Расширение возможностей собранной микроЭВМ

Простейшая микроЭВМ, собранная в виде трех модулей (микропроцессорного, памяти и управления), позволяет вводить написанную программу и исполнять ее в автоматическом и пошаговом режимах, что является достаточным для предварительного знакомства с принципом работы микроЭВМ и элементами программирования. Однако в дальнейшем, освоив начальную стадию работы и потренировавшись в написании и отработке программ, читатель пожелает расширить возможности микроЭВМ, используя ее для практических целей (например, для программного управления бытовыми приборами, елочной гирляндой, музыкальным синтезатором, таймером и другими устройствами автоматики). С этой щелью необходимо собрать модуль ввода— вывода для подключения к общей шине микроЭВМ различных датчиков и исполнительных механизмов в виде переключателей, кнопок, индикаторов, реле, !светодиодов и др. Такой модуль лучше всего выполнить на специальной микросхеме типа К580ИК55, допускающей подключение 4 самых разнообразных устройств ввода—вывода. Однако, учитывая дефицитность и сравнительно высокую стоимость этой микросхемы, а также значительное усложнение программы (напомним, что К580ИК.55 является программируемым устройством ввода— вывода), на первых порах можно ограничиться более простым модулем ввода—вывода.

Структурная схема такого упрощенного модуля приведена на рис. 56. Модуль состоит из шинного формирователя ШФД, осуществляющего ввод или вывод данных, порта вывода ПВЫВ и логического узла ЛУ, вырабатывающего управляющие сигналы.

Модуль не имеет порта ввода. Этим портом служат входы шинного формирователя ШФД. Если же сигналы ввода появляются весьма кратковременно и их необходимо запоминать, прежде чем вводить в микроЭВМ, то следует установить дополнительно порт ввода ПВВ, изображенный на рис. 56 пунктиром. Модуль имеет один канал (порт) ввода и один канал вывода, поэтому нет дешифратора, определяющего номер порта Е сли в дальнейшем потребуется развитие схемы, в вид подключения нескольких портов вывода или ввода, то следует добавить дешифратор ДША который будет определять, какой из портов следует подключать к общей шине микро ЭВМ

Принципиальная схема модуля ввода-вывода приведена на рис.21.

Шинные формирователи DD1—DD2 выполнены на микросхеме К589АП16. Порт вывода DD3—DD4 собран на триггерах типа К155ТМ7. Сигналы ввода поступают на разъем XS1, а сигналы вывода снимаются с разъема XS2. При этом на контактах разъема XS2 можно получить как прямое, так и инверсное значение сигналов вывода.

В режиме ввода данных на контакт Б8 ЧТВВ разъема ХР 1 общей шины приходит управляющий сигнал в виде уровня логического нуля. Этот сигнал поступает на выводы ВР микросхем DD1—DD2, что приводит к передаче данных с выводов А1—А4 на выводы В1—В4 и далее, на выводы ШДО—ШД7 общей шины, для ввода данных в микропроцессор.

В режиме вывода данных управляющий сигнал ЧТВВ изменяет свое значение с нуля на единицу и это вызывает изменение направления передаваемых данных с помощью DD1—DD2. Данные начинают поступать с выводов В1—В4 на выводы О—С4 и далее на входы Dl — D4 триггеров DD3—DD4. В это же время приходит управляющий сигнал ЗПВВ в виде уровня логического нуля.

Этот сигнал инвертируется микросхемой DD5.3 и поступает на выводы С1—С4 триггеров DD3—DD4, разрешая запоминания данных, подаваемых на выводы Dl —D4 и осуществляя их выдачу на выводы Ql —Q4 и Ql —Q4. С этих выводов сигналы данных передаются на исполнительные механизмы, подключаемые к разъему XS2.

Когда микропроцессор осуществляет обмен данными с памятью, а не с устройствами ввода—вывода, то он посылает на контакты Б8 и А 7 (ЧТВВ и ЗПВВ) разъема ХР1 уровни логической единицы. Эти уровни приходят на выводы 1 и 2 микросхемы DD5.1, вызывая нулевой уровень на выводе 3. Нулевой уровень инвертируется микросхемой DD5.2 и поступает в виде логической единицы на выводы В К микросхем DD1—DD2, благодаря чему выводы В1 — В4 микросхем DD1—DD2 переходят в высоко импедансное состояние и модуль ввода—вывода отключается от общей шины.

Как было уже сказано, устройство ввода—вывода можно выполнить в виде ячеек памяти и разместить их в пространстве памяти так, чтобы микропроцессор воспринимал устройство ввода— вы вода как память.

На практике при написании программ удобнее пользоваться специальными командами ввода (IN) и вывода (OUT), но при этом приходится формировать управляющие сигналы ЧТВВ и ЗПВВ, что усложняет аппаратную часть микроЭВМ.

На рис. 57 приведена функциональная схема модуля ввода—вывода, использующего порты ввода (ПВВ) и вывода (ПВЫВ) как условные ячейки памяти. Тот или иной порт вызывается микропроцессором путем установки на адресной шине ША нужного адреса порта. Этот адрес распознается дешифратором ДША, посылающим в устройство управления УУ сигнал, разрешающий подключение к шине данных ПВВ или ПВЫВ. По шине управления в УУ поступают также сигналы ЧТЗУ и ЗПЗУ. Когда поступает сигнал ЧТЗУ, то УУ включает ПВВ, а когда приходит сигнал ЗПЗУ, то УУ разрешает включение ПВЫВ.

Принципиальная электрическая схема модуля ввода — вывода приведена на рис. 22. Разъем XS1 служит для подключения [устройств ввода — переключателей, кнопок, датчиков и др. В качестве порта ввода использованы две микросхемы типа К155ЛП8, представляющих собой четыре управляемых усилителя с тремя логическими состояниями на выходе. Для работы К155ЛП8 в качестве усилителя на выводы 1,4, 10 и 13 нужно подавать уровень логического нуля. Если же подавать уровень логической единицы, то выходы 3, 6, 8 и 11 переходят в высокоимпедансное состояние.

Разъем XS2 служит для подключения устройств вывода— св етодиодов, индикаторов, реле, исполнительных механизмов и др.

Порт вывода выполнен на двух микросхемах типа K155TМ7. Каждая микросхема К155ТМ7 содержит четыре триггера. Применение запоминающих триггеров вызвано тем, что микропроцессор выдает данные в течение очень короткого промежутка времени (микросекунды) и поэтому приходится запоминать данные перед тем, как их передавать устройству вывода.

Сигналом для запоминания служит уровень логической единицы, подаваемый на выводы 4 и 13 микросхем К155ТМ7.

Адрес порта ввода (условной ячейки памяти) выбран 7FFFH, а вывода — FFFFH, или "(для наглядности) в двоичной системе соответственно —0111111111111111 и 1111111111111111.

Такие адреса облегчают конструирование дешифратора при помощи широко распространенных микросхем типа К155ЛА2, представляющих собой логическую схему 8И—НЕ. У этой микросхемы на выходе (вывод 8) образуется уровень логического нуля только тогда, когда на все входы (выводы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 11 и 12) подать уровень логической единицы.

При описании функциональной схемы модуля ввода—вывода для распознавания адресов порта ввода и порта вывода используется, как указывалось выше, дешифратор адреса ДША. В состав ДША входят микросхемы DD4, DD5, DD6 и DD2.1. Для дешифрации адреса 7FFFH (когда микропроцессор обращается к порту вывода) используются микросхемы DD5 и DD6, а для дешифрации адреса 7FFFH (обращение к порту ввода) — микросхемы DD5, DD4 и DD2.1. Микросхема DD2.1 необходима для инвертирования нуля в старшем разряде адреса ввода (0151111111111111). Сигналы с выхода дешифратора ДША (выводы 8 микросхемы DD4, DD5 и DD6) поступают на вход устройства управления УУ. На вход УУ из шины управления приходят также сигналы ЧТЗУ и ЗПЗУ.

В состав УУ входят микросхемы DD1, DD2 (за исключением элемента DD2.1) и DD3.

Рассмотрим работу УУ. При обращении к порту вывода на его управляющие входы (выводы 4 и 13 микросхем DD9 и DD10) должен быть подан сигнал с уровнем логической единицы.

Этот сигнал появится на выходе УУ (вывод 8 микросхемы DD3.3) только в тот момент, когда микропроцессор выдаст на шину адреса ША адрес порта вывода FFFFH, а на шину управления — сигнал ЗПЗУ. При этом с выхода дешифратора адреса (выводы 8 микросхем DD5 и DD6) сигналы с уровнем логического нуля поступают на вход УУ (выводы 8 и 9 микросхемы DD2.3). На выводе 10 микросхемы DD2.3 появится сигнал с уровнем логической единицы и поступит на вход схемы совпадения (вывод 4 микросхемы DD3.2). На второй вход (вывод 5 микросхемы DD3.2) поступит инвертированный микросхемой DD1.2 сигнал ЗПЗУ в виде уровня логической единицы. С выхода этой схемы совпадения (вывод 6 микросхемы DD3.2) сигнал с уровнем логического нуля поступит на вход инвертора DD3.3, а затем, уже инвертированный, имея уровень логической единицы, появится на выходе УУ.

Аналогично при обращении к порту ввода на выходе УУ (вывод 3 микросхемы DD3.1) сформируется сигнал с уровнем логического нуля только в тот момент, когда микропроцессор выдаст на шину адреса ША адрес порта ввода 7FFFH, а на шину управления ШУ — сигнал ЧТЗУ. При этом есть некоторые отличия от обращения к порту вывода. Во-первых, не нужно инвертировать сигнал, поступающий с выхода схемы совпадения (вывод 3 микросхемы DD3.1), так как управляющий сигнал порта ввода должен иметь уровень Логического нуля. Во-вторых, сигналы с уровнем логического нуля с выхода дешифратора адреса (выводы 8 микросхем DD4 и DD5) в этом случае поступают соответственно на вход УУ (выводы 5 и 6 микросхемы DD2.2). И, наконец, сигнал ЧТЗУ инвертируется микросхемой DD1.1. и поступает на вход схемы совпадения (вывод 1 микросхемы DD3.1) в виде логической единицы.

Как было указано в разделе З.1., сигнал БЛ ОЗУ служит для отключения основного модуля памяти от общей шины при записи или считывании данных с других устройств, подключенных непосредственно к общей шине и использующих сигналы ЗПЗУ и ЧТЗУ. Поэтому в УУ рассматриваемого модуля ввода—вывода предусмотрена схема формирования сигнала БЛ ОЗУ при обращении к порту ввода или порту вывода. Эта схема собрана на элементах DD2.4 к DD1.3.

Обратим внимание читателей еще на одну особенность модуля ввода—вывода, которая присуща и другим модулям микроЭВМ, использующим логические элементы с открытым коллектором на выходе. А именно, для улучшения помехозащищенности и устойчивой работы модуля ввода—вывода, выходы логических элементов с открытым коллектором DD1.1, DD1.2 и DD1.3 (соответственно выводы 2, 4 и 6) соединены через резистор 1 КОм с шиной 4-5В источника питания.

Помимо рассмотренных способов включения устройств ввода— вы вода существует еще один, применяемый в простейших микро-ЭВМ, содержащих ограниченный объем памяти и малое количество портов ввода—вывода. Для работы с памятью небольшого; объема требуется ограниченное число адресных выводов. Поэтому сигнал появится на выходе УУ (вывод 8 микросхемы DD3.3) только в тот момент, когда микропроцессор выдаст на шину адреса ША адрес порта вывода FFFFH, а на шину управления — сигнал ЗПЗУ. При этом с выхода дешифратора адреса (выводы 8 микросхем DD5 и DD6) сигналы с уровнем логического нуля поступают на вход УУ (выводы 8 и 9 микросхемы DD2.3). На выводе 10 микросхемы DD2.3 появится сигнал с уровнем логической единицы и поступит на вход схемы совпадения (вывод 4 микросхемы DD3.2). На второй вход (вывод 5 микросхемы DD3.2) поступит инвертированный микросхемой DD1.2 сигнал ЗПЗУ в виде уровня логической единицы. С выхода этой схемы совпадения (вывод 6 микросхемы DD3.2) сигнал с уровнем логического нуля поступит на вход инвертора DD3.3, а затем, уже инвертированный, имея уровень логической единицы, появится на выходе УУ.

Аналогично при обращении к порту ввода на выходе УУ (вывод 3 микросхемы DD3.1) сформируется сигнал с уровнем логического нуля только в тот момент, когда микропроцессор выдаст на шину адреса ША адрес порта ввода 7FFFH, а на шину управления ШУ — сигнал ЧТЗУ. При этом есть некоторые отличия от обращения к Порту вывода. Во-первых, не нужно инвертировать сигнал, поступающий с выхода схемы совпадения (вывод 3 микросхемы DD3.1), так как управляющий сигнал порта ввода должен иметь уровень логического нуля. Во-вторых, сигналы с уровнем логического нуля с выхода дешифратора адреса (выводы 8 микросхем DD4 и DD5) в этом случае поступают соответственно на вход УУ (выводы 5 и 6 микросхемы DD2.2). И, наконец, сигнал ЧТЗУ инвертируется микросхемой DD1.1. и поступает на вход схемы совпадения (вывод 1 микросхемы DD3.1) в виде логической единицы.

Как было указано в разделе З.1., сигнал БЛ ОЗУ служит для отключения основного модуля памяти от общей шины при записи или считывании данных с других устройств, подключенных непосредственно к общей шине и использующих сигналы ЗПЗУ и ЧТЗУ. Поэтому в УУ рассматриваемого модуля ввода—вывода предусмотрена схема формирования сигнала БЛ ОЗУ при обращении к порту ввода или порту вывода. Эта схема собрана на элементах DD2.4 к DD1.3.

Обратим внимание читателей еще на одну особенность модуля ввода—вывода, которая присуща и другим модулям микроЭВМ, использующим логические элементы с открытым коллектором на выходе. А именно, для улучшения помехозащищенности и устойчивой работы модуля ввода—вывода, выходы логических элементов с открытым коллектором DD1.1, DD1.2 и DD1.3 (соответственно выводы 2, 4 и 6) соединены через резистор I КОм с шиной +5В источника питания.

Например, микроЭВМ имеет память в 4 Кбайта . Для работы с такой памятью требуется 12 разрядов адресной шины. Оставшиеся 4 разряда можно использовать для включения четырех портов ввода или вывода, передавая по четырем старшим разрядам адресных шин сигналы включения (1 или 0) нужного порта. При этом для включения порта ввода дополнительно используется сигнал ЧТЗУ, а для включения порта вывода — сигнал ЗПЗУ.

Помимо добавления модуля ввода—вывода, представляется возможным приступить к выполнению второго этапа сборки микроЭВМ, позволяющего превратить нашу микроЭВМ в персональный компьютер.

С этой целью необходимо:

увеличить объем ОЗУ до 12—16 Кбайт;

добавить в память ПЗУ, имеющие объем 6-8 Кбайт;

собрать модуль сопряжения с магнитофоном, позволяющим записывать и считывать программы с помощью бытового магнитофона;

собрать модуль сопряжения с телевизором, позволяющим использовать телевизор в качестве дисплея;

изготовить клавишный пульт управления, имеющей модуль сопряжения;

увеличить мощность блока питания с учетом мощности, потребляемой дополнительными модулями;

изготовить простейший программатор, позволяющий вручную программировать ПЗУ.

Перечисленные работы выполняют в таком же порядке, как и работы первого этапа сборки, а именно:

выбирают и творчески дорабатывают принципиальные схемы дополнительных модулей в зависимости от поставленных целей модернизации, имеющегося опыта и наличия деталей;

решают конструктивные вопросы по размещению и монтажу деталей на платах модулей;

устанавливают и монтируют детали на платах модулей;

переделывают блок питания в соответствии с повышенной силой потребляемого тока;

испытывают и налаживают дополнительные модули;

испытывают и налаживают всю микроЭВМ в целом.

В журналах Радио, Моделист-конструктор и Микропроцессорные средства и системы опубликованы принципиальные схемы и краткие описания четырех типов микроЭВМ, пригодных для радиолюбительской сборки и представляющих собой простейшие персональные компьютеры. Эти микроЭВМ получили такие названия: Микро-80 [24], Радио-86РК [45), Ириша [44] и Специалист [8]. Все они собраны на микропроцессоре типа КР580ИК80А и поэтому хорошо согласовываются с нашей простейшей микроЭВМ, т. е. модули нашей микроЭВМ могут быть использованы для сборки этих компьютеров. Выбор схем дополнительных модулей зависит от наличия деталей. Если ассортимент деталей широк, то целесообразно придерживаться схем модулей Ириша и Радио-86РК, а при недостаточном ассортименте следует пользоваться схемами Микро-80 или Специалист. Перед расширением модуля памяти необходимо точно и однозначно распределить все пространство (объем) памяти, начиная от нулевой ячейки (0000Н) и кончая последней ячейкой (FFFFH), т. е. решить, какой вид памяти будет занимать определенное место во всем его объеме. Например, установить, что ОЗУ пользователя будет занимать место с 0000Н по 35FFH, резервная область с 3600Н по 3FFFH, неиспользуемая область с 4000Н по DFFFH, ОЗУ курсора с E000H по E7FFH, ОЗУ экрана с Е800Н по EFFFH, ОЗУ монитора с F500H по F7FFH, ПЗУ монитора с F800H по FFFFH.

ПЗУ следует выполнять на микросхемах с ультрафиолетовым стиранием типа К573РФ1, К573РФ2, К573РФ4 или К573РФ5. Корпуса этих микросхем имеют малые размеры и поэтому свободно размещаются на плате прежнего модуля памяти (если, конечно, было предусмотрено для этого место). Корпуса дополнительного ОЗУ приходится размещать на отдельной плате. Модуль сопряжения с магнитофоном, позволяющий записывать и хранить про грамму на магнитофонной ленте, является наиболее простым из всех дополнительных модулей. Этот модуль состоит из операционного усилителя, нескольких микросхем, резисторов и конденсаторов. Все детали модуля занимают очень мало места и легко размещаются на плате любого модуля. Лучше всего монтировать их на плате одного из модулей памяти или клавишного пульта управления. Модуль управления рассмотренной простейшей микроЭВМ используется только при наладке или при поиске неисправностей в работе модернизированной микроЭВМ. После наладки модуль управления отключается, а уже управление выполняетс я- при помощи нового модуля — клавишного пульта. управления. Этот пульт можно изготовить следующим образом. На листе плотной бумаги рисуют расположение клавиш в соответствии с принятым стандартом [24, 45]. Снизу, под каждой нарисованной клавишей (см. рис. 72) приклеивают картонный кружок диаметром 10 мм и толщиной 2—3 мм, а под кружком устанавливают микропереключатель типа МП-1, являющийся составной частью широкораспространенного малогабаритного тумблера МТ-1 или малогабаритной кнопки КМ-1. При нажатии на рисунок клавиши картонный кружок передает давление кнопке микропереключателя, в результате чего происходит замыкание контактов клавиши. Для придания жесткости под бумагу с нарисованными клавишами помещают лист картона с отверстиями диаметром 20 мм. Центры этих отверстий должны совпадать с центрами картонных кружков, наклеенных на бумаге.

В целях упрощения схемы и конструкции этого модуля разработаны специальные БИС (КР580 ВГ75). Однако эти БИС очень дефицитные и дорогостоящие. При их отсутствии модуль сопряжения с телевизором следует выполнять по схеме Микро-80 или же воспользоваться схемами журнала Радио [20], где рассказано, как заменить микросхему К580ВГ75 набором простых, широко используемых микросхем.

Простейшие программаторы, позволяющие вручную программировать ПЗУ (монитора, интерпретатора Бейсик и др.) рассмотрены при описании Микро-80 и Специалист. На рис. 58 и 60 приведены примеры (варианты) конструктивного расположения плат модулей микроЭВМ первого и второго этапов сборки. В зависимости от материально-технических условий, опыта и умения, конструкция может быть иной.

В первом случае (рис. 58) общая шина с разъемами укрепляется на фанерной панели, имеющей размер 600 X 360 мм. Панель закрывается плоским коробом из оргстекла. Размер короба 600 X 360 X 60 мм.

В левые верхние разъемы общей шины устанавливают модули микропроцессора и памяти. В левый нижний включают разъем кабеля модуля управления, а в правый нижний — разъем кабеля блока питания. Верхние правые разъемы служат для включения размножителя общей шины и дополнительных модулей при совершенствовании структуры микроЭВМ.

Цифры в кружках на рисунке 58 обозначают такие элементы конструкции микроЭВМ:

— фанерная панель;

— общая шина;

— разъемы, соединяющие общую шину с модулем управления;

— разъем блока питания;

— микропроцессорный модуль;

— модуль памяти;

— место для включения дополнительных модулей;

— кабель, соединяющий общую шину с модулем управления;

— кабель, соединяющий общую шину с блоком питания;

10— модуль управления.

Как показала практика работы с микроЭВМ, расположение модулей в одну линию и в одной плоскости оказывается очень удобным для монтажа, налаживания и выполнения учебной работы с микроЭВМ.

В целях дальнейшего усовершенствования микроЭВМ тумблерный модуль управления может быть заменен клавишным, допускающим ввод программы в шестнадцатиричном виде. Внешний вид клавишного пульта управления приведен на рис. 59.

Конструктивно клавиши пульта выполнены так, как об этом сказано выше. 4 верхних индикатора пульта указывают адрес, установленный на шине адреса, а 2 нижних сообщают данные, находящиеся на шине данных. Клавишный пульт собран в соответствии с рекомендациями, приведенными в [31]. При этом составлена и помещена в ПЗУ программа, позволяющая преобразовать функцию нажатой клавиши в команду, подаваемую в микропроцессор в виде машинного двоичного кода.

Помимо 16 клавиш (0—F), служащих для набора адреса или данных, пульт имеет 9 клавиш управления режимом работы микроЭВМ.

Модули микроЭВМ второго этапа сборки (рис. 60) располагаются в каркасе, выполненном из алюминиевого уголка X 15 мм. Размеры каркаса 380 X 250 X 80 мм. Каркас устанавливается в чемодан типа Дипломат. На рис. 60 внутри Дипломата справа виден блок питания микроЭВМ, а слева — рабочие модули. Верхний левый модуль — микропроцессорный, а верхний правый — расширенной памяти (динамическое ОЗУ на Кбайт, выполненное на микросхемах К565РУЗ). Ниже, под микропроцессорным модулем, расположен модуль сопряжения с телевизором, а правее его, под модулем памяти, находится модуль ОЗУ и ПЗУ монитора. Если модули сопряжения с телевизором, расширенной памяти и монитора вынуть из Дипломата и установить в разъемы микроЭВМ первого этапа сборки, а также заменить тумблерный пульт управления клавишным, то микроЭВМ первого этапа будет выполнять те же функции, что и микроЭВМ второго этапа, собранная в Дипломате.

В заключение укажем составные части микроЭВМ второго этапа сборки, обозначенные на рис. 60 цифрами в кружках:

— микроЭВМ, установленная в чемодане Дипломат;

— кабель, соединяющий микроЭВМ и клавиатуру;

— кабель, соединяющий микроЭВМ и телевизор;

— клавиатура;

— магнитофон;

— телевизор;

— кассета магнитофона.

При разработке схем и конструкций модулей микроЭВМ весьма полезно ознакомиться с такой литературой: