20-MBC的BIOS ROM镜像需要的是纯二进制代码。dd命令的bs128 skip1参数正是用来跳过这个128字节的文件头提取出后面纯净的二进制指令流从而生成最终的cpm86.bin。原始源码文件这包括两个核心文件。一是CPM.H86它是CP/M-86操作系统的核心头文件或库文件包含了系统调用入口、数据结构定义等是BIOS与CP/M内核链接所必需的。二是V20CBIOS.A86这就是V20-MBC的BIOS汇编源代码本身是我们修改的对象。获取这两个文件需要从历史档案或项目原始分发文件中寻找这本身也是复古计算项目的一部分——数据考古。注意工作环境与路径管理由于涉及多个来自不同来源的命令行工具强烈建议将所有工具和中间文件集中放在一个不含空格和中文字符的目录路径下例如D:\Projects\V20MBC_BIOS。Windows命令行对带空格的路径处理需要额外添加引号容易出错。清晰的目录结构是成功的第一步。2.2 分步获取与部署工具第一步是建立一个干净的工作目录。我通常在D盘根目录下创建V20MBC_BIOS文件夹。所有后续操作都将基于这个目录进行。获取cpmtools访问提供的链接或自行搜索最新版本下载cpmtoolsWin32.zip。解压后我们只需要其中的cpmcp.exe和cpmls.exe两个文件。将它们复制到你的工作目录。cpmcp用于从磁盘映像中拷贝文件cpmls用于列出磁盘映像中的文件目录是验证操作正确性的重要工具。获取V20-MBC SD卡映像从V20-MBC项目主页或Hackaday.io项目页面下载SD卡系统的ZIP包例如SD-Card-Image-V2.zip。解压到一个临时文件夹比如工作目录下的SD文件夹。这个映像里包含了完整的CP/M-86系统盘我们的编译工具就藏在里面。同时需要将SD文件夹下cpmtools子目录中的diskdefs文件拷贝到工作目录。这个文件定义了V20-MBC所用磁盘格式的参数如扇区大小、磁道数是cpmtools正确识别磁盘映像的关键。获取iz-cpm前往其GitHub发布页面下载最新的Windows版本如iz-cpm-windows.zip。解压后将iz-cpm.exe单独复制到工作目录。获取dd for Windows从指定网站下载ddrelease64.exe适用于64位Windows。下载后建议将其重命名为dd.exe并复制到工作目录这样在命令行中输入更简洁。获取源码下载C8611src.zipCP/M-86 1.1源码解压后找到CPM.H86文件并复制到工作目录。然后从之前解压的SD文件夹中找到src\cpm86\路径下的V20CBIOS - S220520.A86文件文件名中的S220520是版本日期你的可能不同。将其复制到工作目录并重命名为V20CBIOS.A86。CP/M系统对文件名有“8.3”格式限制最多8个字符的主文件名和3个字符的扩展名原文件名过长重命名是必要的。完成以上步骤后你的工作目录应包含以下文件cpmcp.exe,cpmls.exe,iz-cpm.exe,dd.exe,diskdefs,CPM.H86,V20CBIOS.A86。此外SD文件夹应位于工作目录的同级或子目录确保路径引用正确。3. 从磁盘映像中提取编译工具3.1 理解V20-MBC的磁盘映像结构V20-MBC的SD卡映像包含多个.DSK文件它们分别对应CP/M系统中的不同磁盘驱动器A:, B:, C: ...。DS0N00.DSK和DS1N00.DSK通常是第一个驱动器A:的两种可能格式分别对应CP/M 2.2和CP/M-86。我们需要的是CP/M-86环境下的工具因此主要操作DS1N00.DSK。使用cpmls.exe可以窥探磁盘内容。打开命令行切换到工作目录执行cpmls.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK-f V20MBC-D0参数指定使用diskdefs文件中名为V20MBC-D0的磁盘格式定义。你会看到一个文件列表其中应该包含ASM86.COM,GENCMD.COM等文件。这证实了磁盘映像和工具参数是正确的。3.2 使用cpmcp提取关键工具提取文件需要使用cpmcp.exe命令其基本语法是cpmcp -f format image_file source destination。format同上指定磁盘格式。image_file磁盘映像文件路径。sourceCP/M风格的文件路径如0:ASM86.COM表示A盘驱动器0下的ASM86.COM文件。destination本地目标路径.表示当前目录。执行以下命令进行提取cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK 0:asm86.com . cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK 0:gencmd.com . cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS0N00.DSK 0:pip.com .注意第三个命令是从DS0N00.DSK中提取PIP.COM。PIPPeripheral Interchange Program是CP/M系统的文件复制工具在后续的链接步骤中需要用到。实操心得cpmtools的“静默”特性cpmcp和cpmls在出错时往往不提供清晰的错误信息而是直接退出。如果命令执行后没有看到预期的文件首先检查1)-f参数指定的格式名是否与diskdefs文件中的定义完全一致大小写敏感2) 源文件路径中的驱动器号和文件名是否正确CP/M下文件名通常大写3) 磁盘映像文件路径是否正确。养成先用cpmls列出目录确认文件存在的习惯可以节省大量排查时间。提取成功后工作目录下会新增ASM86.COM,GENCMD.COM,PIP.COM三个文件。它们都是CP/M格式的可执行文件无法直接在Windows下运行需要借助iz-cpm。4. 首次编译验证还原原始BIOS在修改任何代码之前进行一次完整的“清洁”编译至关重要。这能验证你的工具链、环境配置和操作步骤完全正确确保后续任何编译错误都是由你的代码修改引起的而非环境问题。4.1 第一步汇编BIOS源码打开命令行进入工作目录执行iz-cpm.exe asm86.com V20CBIOS.A86这条命令通过iz-cpm加载并运行ASM86.COM并将V20CBIOS.A86作为参数传递给它即让CP/M下的汇编器来汇编我们的源码。如果一切正常你将看到类似以下的输出CP/M 8086 ASSEMBLER VER 1.1 END OF PASS 1 END OF PASS 2 END OF ASSEMBLY. NUMBER OF ERRORS: 0. USE FACTOR: 10%“NUMBER OF ERRORS: 0”是这里最关键的信号。汇编器进行了两遍扫描PASS第一遍建立符号表第二遍生成目标代码。最终生成了一个名为V20CBIOS.H86的目标文件。这个.H86文件是汇编器产生的、包含重定位信息的中间目标文件。4.2 第二步链接目标文件与系统库接下来需要将上一步生成的BIOS目标文件与CP/M-86的系统库CPM.H86链接起来并可能进行多个目标文件的合并。这里使用PIP.COM来完成文件的拼接在CP/M环境中PIP常被用于此目的iz-cpm.exe pip.com cpm86.h86cpm.h86,v20cbios.h86这个命令的格式是PIP 目标文件文件1,文件2,...。它表示将CPM.H86和V20CBIOS.H86两个文件按顺序合并生成一个新的CPM86.H86文件。这个过程模拟了链接器的部分功能将系统核心与特定BIOS的实现绑定在一起。命令执行后没有输出是正常的但工作目录下应出现CPM86.H86文件。4.3 第三步生成可执行命令文件CPM86.H86仍然是包含重定位信息的中间格式。需要GENCMD.COM将其转换为CP/M-86可加载的.CMD格式iz-cpm.exe gencmd.com cpm86.h86 8080 code[a40]这条命令较为复杂它调用GENCMD并传递参数cpm86.h86 8080 code[a40]。cpm86.h86输入文件名。8080指定输出文件的起始地址十六进制。8080是CP/M-86 BDOS基本磁盘操作系统期望的BIOS入口点偏移量。这是一个关键参数决定了BIOS代码在内存中的加载位置。code[a40]可能是生成代码的特定选项或格式标识具体含义需参考原始GENCMD文档但在本流程中这是固定参数。执行成功后会显示类似BYTES READ 2725和RECORDS WRITTEN 7C的信息并生成CPM86.CMD文件。RECORDS WRITTEN 7C十六进制7C即十进制124指示了写入的记录数与最终二进制文件大小相关。4.4 第四步提取纯二进制镜像生成的CPM86.CMD文件是CP/M-86的可执行格式其开头包含一个文件头通常是128字节用于存储加载和重定位信息。而V20-MBC的ROM或启动加载器需要的是纯粹的、无头的二进制机器码。这就是dd命令发挥作用的地方dd bs128 skip1 ifcpm86.cmd ofcpm86.binbs128设置块大小为128字节。skip1跳过第一个块即128字节的文件头。ifcpm86.cmd指定输入文件。ofcpm86.bin指定输出文件。运行后会显示处理的记录数例如1230 records in表示读取了123个完整的128字节块。最终生成的cpm86.bin文件大小应该与原始SD卡上的文件完全一致可以用文件属性查看对比。验证将新生成的cpm86.bin重命名为cpm86.bin如果SD卡上BIOS文件是此名替换SD卡上的原文件务必先备份原文件。将SD卡插入V20-MBC启动如果系统能正常启动并显示原有的启动信息则证明整个工具链和编译流程完全正确。至此你已成功搭建了一个可工作的CP/M-86 BIOS编译环境。5. BIOS源码分析与定制修改5.1 V20CBIOS.A86源码结构初探在动手修改前用文本编辑器如VS Code、Notepad确保支持纯文本和无BOM格式打开V20CBIOS.A86。你会看到8086汇编代码。CP/M-86的BIOS需要实现一组特定的函数入口点供CP/M内核BDOS调用以完成最底层的I/O操作。这些通常包括引导加载器Boot系统冷启动时执行的代码。控制台输入/输出CONIN, CONOUT, CONST读写串口通常映射为控制台。磁盘I/OSELDSK, SETTRK, SETSEC, READ, WRITE...读写SD卡/磁盘驱动器。其他设备驱动列表设备LIST通常指打印机、穿孔设备等。源码中会有大量的DBDefine Byte指令定义字符串DWDefine Word定义地址表以及JMP指令跳转到各个功能子程序。一个关键的标识是BIOS函数跳转表。在CP/M中BDOS通过一个固定在内存特定位置通常在0x0005的跳转指令跳转到BIOS的公共入口点然后BIOS内部再通过另一个跳转表分发到各个具体函数。在源码中搜索JMP指令序列往往能找到这个表。5.2 进行简单的定制修改启动信息作为第一个定制尝试我们修改启动时显示的签名字符串。这是一个零风险且能立即看到效果的修改。备份在修改前复制整个工作目录或至少复制一份V20CBIOS.A86文件。定位字符串在编辑器中使用查找功能搜索字符串V20-MBC CP/M-86 BIOS - S220520。注意汇编代码中字符串通常由DB指令定义并被单引号包围。修改将其修改为你想要的文本例如DB MyCustom V20-MBC CP/M-86 BIOS v1.0。务必注意保持使用单引号。新字符串长度最好不超过原字符串长度。虽然稍微超出可能不会立即导致问题如果后面有足够的填充空间但为了安全起见初期修改应尽量保持长度一致或更短。过长的字符串可能会覆盖后续的代码或数据导致不可预知的崩溃。避免使用非ASCII字符如中文除非你确认BIOS的字符生成器如果存在或控制台驱动支持。保存将文件保存为纯文本格式确保编码为ASCII或UTF-8 without BOM。5.3 重新编译与测试按照第4章“首次编译验证”的完整步骤4.1至4.4重新执行一遍。生成新的cpm86.bin后替换SD卡上的文件并启动V20-MBC。如果修改成功你应该在启动过程中看到你自定义的签名信息。注意事项汇编代码修改的严谨性汇编语言是直接操作硬件的语言任何细微的错误都可能导致系统无法启动。修改时需注意不要随意增减代码行除非你清楚知道每条指令的作用和其对内存偏移量的影响。增加或删除指令会改变后续所有代码的地址导致跳转JMP、CALL目标错误。理解数据与代码的界限DB,DW定义的是数据区JMP,MOV等是代码。误将数据当代码执行会导致不可预测行为。使用标签Label如果源码中使用了标签如BOOT:CONOUT:修改相关功能时应确保跳转到这些标签的指令不受影响。版本管理强烈建议使用Git或简单的文件夹复制对每次成功的编译状态进行备份。例如可以建立v1_original,v2_custom_msg这样的目录。当修改导致编译失败或系统无法启动时可以快速回退到上一个可用版本。6. 进阶定制添加一个简单的GPIO输出驱动6.1 理解需求与硬件基础假设我们想添加一个简单的“打印机”驱动将CP/M系统中输出到LST:设备列表设备的数据通过V20-MBC的某个GPIO引脚输出例如用来驱动一个LED阵列或与外部电路通信。这需要硬件知识查阅V20-MBC原理图确定可用于通用输出的GPIO引脚及其对应的硬件端口地址。例如假设通过8255 PPI芯片控制数据端口地址为0x60。CP/M BIOS规范在CP/M BIOS中LST:设备的输出对应一个名为LIST或LISTST的函数入口具体名称需查源码。BDOS需要打印时会调用这个函数。修改BIOS在BIOS跳转表中添加或修改指向新驱动函数的入口并实现该驱动函数。6.2 分析现有BIOS源码中的设备驱动首先在V20CBIOS.A86中搜索现有的设备驱动函数。通常可以通过查找CONOUT:控制台输出、LIST:列表输出等标签来定位。例如你可能会找到如下代码段CONOUT: ; 控制台输出字符字符在C寄存器 ... ; 将字符发送到串口的代码 RET LIST: ; 列表设备输出字符字符在C寄存器 ... ; 可能是空实现或发送到某个端口的代码 RET如果LIST:函数已经存在但可能是空实现例如只有RET指令那么我们就可以在此处添加GPIO输出代码。如果不存在我们需要在跳转表中添加这个入口。6.3 实现GPIO输出函数假设我们找到LIST:函数是空的我们将其实现为向端口0x60输出字符LIST: ; 输入C寄存器中为要输出的字符 PUSH AX ; 保存AX寄存器遵循调用约定 MOV AL, C ; 将字符移到AL OUT 60H, AL ; 输出到端口0x60注意端口地址是立即数 POP AX ; 恢复AX寄存器 RET代码解释PUSH AX/POP AX这是为了保护调用者的AX寄存器值。在汇编子程序中如果修改了非返回值的寄存器通常需要保存和恢复它们这是一种良好的编程习惯。MOV AL, CCP/M的BDOS约定待输出字符通常放在C寄存器8位的CL但16位环境下是CX的低位。我们将其移动到AL因为OUT指令的操作数可以是AL。OUT 60H, ALOUT指令将AL中的字节输出到立即数端口60H。H后缀表示十六进制。RET子程序返回。6.4 确保跳转表包含LIST入口BIOS跳转表是一个按固定顺序排列的函数指针地址列表。我们需要找到这个表。它可能看起来像这样BIOS_JMP_TABLE: DW BOOT ; 冷启动 DW WBOOT ; 热启动 DW CONST ; 控制台状态 DW CONIN ; 控制台输入 DW CONOUT ; 控制台输出 DW LIST ; 列表输出 -- 确保这一项存在并指向我们的LIST函数 DW ... ; 其他函数检查DW LIST这一行是否存在。如果不存在你需要根据CP/M-86 BIOS规范找到正确的位置插入它并确保LIST:标签在代码段中定义即我们刚才实现的那个函数。如果存在确保其指向的地址是正确的通常汇编器会根据LIST:标签自动计算。6.5 编译、测试与调试编译保存修改后的V20CBIOS.A86执行完整的编译流程。硬件连接将V20-MBC的对应GPIO引脚假设对应端口0x60连接到一个LED加限流电阻或逻辑分析仪。软件测试在CP/M-86系统下可以使用内置命令或编写一个简单的测试程序。例如CP/M的STAT命令可以检查设备分配或者用PIP命令将文件复制到LST:设备PIP LST:CON:这会将接下来在控制台输入的字符复制到列表设备。输入一些字符观察GPIO引脚是否有对应的电平变化LED闪烁或逻辑分析仪捕获到数据。调试如果无输出检查步骤编译错误确认汇编过程“NUMBER OF ERRORS: 0”。端口地址确认硬件原理图上的GPIO地址是否正确。跳转表确认LIST函数在跳转表中的位置正确并且标签名一致大小写敏感。函数实现确认LIST:函数代码没有被错误地放置或注释掉。硬件检查电路连接是否牢固LED极性是否正确。实操心得使用空指令NOP和占位符调试在编写新的驱动代码时一个稳妥的方法是先不实现具体功能而是用空操作指令NOP填充或者让函数简单地返回。先确保添加了新函数入口并编译通过、系统能正常启动。然后再逐步替换NOP为实际功能代码。这有助于隔离问题是添加新入口导致系统崩溃还是具体的I/O代码有问题。7. 常见问题与深度排查指南7.1 编译阶段问题问题1执行iz-cpm.exe asm86.com V20CBIOS.A86时提示“文件未找到”或直接退出。排查首先确认ASM86.COM文件存在于当前目录。其次iz-cpm的运行依赖于当前目录下的文件。确保在正确的目录下执行命令。最后尝试直接运行iz-cpm.exe看是否能进入其内部的CP/M提示符这可以验证iz-cpm本身是否正常工作。问题2汇编过程出现“NUMBER OF ERRORS: X”X0。排查仔细阅读汇编器输出的错误信息如果有的话。错误通常包含行号。检查对应行号的代码。常见错误包括未定义的标签拼写错误、语法错误指令拼写错误、操作数格式错误、字符串引号不匹配。如果你修改了源码请重点检查修改处附近。恢复备份文件确认是否是修改引入的错误。问题3执行iz-cpm.exe pip.com ...或iz-cpm.exe gencmd.com ...后无新文件生成或生成的文件大小异常。排查检查输入文件确认CPM.H86和V20CBIOS.H86文件存在且大小合理。检查命令语法PIP命令的格式非常严格目标文件源文件1,源文件2中间不能有多余空格除了逗号后的可选空格。整个参数作为iz-cpm的一个字符串参数传递要用双引号括起来。检查GENCMD参数参数cpm86.h86 8080 code[a40]是一个整体字符串中间有空格。确保拼写完全正确。查看iz-cpm输出有时错误信息会显示在iz-cpm的启动信息中。仔细阅读所有输出。7.2 系统启动阶段问题问题4替换新的cpm86.bin后V20-MBC无法启动黑屏、卡住、乱码。排查这是最严重的问题说明生成的BIOS二进制文件有问题。立即回退换回之前确认可启动的cpm86.bin文件确认硬件和SD卡本身正常。验证原始流程不进行任何修改严格按照第4章步骤用原始V20CBIOS.A86编译一次。用生成的cpm86.bin测试。如果仍然失败说明工具链或操作步骤在某处出错。需从头检查每一步特别是dd命令的参数。二进制对比使用二进制比较工具如fc /b命令比较你编译的cpm86.bin与原始SD卡上的cpm86.bin。如果完全一致但你的不能启动可能是SD卡写入问题或硬件偶然故障。如果不一致且你未做源码修改则编译流程肯定有误。检查修改内容如果只有修改后的版本失败问题肯定出在你的代码修改上。回顾修改处字符串是否过长覆盖了代码是否误删了关键指令或标签跳转表是否被破坏建议一次只做一处微小修改测试成功后再进行下一处。问题5系统能启动但自定义功能如GPIO输出不工作。排查软件层面在CP/M下确认程序确实调用了LST:设备。例如使用PIP LST:FILENAME.TXT命令或者写一个调用BDOS列表输出功能的小汇编程序进行测试。BIOS层面在BIOS源码中可以在LIST:函数开始处添加一段“签名”代码例如向一个不同的、连接了LED的端口输出一个特定的字节如0xAA。重新编译测试如果LED有反应说明函数被正确调用了问题在具体的GPIO输出代码上。如果没反应说明函数可能未被调用跳转表错误或调用路径有问题。硬件层面用万用表或逻辑分析仪直接测量GPIO引脚。确认端口地址是否正确硬件电路连接是否无误。有时端口可能需要初始化设置方向寄存器而不仅仅是数据输出。7.3 工具与环境问题问题6cpmcp或cpmls无法识别磁盘映像无任何输出。排查99%的问题出在-f参数和diskdefs文件上。确保diskdefs文件在当前目录。打开diskdefs文件查看其中定义的格式名。例如找到以diskdef V20MBC-D0开头的段落。-f参数后的名字必须与此完全一致包括大小写。确认磁盘映像文件路径正确。问题7在Windows 11或新版本系统上某些工具如dd被安全软件拦截。排查Windows Defender或其他杀毒软件可能将小众的、无数字签名的.exe文件视为威胁。在下载时如果浏览器报警选择“保留”文件。运行前可能需要在文件属性中勾选“解除锁定”。或将整个工作目录添加到杀毒软件的排除列表中。考虑在虚拟机如VirtualBox中运行整个流程虚拟机环境隔离性好且可以创建快照非常适合这种开发/测试工作。通过系统性地遵循上述步骤和排查思路绝大多数在V20-MBC上定制CP/M-86 BIOS过程中遇到的问题都可以被定位和解决。这个过程不仅是对复古计算技术的实践更是对底层系统开发、调试思维的一次极佳训练。每一次成功的启动和每一个功能的实现都是对计算机系统理解的一次深化。
V20-MBC复古单板机CP/M-86 BIOS定制：从源码编译到GPIO驱动开发
发布时间：2026/6/2 13:51:59
1. 项目概述如果你手头有一台V20-MBC这样的复古单板机并且对CP/M-86这个经典的16位操作系统感兴趣那么你迟早会碰到一个需求修改它的BIOS。无论是想添加一个通过GPIO引脚输出数据的打印机驱动还是仅仅想个性化一下启动时显示的签名信息你都需要掌握从源码编译到定制修改的完整流程。这个过程听起来有点复古甚至有些“考古”的意味但它恰恰是理解早期计算机系统如何从底层硬件“活”起来的最佳实践。对于嵌入式开发者和复古计算爱好者来说能够亲手构建一个自定义的BIOS意味着你获得了对硬件最直接的控制权这远比在现成的操作系统上写应用要来得深刻。本文将带你一步步走通在Windows环境下为V20-MBC定制CP/M-86 BIOS的全过程。我们会从零散的原始资料和工具开始把它们整合成一个可用的工具链最终生成一个属于你自己的cpm86.bin文件。整个过程涉及汇编语言、磁盘映像操作、交叉编译工具链的使用虽然工具看起来有些年头但其中的原理和步骤对于理解系统引导、硬件抽象层HAL乃至现代嵌入式开发中的Bootloader定制都有着直接的借鉴意义。无论你是想为你的V20-MBC添加新功能还是单纯想学习这套经典的开发流程这篇指南都将提供详尽的、可直接复现的操作步骤和背后的原理解析。2. 核心工具链解析与准备2.1 工具链的构成与选型逻辑为V20-MBC编译CP/M-86 BIOS本质上是一个交叉编译的过程我们在现代的Windows系统上使用一套工具去生成运行在8086兼容处理器V20上的二进制代码。这套工具链是“拼凑”起来的因为它复现了上世纪80年代CP/M开发者的工作环境。理解每个工具的作用是成功编译的关键。cpmtools这是整个流程的基石。CP/M系统使用一种独特的磁盘映像格式.DSK文件它并非简单的FAT或RAW镜像而是包含了特殊的文件系统结构如目录区、文件分配表。cpmtools的作用就是在现代操作系统上读写这种古老的磁盘映像。我们需要用它从V20-MBC的SD卡系统映像中提取出关键的编译工具如ASM86.COM汇编器和GENCMD.COM链接/格式转换器。这里选择命令行版本而非GUI版本一方面是出于脚本化和可重复性的考虑另一方面命令行工具的输出更清晰便于在出错时排查问题。GUI版本可能因数字签名问题被Windows拦截对于这种小众开源工具命令行版本通常更稳定、干扰更少。iz-cpm这是一个非常巧妙的“便携式CP/M模拟器”。它不是一个完整的虚拟机而是一个能在Windows命令行下直接加载并运行CP/M格式.COM可执行文件的工具。你可以把它理解为一个轻量级的CP/M运行时环境。在编译过程中我们需要运行来自CP/M系统的ASM86.COM和GENCMD.COM而iz-cpm正是让这些“古董”程序在现代Windows上“复活”的桥梁。它的存在避免了我们去搭建一个完整的CP/M模拟器如z80emu或虚拟机的麻烦极大地简化了流程。dd for Windows在Unix/Linux世界dd命令是处理二进制数据的瑞士军刀。在Windows上我们需要一个功能相同的替代品。这里我们使用的是一个独立移植的版本。它的核心作用是在编译的最后阶段对GENCMD.COM生成的.CMD文件进行“修剪”。CP/M-86的.CMD文件格式在文件开头包含了一个文件头header而V20-MBC的BIOS ROM镜像需要的是纯二进制代码。dd命令的bs128 skip1参数正是用来跳过这个128字节的文件头提取出后面纯净的二进制指令流从而生成最终的cpm86.bin。原始源码文件这包括两个核心文件。一是CPM.H86它是CP/M-86操作系统的核心头文件或库文件包含了系统调用入口、数据结构定义等是BIOS与CP/M内核链接所必需的。二是V20CBIOS.A86这就是V20-MBC的BIOS汇编源代码本身是我们修改的对象。获取这两个文件需要从历史档案或项目原始分发文件中寻找这本身也是复古计算项目的一部分——数据考古。注意工作环境与路径管理由于涉及多个来自不同来源的命令行工具强烈建议将所有工具和中间文件集中放在一个不含空格和中文字符的目录路径下例如D:\Projects\V20MBC_BIOS。Windows命令行对带空格的路径处理需要额外添加引号容易出错。清晰的目录结构是成功的第一步。2.2 分步获取与部署工具第一步是建立一个干净的工作目录。我通常在D盘根目录下创建V20MBC_BIOS文件夹。所有后续操作都将基于这个目录进行。获取cpmtools访问提供的链接或自行搜索最新版本下载cpmtoolsWin32.zip。解压后我们只需要其中的cpmcp.exe和cpmls.exe两个文件。将它们复制到你的工作目录。cpmcp用于从磁盘映像中拷贝文件cpmls用于列出磁盘映像中的文件目录是验证操作正确性的重要工具。获取V20-MBC SD卡映像从V20-MBC项目主页或Hackaday.io项目页面下载SD卡系统的ZIP包例如SD-Card-Image-V2.zip。解压到一个临时文件夹比如工作目录下的SD文件夹。这个映像里包含了完整的CP/M-86系统盘我们的编译工具就藏在里面。同时需要将SD文件夹下cpmtools子目录中的diskdefs文件拷贝到工作目录。这个文件定义了V20-MBC所用磁盘格式的参数如扇区大小、磁道数是cpmtools正确识别磁盘映像的关键。获取iz-cpm前往其GitHub发布页面下载最新的Windows版本如iz-cpm-windows.zip。解压后将iz-cpm.exe单独复制到工作目录。获取dd for Windows从指定网站下载ddrelease64.exe适用于64位Windows。下载后建议将其重命名为dd.exe并复制到工作目录这样在命令行中输入更简洁。获取源码下载C8611src.zipCP/M-86 1.1源码解压后找到CPM.H86文件并复制到工作目录。然后从之前解压的SD文件夹中找到src\cpm86\路径下的V20CBIOS - S220520.A86文件文件名中的S220520是版本日期你的可能不同。将其复制到工作目录并重命名为V20CBIOS.A86。CP/M系统对文件名有“8.3”格式限制最多8个字符的主文件名和3个字符的扩展名原文件名过长重命名是必要的。完成以上步骤后你的工作目录应包含以下文件cpmcp.exe,cpmls.exe,iz-cpm.exe,dd.exe,diskdefs,CPM.H86,V20CBIOS.A86。此外SD文件夹应位于工作目录的同级或子目录确保路径引用正确。3. 从磁盘映像中提取编译工具3.1 理解V20-MBC的磁盘映像结构V20-MBC的SD卡映像包含多个.DSK文件它们分别对应CP/M系统中的不同磁盘驱动器A:, B:, C: ...。DS0N00.DSK和DS1N00.DSK通常是第一个驱动器A:的两种可能格式分别对应CP/M 2.2和CP/M-86。我们需要的是CP/M-86环境下的工具因此主要操作DS1N00.DSK。使用cpmls.exe可以窥探磁盘内容。打开命令行切换到工作目录执行cpmls.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK-f V20MBC-D0参数指定使用diskdefs文件中名为V20MBC-D0的磁盘格式定义。你会看到一个文件列表其中应该包含ASM86.COM,GENCMD.COM等文件。这证实了磁盘映像和工具参数是正确的。3.2 使用cpmcp提取关键工具提取文件需要使用cpmcp.exe命令其基本语法是cpmcp -f format image_file source destination。format同上指定磁盘格式。image_file磁盘映像文件路径。sourceCP/M风格的文件路径如0:ASM86.COM表示A盘驱动器0下的ASM86.COM文件。destination本地目标路径.表示当前目录。执行以下命令进行提取cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK 0:asm86.com . cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS1N00.DSK 0:gencmd.com . cpmcp.exe -f V20MBC-D0 .\SD\DS0N00.DSK 0:pip.com .注意第三个命令是从DS0N00.DSK中提取PIP.COM。PIPPeripheral Interchange Program是CP/M系统的文件复制工具在后续的链接步骤中需要用到。实操心得cpmtools的“静默”特性cpmcp和cpmls在出错时往往不提供清晰的错误信息而是直接退出。如果命令执行后没有看到预期的文件首先检查1)-f参数指定的格式名是否与diskdefs文件中的定义完全一致大小写敏感2) 源文件路径中的驱动器号和文件名是否正确CP/M下文件名通常大写3) 磁盘映像文件路径是否正确。养成先用cpmls列出目录确认文件存在的习惯可以节省大量排查时间。提取成功后工作目录下会新增ASM86.COM,GENCMD.COM,PIP.COM三个文件。它们都是CP/M格式的可执行文件无法直接在Windows下运行需要借助iz-cpm。4. 首次编译验证还原原始BIOS在修改任何代码之前进行一次完整的“清洁”编译至关重要。这能验证你的工具链、环境配置和操作步骤完全正确确保后续任何编译错误都是由你的代码修改引起的而非环境问题。4.1 第一步汇编BIOS源码打开命令行进入工作目录执行iz-cpm.exe asm86.com V20CBIOS.A86这条命令通过iz-cpm加载并运行ASM86.COM并将V20CBIOS.A86作为参数传递给它即让CP/M下的汇编器来汇编我们的源码。如果一切正常你将看到类似以下的输出CP/M 8086 ASSEMBLER VER 1.1 END OF PASS 1 END OF PASS 2 END OF ASSEMBLY. NUMBER OF ERRORS: 0. USE FACTOR: 10%“NUMBER OF ERRORS: 0”是这里最关键的信号。汇编器进行了两遍扫描PASS第一遍建立符号表第二遍生成目标代码。最终生成了一个名为V20CBIOS.H86的目标文件。这个.H86文件是汇编器产生的、包含重定位信息的中间目标文件。4.2 第二步链接目标文件与系统库接下来需要将上一步生成的BIOS目标文件与CP/M-86的系统库CPM.H86链接起来并可能进行多个目标文件的合并。这里使用PIP.COM来完成文件的拼接在CP/M环境中PIP常被用于此目的iz-cpm.exe pip.com cpm86.h86cpm.h86,v20cbios.h86这个命令的格式是PIP 目标文件文件1,文件2,...。它表示将CPM.H86和V20CBIOS.H86两个文件按顺序合并生成一个新的CPM86.H86文件。这个过程模拟了链接器的部分功能将系统核心与特定BIOS的实现绑定在一起。命令执行后没有输出是正常的但工作目录下应出现CPM86.H86文件。4.3 第三步生成可执行命令文件CPM86.H86仍然是包含重定位信息的中间格式。需要GENCMD.COM将其转换为CP/M-86可加载的.CMD格式iz-cpm.exe gencmd.com cpm86.h86 8080 code[a40]这条命令较为复杂它调用GENCMD并传递参数cpm86.h86 8080 code[a40]。cpm86.h86输入文件名。8080指定输出文件的起始地址十六进制。8080是CP/M-86 BDOS基本磁盘操作系统期望的BIOS入口点偏移量。这是一个关键参数决定了BIOS代码在内存中的加载位置。code[a40]可能是生成代码的特定选项或格式标识具体含义需参考原始GENCMD文档但在本流程中这是固定参数。执行成功后会显示类似BYTES READ 2725和RECORDS WRITTEN 7C的信息并生成CPM86.CMD文件。RECORDS WRITTEN 7C十六进制7C即十进制124指示了写入的记录数与最终二进制文件大小相关。4.4 第四步提取纯二进制镜像生成的CPM86.CMD文件是CP/M-86的可执行格式其开头包含一个文件头通常是128字节用于存储加载和重定位信息。而V20-MBC的ROM或启动加载器需要的是纯粹的、无头的二进制机器码。这就是dd命令发挥作用的地方dd bs128 skip1 ifcpm86.cmd ofcpm86.binbs128设置块大小为128字节。skip1跳过第一个块即128字节的文件头。ifcpm86.cmd指定输入文件。ofcpm86.bin指定输出文件。运行后会显示处理的记录数例如1230 records in表示读取了123个完整的128字节块。最终生成的cpm86.bin文件大小应该与原始SD卡上的文件完全一致可以用文件属性查看对比。验证将新生成的cpm86.bin重命名为cpm86.bin如果SD卡上BIOS文件是此名替换SD卡上的原文件务必先备份原文件。将SD卡插入V20-MBC启动如果系统能正常启动并显示原有的启动信息则证明整个工具链和编译流程完全正确。至此你已成功搭建了一个可工作的CP/M-86 BIOS编译环境。5. BIOS源码分析与定制修改5.1 V20CBIOS.A86源码结构初探在动手修改前用文本编辑器如VS Code、Notepad确保支持纯文本和无BOM格式打开V20CBIOS.A86。你会看到8086汇编代码。CP/M-86的BIOS需要实现一组特定的函数入口点供CP/M内核BDOS调用以完成最底层的I/O操作。这些通常包括引导加载器Boot系统冷启动时执行的代码。控制台输入/输出CONIN, CONOUT, CONST读写串口通常映射为控制台。磁盘I/OSELDSK, SETTRK, SETSEC, READ, WRITE...读写SD卡/磁盘驱动器。其他设备驱动列表设备LIST通常指打印机、穿孔设备等。源码中会有大量的DBDefine Byte指令定义字符串DWDefine Word定义地址表以及JMP指令跳转到各个功能子程序。一个关键的标识是BIOS函数跳转表。在CP/M中BDOS通过一个固定在内存特定位置通常在0x0005的跳转指令跳转到BIOS的公共入口点然后BIOS内部再通过另一个跳转表分发到各个具体函数。在源码中搜索JMP指令序列往往能找到这个表。5.2 进行简单的定制修改启动信息作为第一个定制尝试我们修改启动时显示的签名字符串。这是一个零风险且能立即看到效果的修改。备份在修改前复制整个工作目录或至少复制一份V20CBIOS.A86文件。定位字符串在编辑器中使用查找功能搜索字符串V20-MBC CP/M-86 BIOS - S220520。注意汇编代码中字符串通常由DB指令定义并被单引号包围。修改将其修改为你想要的文本例如DB MyCustom V20-MBC CP/M-86 BIOS v1.0。务必注意保持使用单引号。新字符串长度最好不超过原字符串长度。虽然稍微超出可能不会立即导致问题如果后面有足够的填充空间但为了安全起见初期修改应尽量保持长度一致或更短。过长的字符串可能会覆盖后续的代码或数据导致不可预知的崩溃。避免使用非ASCII字符如中文除非你确认BIOS的字符生成器如果存在或控制台驱动支持。保存将文件保存为纯文本格式确保编码为ASCII或UTF-8 without BOM。5.3 重新编译与测试按照第4章“首次编译验证”的完整步骤4.1至4.4重新执行一遍。生成新的cpm86.bin后替换SD卡上的文件并启动V20-MBC。如果修改成功你应该在启动过程中看到你自定义的签名信息。注意事项汇编代码修改的严谨性汇编语言是直接操作硬件的语言任何细微的错误都可能导致系统无法启动。修改时需注意不要随意增减代码行除非你清楚知道每条指令的作用和其对内存偏移量的影响。增加或删除指令会改变后续所有代码的地址导致跳转JMP、CALL目标错误。理解数据与代码的界限DB,DW定义的是数据区JMP,MOV等是代码。误将数据当代码执行会导致不可预测行为。使用标签Label如果源码中使用了标签如BOOT:CONOUT:修改相关功能时应确保跳转到这些标签的指令不受影响。版本管理强烈建议使用Git或简单的文件夹复制对每次成功的编译状态进行备份。例如可以建立v1_original,v2_custom_msg这样的目录。当修改导致编译失败或系统无法启动时可以快速回退到上一个可用版本。6. 进阶定制添加一个简单的GPIO输出驱动6.1 理解需求与硬件基础假设我们想添加一个简单的“打印机”驱动将CP/M系统中输出到LST:设备列表设备的数据通过V20-MBC的某个GPIO引脚输出例如用来驱动一个LED阵列或与外部电路通信。这需要硬件知识查阅V20-MBC原理图确定可用于通用输出的GPIO引脚及其对应的硬件端口地址。例如假设通过8255 PPI芯片控制数据端口地址为0x60。CP/M BIOS规范在CP/M BIOS中LST:设备的输出对应一个名为LIST或LISTST的函数入口具体名称需查源码。BDOS需要打印时会调用这个函数。修改BIOS在BIOS跳转表中添加或修改指向新驱动函数的入口并实现该驱动函数。6.2 分析现有BIOS源码中的设备驱动首先在V20CBIOS.A86中搜索现有的设备驱动函数。通常可以通过查找CONOUT:控制台输出、LIST:列表输出等标签来定位。例如你可能会找到如下代码段CONOUT: ; 控制台输出字符字符在C寄存器 ... ; 将字符发送到串口的代码 RET LIST: ; 列表设备输出字符字符在C寄存器 ... ; 可能是空实现或发送到某个端口的代码 RET如果LIST:函数已经存在但可能是空实现例如只有RET指令那么我们就可以在此处添加GPIO输出代码。如果不存在我们需要在跳转表中添加这个入口。6.3 实现GPIO输出函数假设我们找到LIST:函数是空的我们将其实现为向端口0x60输出字符LIST: ; 输入C寄存器中为要输出的字符 PUSH AX ; 保存AX寄存器遵循调用约定 MOV AL, C ; 将字符移到AL OUT 60H, AL ; 输出到端口0x60注意端口地址是立即数 POP AX ; 恢复AX寄存器 RET代码解释PUSH AX/POP AX这是为了保护调用者的AX寄存器值。在汇编子程序中如果修改了非返回值的寄存器通常需要保存和恢复它们这是一种良好的编程习惯。MOV AL, CCP/M的BDOS约定待输出字符通常放在C寄存器8位的CL但16位环境下是CX的低位。我们将其移动到AL因为OUT指令的操作数可以是AL。OUT 60H, ALOUT指令将AL中的字节输出到立即数端口60H。H后缀表示十六进制。RET子程序返回。6.4 确保跳转表包含LIST入口BIOS跳转表是一个按固定顺序排列的函数指针地址列表。我们需要找到这个表。它可能看起来像这样BIOS_JMP_TABLE: DW BOOT ; 冷启动 DW WBOOT ; 热启动 DW CONST ; 控制台状态 DW CONIN ; 控制台输入 DW CONOUT ; 控制台输出 DW LIST ; 列表输出 -- 确保这一项存在并指向我们的LIST函数 DW ... ; 其他函数检查DW LIST这一行是否存在。如果不存在你需要根据CP/M-86 BIOS规范找到正确的位置插入它并确保LIST:标签在代码段中定义即我们刚才实现的那个函数。如果存在确保其指向的地址是正确的通常汇编器会根据LIST:标签自动计算。6.5 编译、测试与调试编译保存修改后的V20CBIOS.A86执行完整的编译流程。硬件连接将V20-MBC的对应GPIO引脚假设对应端口0x60连接到一个LED加限流电阻或逻辑分析仪。软件测试在CP/M-86系统下可以使用内置命令或编写一个简单的测试程序。例如CP/M的STAT命令可以检查设备分配或者用PIP命令将文件复制到LST:设备PIP LST:CON:这会将接下来在控制台输入的字符复制到列表设备。输入一些字符观察GPIO引脚是否有对应的电平变化LED闪烁或逻辑分析仪捕获到数据。调试如果无输出检查步骤编译错误确认汇编过程“NUMBER OF ERRORS: 0”。端口地址确认硬件原理图上的GPIO地址是否正确。跳转表确认LIST函数在跳转表中的位置正确并且标签名一致大小写敏感。函数实现确认LIST:函数代码没有被错误地放置或注释掉。硬件检查电路连接是否牢固LED极性是否正确。实操心得使用空指令NOP和占位符调试在编写新的驱动代码时一个稳妥的方法是先不实现具体功能而是用空操作指令NOP填充或者让函数简单地返回。先确保添加了新函数入口并编译通过、系统能正常启动。然后再逐步替换NOP为实际功能代码。这有助于隔离问题是添加新入口导致系统崩溃还是具体的I/O代码有问题。7. 常见问题与深度排查指南7.1 编译阶段问题问题1执行iz-cpm.exe asm86.com V20CBIOS.A86时提示“文件未找到”或直接退出。排查首先确认ASM86.COM文件存在于当前目录。其次iz-cpm的运行依赖于当前目录下的文件。确保在正确的目录下执行命令。最后尝试直接运行iz-cpm.exe看是否能进入其内部的CP/M提示符这可以验证iz-cpm本身是否正常工作。问题2汇编过程出现“NUMBER OF ERRORS: X”X0。排查仔细阅读汇编器输出的错误信息如果有的话。错误通常包含行号。检查对应行号的代码。常见错误包括未定义的标签拼写错误、语法错误指令拼写错误、操作数格式错误、字符串引号不匹配。如果你修改了源码请重点检查修改处附近。恢复备份文件确认是否是修改引入的错误。问题3执行iz-cpm.exe pip.com ...或iz-cpm.exe gencmd.com ...后无新文件生成或生成的文件大小异常。排查检查输入文件确认CPM.H86和V20CBIOS.H86文件存在且大小合理。检查命令语法PIP命令的格式非常严格目标文件源文件1,源文件2中间不能有多余空格除了逗号后的可选空格。整个参数作为iz-cpm的一个字符串参数传递要用双引号括起来。检查GENCMD参数参数cpm86.h86 8080 code[a40]是一个整体字符串中间有空格。确保拼写完全正确。查看iz-cpm输出有时错误信息会显示在iz-cpm的启动信息中。仔细阅读所有输出。7.2 系统启动阶段问题问题4替换新的cpm86.bin后V20-MBC无法启动黑屏、卡住、乱码。排查这是最严重的问题说明生成的BIOS二进制文件有问题。立即回退换回之前确认可启动的cpm86.bin文件确认硬件和SD卡本身正常。验证原始流程不进行任何修改严格按照第4章步骤用原始V20CBIOS.A86编译一次。用生成的cpm86.bin测试。如果仍然失败说明工具链或操作步骤在某处出错。需从头检查每一步特别是dd命令的参数。二进制对比使用二进制比较工具如fc /b命令比较你编译的cpm86.bin与原始SD卡上的cpm86.bin。如果完全一致但你的不能启动可能是SD卡写入问题或硬件偶然故障。如果不一致且你未做源码修改则编译流程肯定有误。检查修改内容如果只有修改后的版本失败问题肯定出在你的代码修改上。回顾修改处字符串是否过长覆盖了代码是否误删了关键指令或标签跳转表是否被破坏建议一次只做一处微小修改测试成功后再进行下一处。问题5系统能启动但自定义功能如GPIO输出不工作。排查软件层面在CP/M下确认程序确实调用了LST:设备。例如使用PIP LST:FILENAME.TXT命令或者写一个调用BDOS列表输出功能的小汇编程序进行测试。BIOS层面在BIOS源码中可以在LIST:函数开始处添加一段“签名”代码例如向一个不同的、连接了LED的端口输出一个特定的字节如0xAA。重新编译测试如果LED有反应说明函数被正确调用了问题在具体的GPIO输出代码上。如果没反应说明函数可能未被调用跳转表错误或调用路径有问题。硬件层面用万用表或逻辑分析仪直接测量GPIO引脚。确认端口地址是否正确硬件电路连接是否无误。有时端口可能需要初始化设置方向寄存器而不仅仅是数据输出。7.3 工具与环境问题问题6cpmcp或cpmls无法识别磁盘映像无任何输出。排查99%的问题出在-f参数和diskdefs文件上。确保diskdefs文件在当前目录。打开diskdefs文件查看其中定义的格式名。例如找到以diskdef V20MBC-D0开头的段落。-f参数后的名字必须与此完全一致包括大小写。确认磁盘映像文件路径正确。问题7在Windows 11或新版本系统上某些工具如dd被安全软件拦截。排查Windows Defender或其他杀毒软件可能将小众的、无数字签名的.exe文件视为威胁。在下载时如果浏览器报警选择“保留”文件。运行前可能需要在文件属性中勾选“解除锁定”。或将整个工作目录添加到杀毒软件的排除列表中。考虑在虚拟机如VirtualBox中运行整个流程虚拟机环境隔离性好且可以创建快照非常适合这种开发/测试工作。通过系统性地遵循上述步骤和排查思路绝大多数在V20-MBC上定制CP/M-86 BIOS过程中遇到的问题都可以被定位和解决。这个过程不仅是对复古计算技术的实践更是对底层系统开发、调试思维的一次极佳训练。每一次成功的启动和每一个功能的实现都是对计算机系统理解的一次深化。
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