CLAUDIA Lite (v.1)

primitivní 4-bitový procesor/počítač sestavený z obvodů TTL 74xx




Finální provedení!

Jak jsem uvedl na začátku této série článků o výukovém 4-bitovém procesoru/počítači Claudia Lite, postupoval jsem opačně, než je u mě zvykem. Můj normální postup je takový, v momentě, kdy si chci něco postavit, tak si načmárám (nepublikovatelné) fragmenty zapojení a postavím víceméně z hlavy to na vrtané univerzálce. Jakmile to odladím a oživím, pohraju si a ztrácím jakoukoliv motivaci k vytvoření pořádné dokumentace, která by se dala publikovat. Dyť je to přece jednoduchý...:-) V tomto případě jsem ale postupoval opačně. Nejprve jsem zapojení navrhl, připravil (alespoň trochu) publikovatelnou dokumentaci a teprve pak se chystal ke stavbě prototypu. Jenže k té už nedošlo, protože se do věci vložil známý Eagle kouzelník EC1045, zapojení překreslil do Eaglu a rovnou navrhl desku.

Jak je u Petra zvykem, deska je parádní, v profikvalitě a velice kompaktní. Vše (tedy i operátorský panel) se vešlo na jednu desku s rozměry 160x180mm a Claudia Lite je tak velmi elegantní a kompaktní výukový 4-bitový jednodeskáč! Bohužel se to neobešlo bez chyb, které jdou na můj vrub, páč já dělal finální korekturu (taky kdo jiný, že). Na desce je pár chybek, které ale nebrání úspěšné stavbě Claudie Lite. Neobejde se to bez několika přeškrabů a drátěných propojek. Ale není to nic tragického. Nechal jsem vyrobit "opravné" destičky, které se pomocí oboustranných kolíků osadí na hlavní desku a vše se tak obejde bez přeškrabů a propojek. Deska také neobsahuje žádný napájecí zdroj, pouze ochranu proti přepólování napájení (antiparalelní křemíková dioda), ochranu proti nadproudu (trubičková pojistka) a filtrační kondenzátory. Pro napájení je nutné použít externí stabilizovaný zdroj 5V schopný dodat proud minimálně 1A (pro LS/ALS obvody) a raději více pro klasické TTL a TTL S obvody.

Na následujícím obrázku je moje první Claudia Lite, ještě bez opravných destiček. Tedy s propojkami. Prasáckými propojkami. Ale škrábat už osazenou desku fakt moc nešlo. Vpravo je Claudia Lite postavená Martinem Lukáškem již s opravnými destičkami.

Claudia Lite final
1. Claudia Lite (Nostalcomp)
Claudia Lite final
2. Claudia Lite (8bity.cz)

Poznámka: více fotografií naleznete ve fotogalerii Claudie Lite!

Jak jsem předpokládal, Petr upravil zapojení logiky skoku na obvod 7420 (4-vstupé NAND) namísto 7421 (4-vstupé AND). "Dvacítka" je prostě starší a klasičtější obvod:-) A udělal dobře, protože i moje zásoby 7420 několikanásobně převyšují zásoby 7421:-) S tím souvisí přesunutí invertoru. Vlastně nikoliv přesunutí, ale vypuštění. Stačilo totiž jen přesunout invertor u programového čítače PC (74193) a jeho záchytného registru 74175 a tak nám jeden invertor zbyl. Využili jsme ho jako budič LED hodinové fáze F1. Vše je jasné z překresleného schématu. V následujícím PDF naleznete jak původní schéma rev. 1.1, kterému odpovídá i vyrobená deska, tak opravené fragmenty zapojení sequenceru a generátoru signálu EOR.


Schéma revize 1.1


Také jsou na desce nově osazeny dva konektory MLW10 pro vstupní a výstupní port. Vstupy jsou připojeny k zadávacím datovým přepínačům a pro jejich využití tedy musí být přepínače v log. 1 (rozpojené). Ale díky tomu je možné Claudi Lite použít na řízení "externích procesů":-)



Chyby zapojení a desky rev. 1.1 a jejich náprava

A nyní k těm chybám. Na desce je špatný pinout všech použitých mačkacích tlačítek ZIPPY. Je to prostě úplně špatně a tlačítka se tak nedají jednoduše osadit přímo. Je nutné použít opravnou destičku, která ponese tlačítka (zde je již pinout správný) a ta se pak osadí do desky Claudie prostřednictvím oboustranných precizních DIP kolíků. Lze to i bez opravné destičky, ale jsou nutné přeškraby původních spojů a nové drátové propojky. U tlačítek, které fungují jen jako spínače (RESET, PCW, MW) to není velký problém. Stačí jeden přeškrab a jedna propojka. U tlačítek fungujících jako přepínače (STEP a +ADDR) to problém je. Je nutné přeškrábat všechny (6) spoje a správně natáhnout minimálně tři.

pinout ZIPPY tlačítek zespodu:

    NC  NO   C
    
    C   NO  NC

Ještě zásadnéjší je chyba propojení pomocného instrukčního registru IR* (74175) a hlavního IR (7474 a 74163) v sequenceru. Opět je co celé špatně. Velmi mě mrzí, že jsem si toho při korektuře nevšiml. Ve svém ručně kresleném schématu sequenceru to mám správně. Docela jsem si s tím při oživování užil, než jsem na to přišel. Zde je tabulka, jak se mají piny zapojit správně.

  74175 (IO1)    74163 (IO2)    7474 (IO10B)
    2 -------------> 4
    7 -------------> 5
   10 -------------> 6
   15 -------------------------> 12
                     3 --> GND

Opět je nejlepším řešením použít opravnou destičku, která ponese 74175 a 74163 (7474 může zůstat na místě) a tuto desku přes oboustranné DIP kolíky osadit na desku Claudie Lite. Další možností jsou přeškraby na desce a drátové propojky. Je ale nutné to udělat ještě před veškerým osazováním. Třetí možností je odehnout dotčené piny integráčů a propojit je přímo, jak vidíte na fotce mého prvního osazeného kusu. Je to prasárna, ale obvody jsou v paticích a později to nahradím opravnou destičkou.

Claudia Lite final
Prasácké propojky IO (Nostalcomp)
Claudia Lite final
Opravná deska pro IO (8bity.cz)

Poznámka: více fotografií naleznete ve fotogalerii Claudie Lite!

Třetí chybou je absence keramického kondenzátoru 1nF (nově C42) na vstupu resetovacího RS obvodu. Do svého schématu v kapitole o generátoru hodin jsem ho zpětně dokreslil červeně. Kondenzátor je nutné na desku přidat dodatečně mezi pin 3 IO11 (nebo pin 1 IO14) a GND. Tento kondík má za úkol likvidovat úzký parazitní impuls /EOR, viz popis v kapitole generátoru hodin. Kondenzátor jsem dodatečně přidal zespodu desky.

Ne úplně chyba, ale spíš nedomyšlenost, je připojení kontrolní LEDky resetu na nevyužitý výstup resetovacího RS klopného obvodu, viz. generátor hodin. Při stisknutém tlačítku totiž LEDka problikává s příchodem signálu /EOR. Nicméně je to jen kosmetická vada, protože vlastní resetovací výstupy RS klopáku jsou trvale aktivní a nijak "neproblikávají". Je to dáno tím, že budeme-li držet RESET tlačítko stále stisknuté, tak v okamžiku aktivity signálu /EOR se nastaví oba výstupy RS obvodu na log.1. Lepší by tedy bylo přepojit LEDku na výstup jednoho z invertorů (signál /RESET1 nebo /RESET2). Ale opravdu se jedná jen o kosmetickou vadu kontrolky. Vlastní resetování a odresetování interních obvodů procesoru probíhá naprosto korektně. V opravené verzi zapojení bude LED přepojena z pinu 3 IO14 na pin 8 IO12. Ve své Claudii jsem to neřešil a LEDku ponechal kde je. Problikávání mi nevadí. Opravdu je to jen kosmetická vada.

Hodnoty časovacích kondenzátorů C1 a C2 v generátoru hodin se možná pro někoho budou zdát příliš vysoké a hodiny prostě pomalé. Mě to vyhovuje, ale asi bych taky snesl použití C1 330uF (namísto 470uF) a C2 33uF (namísto 47uF). Nicméně i s předepsanými hodnotami je to OK. Režim SLOW je beztak vhodný jen při oživování a testování.

Neoznačené pullup odpory R52 - R55 na sběrnici jsem dával 47K. Lze použít asi cokoliv v rozmezí 22K-56K. A chodit to bude i bez nich:-)

A ještě kosmetické chybky v popiskách desky, jen pro upřesnění:
Chyba popisku tlačítka +ADR. Správně by mělo být +ADDR (address)
Chyba popisku tlačítka PSW. Správně má bý PCW (Program Counter Write)
Chyba názvu celého výtvoru CLAUDIE. Správně má být CLAUDIA :-))

Na opravných destičkách tlačítek jsou popisky již správně.



Chcete desku?

Jakmile budu mít k dispozici dostatek opravných destiček (dělaly se jen prototypy), objeví se deska na Claudii Lite v nabídce. Vlastních desek mám více, ale čekám na ty opravné, protože to budu posílat současně. Mohu nabídnout i naprogramování (vámi dodané) PROM 74188.

V níže uvedeném ZIP je seznam všech klíčových součástek (vč. některých odkazů do eshopů) a osazení desky rev. 1.1 i opravných destiček pro stavbu Claudie Lite. Pro jistotu je přiložen i binární soubor pro PROM 74188. Patice pro integráče vřele doporučuji precizní. Něco se totiž ještě chystá a s precizními paticemi to zkrátka půjde lépe:-)


Seznam součástek + osazovák


Do desky rev. 1.1 neosazujte integrované obvody 74175 (IO1) a 74163 (IO2) a tlačítkové spínače ZIPPY (TL1 až TL5)!! Tyto součástky osaďte na opravné destičky a celek teprve pomocí precizních oboustranných DIP kolíků osaďte do základní desky! Použijte opravdu precizní oboustranné kolíky! Klasické jumperové kolíky jsou moc silné a do desek je nemusíte narvat. Vždy osaďte nejprve oboustranné kolíky zespodu a teprve potom součástky shora. Kolíky musí být jednořadé, nepoužívejte dvouřadé s rozměry patic! Už byste pak nezapájeli skutečné patice shora desky! Kompletně osazené opravné desky pak připájejte do základní desky. Tlačítka RESET a STEP jsou sice na jedné destičce, ale vzdálenosti tlačítek od sebe jsou jiné, než tlačítka na desce. Musí se tím pádem ručně rozříznout a použít samostatně (viz. foto). Jsou to prostě počáteční chybky. Dělalo se to před Vánoci a dost se spěchalo... V novějších várkách opravných desek by ale toto mělo být opraveno. Pokud se někdy udělá nová základní deska, nebudou opravné destičky už potřeba. Ale to je ve hvězdách:-)



Poznámky k osazení a oživení Claudia Lite

Postup osazení desky je snad zřejmý. Začíná se od součástek s nejnižší výškou (odpory, křemíková dioda na vstupu napájení). Pokud nepoužijete opravné desky, je ale nutné začít přeškraby špatných spojů a natahání nových propojek! Následně je vhodné osadit patice na integrované obvody. Dále pokračovat "vyššími" součástkami, jako jsou kondenzátory, LED, spínací prvky, konektory, svorkovnice... Vstupní filtrační kondenzátor lze osadit jak v axiálním, tak radiálním provedení. Jelikož nemám rád neosazené pozice na deskách, osadil jsem oba:-) Pak pochopitelně osazenou desku pečlivě zkontrolujte (nejlépe lupou) a šlusmetrem proměřte podezřelá místa na výskyt nežádoucích cínových můstků, studených spojů apod. Ještě než osadíte integráče do patic, zkontrolujte rozvody napájení zdali není někde zkrat a zdali jsou napájecí výstupy v paticích tam, kde mají být:-) Nejprve jen šlusmetrem, pak připojte stabilizovaný zdroj 5V a měřte voltmetrem.

Nyní můžete začít osazovat integrované obvody do patic. Pokud "likvidujete" staré zásoby TTL integráčů, kontrolujte zdali nemají přiliš zoxidované piny. Pokud ano, je nutné je očistit, třeba jemným šmirglem, či (lépe) netkanou brusnou textilií. Před vsazením obvodu do patice zkontrolujte, zdali má patice své piny také v pořádku. Občas bývají problémy s některými levnými precizními paticemi (pin integráče v dutině plandá a nemá kontakt s paticí). Pozor na zohýbané piny integráčů a na na vypájené integráče s cínem na pinech! Kontrolujte, zda všechny piny správně "zajedou" do patice. Jelikož je funkčnost desky (až na výše zmiňované chybky) již ověřena, můžete integráče "naflákat" z jedné vody na čisto:-) Tedy v případě, že jste si jisti jejich funkčností. Pokud stavíte na univerzále, nepájivém poli, nebo si nejste jistí funkčností daného integrovaného obvodu, je nutné obvody osazovat postupně a ihned testovat funkčnost daného celku v pořadí, jak byly jednotlivé funkční bloky Claudie Lite popsány.

Ideální je neosazovat hnedka řídící PROM 74188, ale namísto ní dát třeba DIP spínače (spínají k nule a pullupy nepotřebujeme jsou na desce již osazeny). Buď je mít na nepájivém poli, nebo třeba v podobě přípravku, jaký používám já:

Claudia Lite final
Přípravek s DIP spínači
Claudia Lite final
Přípravek během oživování

Pak se vždy nacvaká jedna "mikroinstrukce" nějakého přesunu dat (třeba /INA + LA) a ta se nechá opakovaně provádět v režimu SLOW, nebo v režimu ručního krokování STEP. Lze tak snadno kontrolovat probíhající přesun dat mezi různými částmi procesoru. Na kontrolu většiny funkčních celků vystačíme s vestavěnými LED. A signály bez kontrolek zkontrolujeme nejlépe prachobyčejnou logickou sondou, případně prachobyčejným multimetrem. Claudia Lite je statický procesor, takže lze hodiny zastavit a měřit a kontrolovat dle libosti. Při takovémto postupném oživování a testování se toho člověk o činnosti procesoru Claudia Lite dozví absolutně nejvíc...

Ideální je mít obvody (ale i odpory, kondenzátory, LED...) předem otestované. K tomu se výborně hodí i můj IC Tester. Já například odhalil vadný Tesla 74ALS86 a přitom to byl fungláč ještě s panensky roztaženejma nohama:-)

Již během osazování je vhodné kontrolovat spotřebu Claudie a napájecí napětí, nedochází-li k jeho poklesu. Obvody TTL vyžadují napájecí napětí v rozmezí 4,75 - 5,25V. Každopádně je nutné toto zkontrolovat (ideálně na všech IO) po celkovém osazení! Já měl trápení s tou trubičkovou pojistkou. Jak jsem později zjistil, měla odpor 4 ohmy! Jak jsem přidával další obvody, rostla spotřeba a tím i úbytek napětí na pojistce až jsem se dostal na nějakých 3,4V na integráčích... Po výměně pojistky bylo již vše OK. Spotřeba mé chodící (blikající) Claudie Lite je těsně pod 0,5A. Jas LEDek je s navrženými odpory OK. Až na 5 obvodů (7489, 74188, 74193 a 2x 74S138) mám všechny v provedení LS/ALS.

Máte-li hotovou Claudii Lite, ať už v jakékoliv formě (unidesky, nepájivé pole, originální deska), můžete vyzkoušet následující ukázkové prográmky. A až vás to omrzí, můžete "Klaudinku" přestavět na verzi 2 :-)

Programy

Verze 2


RET



Odladěno na MS IE 8.0 a Firefoxu při rozlišení min. 1024 x 768 pixelů
www.NOSTALCOMP.cz    2010  -  2019