Электроника туралы негізгі түсінік бар компьютерді құру: 9 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Сіз шынымен ақылды екеніңізді көрсетіп, өз компьютеріңізді нөлден құрғыңыз келді ме? Ең аз компьютерді жасау үшін не қажет екенін білмейсіз бе? Егер сіз электроника туралы жеткілікті білсеңіз, кейбір IC -ді дұрыс жинау оңай. Бұл нұсқаулық сізді осы бөлімде жақсы деп санайды, сонымен қатар басқа да нәрселер. Егер олай болмаса, егер сіз нон тақтасы/прототиптеу қалай жасалатынын білсеңіз, оны жалғастыру әлі де қиын болмауы керек. Бұл нұсқаулықтың мақсаты - олардың қалай жұмыс істейтіні туралы көп нәрсені білместен жұмыс істейтін «компьютерді» алу. Мен сымдар мен бағдарламалау негіздерін қарастырамын, сонымен қатар сіз үшін өте қысқа бағдарлама ұсынамын. Ендеше, бастайық.

1 -қадам: бөлшектер мен заттар

«Компьютерге» мыналар қажет: қуат, кіріс, өңдеу, жады мен шығыс. Техникалық тұрғыда бізде бұлардың бәрі болады. Мен бұларды ретімен қарастырамын.

Қуат үшін сізге 5 вольтты (5В деп белгіленген) көз қажет болады. Бұл реттелетін көз болуы ұсынылады, сондықтан сіз тізбектегі бөліктерді кездейсоқ қуырмайсыз. Біздің енгізу батырмалар болады. Өңдеу өздігінен түсіндіріледі; біз процессорды қолданамыз. Жад тек ROM -дан тұрады. ЖЖҚ ретінде пайдалану үшін процессордың ішкі жалпы мақсаттағы регистрлері жеткілікті болады. Шығу жарық диодты болады.

1 LM7805C - 5В реттегіш

1 ZYLOG Z80 - процессор

1 AT28C64B - EEPROM

1 74LS273 - Octal D Flip -Flop

1 74HC374E - сегіздік флип -флоп

3 CD4001BE - Quad NOR қақпасы

1 NE555 - Сағат генераторы

2 1К Ом резисторы

1 10К Ом резисторы

1 10К Ом резисторлық желі; 8 автобус немесе 8 қосымша 10к резистор

1 1ФФ конденсатор

1 100uF конденсатор

1 Басу түймесі

3x4 батырмалы матрица НЕМЕСЕ 8 қосымша батырмалар

8 жарықдиодты - түсті таңдау маңызды емес

8 330 Ом резисторлар немесе резисторлық желі

1 Шын мәнінде үлкен нан тақтасы немесе бірнеше кішкентайлар

Көп және көп сымдар

Менің схемамда SRAM таяқшасы орнатылған. Сізге бұл туралы алаңдаудың қажеті жоқ. Мен оны схемаға нақты тізбекті дәл көрсету үшін қостым, мен оны болашақта қолдану үшін схемаға қостым. Сондай -ақ, схемаға төрт бұрышты қақпа (74LS36) қосылды. Пайдаланылмаған екі қақпаның кірісі VCC -ке байланған және олардың шығуы өзгермелі күйінде қалады (сызылған жоқ). Сондай -ақ, жоғарыда тізбектегі екі конденсатор сызылған жоқ.

Мен бүкіл тақтаны тамақтандыру үшін реттелетін 12В -ты 5В реттегішке беремін. Ол өте жылы болады, сондықтан мен оны салқындату үшін жылу қабылдағышты қостым. Егер сіз реттегішті беру үшін 12 В -тан төмен ток қолдансаңыз (кемінде 7 В), ол салқындатқышпен жұмыс істеуі керек.

Z80 - бұл сиқырлық. Ол ROM -да сақталған нұсқауларды алады және оларды орындайды. EEPROM біздің бағдарламаны процессордың орындалуы үшін сақтайды.

Сегіздік флип-флоп-бұл біздің шығыс құрылғымыз, деректер шинасындағы деректерді өз шығысына бекітеді. Бұл бізге автобустағы нәрсені өзгертуге мүмкіндік береді, бұл пайдаланушы/көруші көретін нәрсені өзгертпестен, нұсқаулық бойынша бірнеше рет орындалатын маңызды қадам. Флип-флоп жарықдиодты жарықтандыруға қажетті токты жүргізе алмайды, сондықтан олар светодиоды шығару үшін 8 деректер желісін буферлейтін төрт NOR қақпалы чипке қосылады. Қақпалардың шығуы төңкерілгендіктен, біз де светодиодтарды сыммен бұруымыз керек, бірақ біз бұған келгенде келеміз. Басқа NOR чипі логикалық декодтау үшін қолданылады, бірақ тек үш қақпа қолданылады.

Енгізу үшін қолданылатын сегіздік флип-флоп мәні бойынша бірдей. Шығу флип-флоптары олардың шығысын жоғары немесе төмен ұстайды, сондықтан оны автобусты жүргізуге болмайды; ол автобустағы деректерді сақтайды. Кіріс үшін қолданылатын флип-флоп /RESET түйреуішін /EN-ке ауыстырады, ол микросхеманың (және одан) шығысын азды-көпті ажыратады, сондықтан ол деректерді сақтамайды (үш күйлік шығыс).

2 -қадам: Қуат, сағат және қалпына келтіру тізбектерін қосу

ЕСКЕРТПЕ: Барлық бөлшектер үшін алдымен электр рельстерін сыммен жалғаңыз. Сым қосуды ұмытып кету керек, чиптердің ұмытылған қуат қосылымдарынан аман қалу ықтималдығы аз болады.

Қуат тізбегі сымға ең қарапайым схема болып табылады, содан кейін сәйкесінше қалпына келтіру және сағат тізбектері. Суретте 12В кіріс кернеуі оң жақ шетінде орналасқан. Қоңыр сым, астына сары түсті жасырып, 12В кернеуді реттегішке береді. Реттегіштің шығысы нан тақтасындағы кез келген басқа электр желісін береді және әрбір электрлік таспаның ортақ жері бар, себебі электроника осылай жұмыс істейді.

Процессор жұмыс істеу үшін сағаттық тізбекті қажет етеді. Онсыз ол бастапқы күйінде отырады және ештеңе жасамайды. Сағат процессорлардың ішкі ауысым регистрлерін басқарады, осылайша ол сигналдарды жасай алады. Кез келген сағаттық кіріс, тіпті қарапайым резистор мен батырманы басады. Бірақ нұсқауларды орындау үшін көптеген сағат циклдары қажет. Шығаруға жазу нұсқаулығы 12 циклды алады. Сіз кодтың бір циклін алу үшін сол жерде отыруды және батырманы 100+ рет басуды қаламайтын шығарсыз (нақты сандар нұсқаулықтың соңында). NE555 дәл осыған арналған. Ол сізге ауысады және ол (салыстырмалы) жылдам қарқынмен жасайды.

Кез келген нәрсені қосуды бастамас бұрын, сіз өзіңіздің компоненттеріңізді тақтаға қалай қою керектігін білгіңіз келуі мүмкін. Менің сағат тізбегі тақтаның төменгі жағына қойылады, сондықтан ол басқа компоненттерге кедергі келтіреді. Сіз таймермен негізгі сағатты қалай жасау керектігін білесіз деп ойлаймыз. Егер олай болмаса, сіз «555 Astable» іздеп, оқулықты орындағыңыз келеді. 1В резисторды 5В рельс пен таймердің 7 түйрегінің (R1) және 7K пен 2 (R2) арасындағы 10К арасындағы өту үшін пайдаланыңыз. Таймер жұмыс істеуі үшін қалпына келтіру түйреуішін, 4 түйреуішті 5В рельсіне байлаңыз. Мен сағатты жұмыс істеп тұрғанын тексеру үшін жарықдиодты қойдым, бірақ бұл қажет емес.

NE555 -тің тағы бір нұсқасы - оны NOT қақпасы ретінде орнату және шығуды кіріске қайта байлау үшін 1K резисторды пайдалану. Мұны істеу үшін әдетте 3 таймерді қолдану ұсынылады, бірақ мен тек 1 -і жақсы жұмыс істейтінін білдім. Егер сіз мұны жасасаңыз, ол өте жоғары жылдамдықпен тербелетінін біліңіз және шығыс диодтарының жыпылықтағанын айту тіпті қиын, тіпті мүмкін емес. Бұл қондырғы «сақина осцилляторы» деп аталады.

Біз сағатты процессорға әлі қоспаймыз. Біз оны жай ғана дайындап жатырмыз. Сондай -ақ, суреттегі сағаттан жоғары логикалық чипке назар аударыңыз. Ол кейінірек қосылды және бұл оны орналастырудың жалғыз ақылға қонымды нүктесі болды. Ол RAM/ROM таңдау үшін қолданылады. Бұл нұсқаулық жедел жадыға назар аудармайды, сондықтан сіздің тақтада бұл чип болмайды.

Енді біз қалпына келтіру тізбегін қосамыз. Алдымен сіз тақтадағы орынды табуыңыз керек. Мен сағаттың жанында таңдадым. Түймені тақтаға қосыңыз. Түйменің бір жағын 5В рельске байлау үшін 1K резисторды қолданыңыз. Біздің RESET түйреуіштері белсенді емес, сондықтан оларды жоғары ұстау керек. Резистор дәл осы мақсатқа арналған. Бұл түйіспе бастапқы түйреуіштер қосылатын жерде де болады. Түйменің екінші жағы тікелей жерге түседі. Егер сіз қайта қосуды қаласаңыз, осы қосылымға 10uF конденсаторды қосыңыз. Бұл процессор мен флип-флоп ішіндегі қалпына келтіру схемасын іске қосу үшін қалпына келтіру түйреуіштеріндегі кернеуді жеткілікті ұзақ сақтайды.

3 -қадам: Z80 сымын қосу

Енді біз нәзік жандыларға келеміз. Біз Z80 болып табылатын аңды сыммен байланыстырамыз. Мен бортқа Z80 тақтасын қалпына келтіру схемасы сияқты тақтаның жоғарғы жағына қойдым. Жоғарыда айтылғандай, алдымен электр рельстерін сыммен қосыңыз. 5В сол жақтағы 11 -ші істікке өтеді, ал жер бір істік төмен, бірақ оң жақта. Сіз чиптің тақ енін байқадыңыз. Бұл сізге бір жағында нан тақтасында 3 ашық коннектордың болуына әкеледі. Егер сіз мұны қаласаңыз, қосымша заттарды сыммен қосуды жеңілдетесіз.

Келесі түйреуіш нөмірлері-менің ойымша, сіз IC-дегі түйреуіштерді қалай санауды білесіз деп ойлаймын-пайдаланылмаған кірістер және олар 5В рельске байланған болуы керек: 16, 17, 24, 25.

Біздің сағат есіңізде ме? Оның шығысы z80 -дегі 6 -шы нүктеге дейін жетеді. Қалпына келтіру тізбегі 26 түйреуішке қосылады. Тақтада басқа компоненттері жоқ, бұл сізге z80 сымының өзін жеткізуге мүмкіндік береді. Қосымша сымдар келесі кезеңдерде жасалады.

Мен бұл нұсқаулықты жазуды ойламастан бұрын схеманы құрғандықтан, мен келесі қадамға дейін суретті ұстап тұрамын.

4 -қадам: ROM -ды сыммен қосу

ЕСКЕРТПЕ: егер оны әлі де бағдарламалау қажет болса, оны тақтаға қоюды кейінге қалдырғыңыз келуі мүмкін (толығырақ кейінірек).

ROM үшін мен оны Z80 -дің оң жағына қойдым, сонымен қатар оны бір тақтаның астына іліп қойдым. Бұл маған адрестік шинаны тікелей қосуға мүмкіндік берді, бірақ бұл туралы кейінірек. AT28C64B - бұл EEPROM, яғни кейбір түйреуіштерді өшіру және қосу арқылы бірнеше рет бағдарламалануы мүмкін. Біздің EEPROM схемада кездейсоқ қайта бағдарламаланғанын қаламаймыз. Электрлік рельстерді қосқаннан кейін, 27 В сымдық түйреуішті 5В рельске қосыңыз, бұл жазу мүмкіндігін мүлдем өшіреді.

Менің бағдарламам соншалықты кішкентай, маған тек төменгі 5 адрес жолдары (A0-A4) жалғануы керек еді, бірақ мен A5, A6 және A7 сымдарын қостым, сондықтан мен қосымша бағдарламаларсыз үлкен бағдарламаларды жаза аламын. Қосымша адрестік жолдар (A8-A12) жоғары мекен-жайларға қалқымалы кірулердің қалқымалы кірулерін болдырмау үшін жерге тікелей байланған. Пайдаланылмаған мекен -жай кірістері жерге байланған және жазуды басқару 5В -қа байланған кезде, қалғандарын сымдау өте қарапайым. Процессордан A0 табыңыз және оны ROM -да A0 -ге қосыңыз. Содан кейін процессордан A1 табыңыз және оны ROM -да A1 -ге қосыңыз. Мұны барлық мекенжайларды біріктіргенше жасаңыз. Суретте менің ROM -ға адрестік шинам көк сыммен жасалған. ЖЖҚ адрес шинасы қызыл сыммен орындалады. Бұл сымдардың барлығы алдын ала кесілген және тазартылған, себебі олар тақтаның сым жинағына кірді және бұл сымға өте ыңғайлы болды.

Сіз адрестерді сымды алғаннан кейін (бұл адрестік шина деп аталады), дәл D0, D1, D2 және т.б. тігілген түйреуіштер үшін дәл осылай жасаңыз. деректер шинасы сымды. Біз дерлік ROM -ды қосуды аяқтадық. ROM /CE (чипті қосу) түйреуішін табыңыз және оны процессордың түйреуішіне 19, /MREQ (жадты сұрау) жалғаңыз, содан кейін ROM /OE (шығуды қосу) табыңыз және оны процессордың 21, /RD сымына қосыңыз (оқыңыз). Біз қазір аяқтадық. Мұның бәрі секіргіш сымдармен жасалады, себебі олар процессордың екінші жағына өтуі керек, ал тақта дәл осындай сымдарды қолдануға жеткілікті орын ұсынбайды.

5 -қадам: шығыс сымдарын жалғау

Ол көп болмағандықтан, мен шығыс үшін Z80 тақтасының сол жағындағы бөлікті таңдадым. Флип-флопты сол жерге қойыңыз және оларды электр рельстеріне қосыңыз. Pin 1, /MR (бастапқы қалпына келтіру) процессордың қалпына келтіру түйреуішіне тікелей қосыла алады, бірақ оны 5В рельске байлап қоюға болады. Мұны істеу оны бірінші жазуға дейін қажетсіз деректерді көрсетуге әкеледі. Микросхеманың 11 -ші істікшеде сағаттық кірісі бар екеніне назар аударыңыз. Бұл кіріс біртүрлі: ол түйреуіш жоғары көтерілгенде қосылады. Сондай -ақ, бұл түйін процессорды басқаратын сағат емес екенін ескеріңіз. Бұл сағат деректер шинасында бекітілген деректерді бекітеді.

Есіңізде болсын, біз D0 - D7 -ді ROM -да процессордың сол түйреуіштеріне қалай қосқан едік? Бұл чип үшін дәл осылай жасаңыз. Оның D0 деректер шинасында D0 -ге өтеді және т.б. «Q» әрпінен басталатын түйреуіштер шығыс болып табылады. Оларды қоспас бұрын, біз көбірек чиптерді қосуымыз керек. Мен NOR төртбұрышты қақпаларын қолдандым, себебі менде олардың түтігі бар, маған қажеті бар, бірақ егер сіз оны дұрыс сымдасаңыз, кез келген чип жұмыс істейді. Мен барлық қақпалардың бір кірісін жерге байланыстырып, басқа кірістерді кірістер ретінде қолдана алар едім, бірақ мен қарапайымдылық үшін екі кірісті де қосуды таңдадым.

Мен фишкаларды флип-флоптың астына қойдым, оны тікелей секіргішсіз сыммен қосуды жеңілдету үшін, бірақ мен сымның аздығында болдым, сондықтан бұл маңызды емес еді. Флип-флоптағы Q0, Q1….. Q7 жеке қақпалардағы кірістерге түседі. Әр пакетте/чипте 4 қақпа болса, маған 2 пакет қажет болды және барлық қақпаларды қолдандым. Егер сіз жарықдиодты осылайша буферлендірместен басқара алатын флип-флоптың нұсқасын тапсаңыз, бұл екі чиптің қажеті жоқ. Егер сіз қақпаларды инвертті шығысы жоқ буфер ретінде қолдансаңыз (AND/OR/XOR), онда сіз светодиодтарды күткендей сыммен қосуға болады. Егер сіз мен сияқты бөліктерді қолдансаңыз және/немесе шығыс инверттелген болса, жарық диодты сымдарды төменде сипатталғандай етіп қосу керек. Бірінші сурет шығудың IC бөлігін көрсетеді.

330 Ом резисторларын қолдана отырып, жарықдиодты оң (анод) 5В рельсіне байлап, теріс (катодты) қақпаның шығысына қосыңыз. Екінші суретте мен екі резисторлық автобустарды қолданғанымды көре аласыз, олардың әрқайсысында тек бес ішкі резисторы бар. Светодиодтарды осылай сыммен жалғау оларды өшіру кезінде жарықтандырады. Біз мұны жасаймыз, себебі кіріс қосылған кезде шығыс өшірулі. Флип-флопты басқару элементтерінен шығатын есіктердің қайсысы екеніне көз жеткізіңіз. Егер сіздің жарықдиодты шамдар шашылып кетпесе немесе олардың тәртібі мағынасыз болмаса, олардың қате жоғалуы кейіннен сіз өзіңізден шығыс неліктен қате екенін сұрағанда шатасуға әкелуі мүмкін.

6 -қадам: кірісті сыммен қосу

74HC374 флип-флосын алыңыз және оны бір жерге қойыңыз. Менікі Z80 -ден төмен тақтаның төменгі жағында болды. Есіңізде болсын, біз D0 -ды D0 -ге және D1 -ді D1 -ге қосқанымызды және т.б. Бұл жолы біз Q0 - D0 және Q1 - D1 және т.б. Бақытымызға орай, бұл жолы біз буферлік чиптерді қосудың қажеті жоқ, хаха. Оның орнына біз әрбір «D» істігіне (D0-D7) 10К Ом қосамыз, содан кейін сол түйреуіштер мен 5В рельсіне түймені қосамыз. Немесе резисторлық автобусты қолданып, бөлшектер санын едәуір азайтуға болады. 3x4 түйме матрицасы (матрицаланбаған шығыссыз) да көмектеседі. Суретте желімнің логикасымен бірге кіріс тізбегі толық көрсетілген (бұл бөлік келесіде).

7 -қадам: Желім логикасы

Бізде соңғы бір нәрсе бар. Ол «желімнің логикасы» деп аталады, себебі ол жұмыс сигналдарын декодтау үшін қолданылады; бұл тізбекті біріктіретін нәрсе. Процессор деректерді шығысқа жазғысы келгенде, /IORQ және /WR (20 және 22) екеуі де төмендейді және жіберілетін деректер деректер шинасында бекітіледі. Екі флип-флоптағы сағаттық түйреуіш белсенді жоғары, яғни түйреуіш жоғары сигнал алған кезде деректер бекітіледі. Біз қақпаның бір кірісіне NOR қақпасы мен сымды /IORQ, ал екінші кіріске WR қолданамыз. Егер жоғары болса, яғни IO схемалары таңдалмайды немесе жазу операциясы орындалмайды, флип-флоптың сағатын беретін шығыс төмен болып қалады. Екі кіріс те төмен болған кезде және тек жоғары болғанда, флип-флоп мәліметтерді бекітеді.

Енді бізге флип-флопты қосу керек. Біз сағатты істікшені алдыңғы жолмен байланыстыра аламыз, бірақ /IORQ және /RD көмегімен. Басқа флип-флоптан айырмашылығы, бізде /IE түйрегіші бар, оны /IORQ және /RD төмен болғанда ғана төмендету қажет. Біз OR қақпасын қолдана аламыз. Немесе біз сағат үшін қолда бар сигналды алып, оны қолымызда бар екі инверторлы қақпаның бірімен айналдыра аламыз. Бұл нұсқаулықты айту кезінде менде OR қақпасы болмады, сондықтан мен соңғы нұсқаны қолдандым. Соңғы опцияны қолдану маған ешқандай қосымша бөліктерді қосудың қажеті жоқ дегенді білдіреді.

8 -қадам: бағдарламалау

Егер сіздің сымдарыңыз дұрыс болса және менің түсініктеме түсінікті болса, онда ROM -ды бағдарламалау ғана қалады. Бұл үшін бірнеше жол бар. Сіз оңай жолды таңдап, Digikey -ден жаңа чипке тапсырыс бере аласыз. Бөлікке тапсырыс берген кезде сізде HEX файлын жүктеу мүмкіндігі болады және олар оны жібермес бұрын оны бағдарламалайды. Осы нұсқаулыққа бекітілген HEX немесе OBJ файлдарын қолданыңыз және оның поштаға келуін күтіңіз. 2 -нұсқа - Arduino немесе басқа нәрсе бар бағдарламашыны құру. Мен бұл жолды сынап көрдім, бірақ ол белгілі бір деректерді дұрыс көшіре алмады және оны түсіну үшін маған бірнеше апта қажет болды. Мен 3 -ші опцияны орындауды аяқтадым, ол оны қолмен бағдарламалау және адрестер мен деректер желілерін басқару үшін қосқыштарды аудару.

Процессордың ОР кодына тікелей түрлендірілгеннен кейін, бұл бағдарлама тек 17 байт адрестік кеңістікте қалады, сондықтан қолмен бағдарламалау өте қорқынышты емес еді. Бағдарлама В жалпы регистріне 00 мәнін жүктейді. В регистрі алдыңғы қосудың нәтижесін сақтау үшін қолданылады. A регистрі математика болатын жерде болғандықтан, біз оны деректерді сақтау үшін қолданбаймыз.

А регистрі туралы айтатын болсақ, біз IN командасын орындаймыз, ол кірісті оқиды және оқылған мәліметтерді А -да сақтайды, содан кейін В регистрінің мазмұнын қосамыз және нәтижені шығарамыз.

Осыдан кейін А регистрі В регистріне көшіріледі, содан кейін біз секіру командаларының сериясын орындаймыз. Барлық секірулер адрестік жолдардың төменгі байтын көрсететіндіктен және секіру нұсқаулығының жоғарғы байты екінші аргументте берілгендіктен және «00» болғандықтан, біз әр секіруден кейін NOP қосуға мәжбүрлей аламыз. Біз мұны кездейсоқ енгізуді болдырмау үшін шығыс пен оқу енгізу арасындағы уақытты беру үшін жасаймыз. Әр секіруде он сағат циклі қолданылады, ал әрбір НОП - төрт. Егер цикл сіздің қалауыңыз бойынша тым ұзаққа созылса, сіз сағат жылдамдығын арттыра аласыз немесе бір секіруді азайту үшін оны қайта бағдарламалай аласыз.

9 -қадам: тестілеу

Егер сіз бәрін дұрыс сыммен байланыстырсаңыз және сіздің ROM дұрыс бағдарламаланған болса, онда соңғы бір қадам бар: оны қосыңыз және ол жұмыс істейтінін тексеріңіз. Түймені басып, бірнеше секунд күтіңіз. Бағдарламаның бірінші циклге жетуі үшін 81 сағаттық цикл қажет және әр цикл 74 сағаттық циклды алады.

Егер ол жұмыс істемесе, қысқа және қосылмаған түйреуіштерді (ашылатын) және сымның басқа да мәселелерін тексеріңіз. Егер сіз қосуды қалпына келтіруден бас тартсаңыз, процессор ештеңе жасамас бұрын қолмен қалпына келтіру қажет болады. Сондай -ақ, олар өздерін қалай ұстайтынын білу үшін светодиодтарды адрестік шинаға қоса аласыз. Менде бұл мәселе болды, сондықтан мен оларды тікелей деректер шинасына қойдым. Бұл маған процессор мен ROM арасында не айтылатынын көруге мүмкіндік берді, егер ROM дұрыс оқылса, бұл уақыт диаграммасын қажет етеді, мен оған қатысқым келмеді. Жақсы таңдау болды, өйткені мен ақырында қате сақталған проблемалы ОП кодтарын ұстадым.