CLAUDIA-1, ClAUDIA Lite

- amatérské 4-bitové procesory sestavené z obvodů TTL 74xx



TTL 74xx CPU - jak to začalo

Opravdu netuším, co stálo za tím, že mě vždy zajímaly více samotné procesory, než hotové počítače. Prostě netuším. Ale vím, co mě přivedlo na myšlenku si takový procesor vlastnoručně sestavit z běžných TTL obvodů. Důvody byly dva. Jednak to byla skutečnost, že se v inkriminované době (polovina 80. let) běžně v literatuře vyskytovala bloková schémata různých mikroprocesorů. V té době byl ještě trh s procesory tak nějak rozmanitější. Dnes jsou jich sice taky mraky ale v podstatě vycházejí jen ze dvou různých základů, které položily firmy Intel a Motorola. Vím, že si o tomto tvrzení mnozí myslí své. Myslet můžou. To je taky to jediné, co s tím na těchto stránkách mohou dělat... Tehdy se ale jednalo o mnoho typů procesorů opravdu odlišných filosofií a každý výrobce se snažil protlačit právě tu svou. Proto nešetřil s informacemi o struktuře svého procesoru a nestyděl se jít do detailů (což dnes při jejich složitosti ani nejde). Druhým důvodem byly následující konstrukce, na které jsem narazil v časopise VTM (Věda a Technika Mládeži):


Computer kufr
Computer kufr
PIP-2
PIP-2

Computer kufr - práce žáka sedmé třídy základní devítileté školy Jiřího M. (redakce má celé jméno k dispozici:-)). Vyučovací pomůcka vysvětluje binární početní soustavu a základní funkci samočinných počítačů, včetně adresování a uložení dat v paměti.

Čtyřbitový výukový programovatelný procesor PIP-2, sloužící jako učební pomůcka pro výuku organizace mikroprocesorových systémů s možností programování 6 instrukcemi. Práce studenta 3. ročníku gymnázia, Jana M. (redakce má celé jméno k dispozici:-)).

To vše ještě umocnil seriál článků "Polovodičové paměti", který v té době ve VTM vycházel a ze kterého jsem pochopil princip práce obvodových a mikroprogramových řadičů, jakožto základních obvodů řídících systémů ale i procesorů. Ten seriál byl (a dosud je) naprosto úžasný. Možná jej někdy naskenuji.

Později to byl ještě následující obrázek z obálky zelené konstrukční přílohy Amára z roku 1988. Ale to už byly práce na mém procíku v plném proudu:-) Popis k obrázku zněl: Výukový model 4-bitového instrukčního procesoru vystavovala na výstavě ERA 1987 J. Časalová (redakce nezná celé jméno:-)) z Pedagogické fakulty v Plzni. Ta Plzeň se ale nezdá. Od procesorů k právníkům... :-)

4-bitový CPU
4-bitový CPU

Tím bylo rozhodnuto, že jeden malý školák se pustil do návrhu svého vlastního procesoru. Na rozdíl od výše uvedených výukových prostředků ale chtěl, aby jeho procesor byl plnohodnotný procesor pro následnou stavbu počítače. Tedy žádný demo procesor s vlastním způsobem programování. Prostě náhrada klasického mikroprocesoru:-) Ten školák vůbec netušil, že popis a zapojení PIPa-2 bylo zveřejněno již několik let předtím v modrém amáru z roku 1980. Rodiče mu předplatili amáro až v roce 1985 a z předchozích let měl jen pár čísel. A to bylo jedině dobře. Nenechal se ovlivnit a šel svou cestou. Na PIPa narazil, až když si jako zralý muž pořídil DVD se všemi amáry:-)) Ale opět ho nestudoval. Už nebyl důvod:-)


Kancelář pana Procesora

Záhadou ovšem zůstává, kde jsem přišel k obrázku "Kancelář pana Procesora". Ten obrázek je totiž ve stejném čísle, jako byl popsán PIP. Já ten obrázek měl i s popisem, ale tuším to byl jen tehdejší cyklostyl (pro neznalé: něco jako později xerox a dnes prostě kopie z kopírky:-))) Kancelář pana procesora a výukový text (tuším od pana Smutného) patří k milníkům mého chápání principů procesoru. To se prostě nedá popsat. To se musí jen a pouze zažít. A musí vám přitom být něco kolem 10-12 let:-) Pak se nikdo nemůže divit, že můj nejoblíbenější procesor je 8080. Na dveřích kanceláře pana Procesora totiž určitě visí označení 8080:-)) Když totiž naráz vytáhnete šuplíky H a L...

kancelář pana Procesora
kancelář pana Procesora (AR B 3/1980)

Nicméně jsem tedy navrhoval procesor vlastní. Jenže pak přišly školy, práce... Po mnoha letech, jsem ty návrhy začal opět studovat a byl jsem velmi překvapen. V podstatě jsem to měl navržené všechno! Vylámal jsem si tehdy zuby na časování. Nevím proč, ale stále jsem se to pokoušel časovat z jedné fáze a vymýšlel hovadiny. Poté, co jsem technicky vyspěl a poznal výhody dvoufázových hodin, procesor vykrystalizoval, jak miliony páně Grosse... Tedy ještě dalších maličkostí bylo třeba upraviti. V tom raném věku jsem se potýkal s absencí třístavových TTL obvodů a vázal jsem sběrnice přes otevřené kolektory. Tím narůstala složitost. Také jsem měl k dispozici pouze katalog polovodičů Tesla z roku 1983 (takovej ten fialovej se zeleným pruhem:-)) a tam nebyl sortiment zrovna nejširší. Proto rapidně narůstala složitost a zřejmě jsem tenkrát stejně neměl šanci to úspěšně postavit. Ale jeden obvod v tom katalogu byl a mě fascinoval natolik, že jsem ho ve svém procesoru prostě musel mít stůj co stůj: aritmeticko-logická jednotka 74181. A protože v té době byly z diskrétních obvodů protěžované a jakžtakž dostupné jen integráče řady 74xx bylo jasné, že to bude TTL 74xx procesor. Až později se ukázalo že to, co bylo tehdy nutností, je dnes frajeřina:-)

Když jsem se po letech k návrhu vrátil a začal nahrazovat složité celky z několika integrovaných obvodů třeba jen jediným obvodem, ukázalo se, že by se to fakt postavit dalo. A tak jsem návrh dokončil a zároveň mírně vylepšil (registr návratové adresy pro skoky do podprogramů). K velkému překvapení jsem měl prakticky hotový i instrukční soubor a stačilo jej pouze mírně optimalizovat, abych si uvolnil místo pro CALL a RET instrukce. Takže jsem se do té stavby nakonec pustil:-)


Od logických obvodů k mikroprocesorům

Ještě si neodpustím malou poznámku ke knize, kterou určitě znáte: Od logických obvodů k mikroprocesorům. Tato kniha s blankytně modrým přebalem a vzrušujícím názvem pro mě byla jako magnet. Chodil jsem si v ní listovat do knihkupectví a kul pikle, jak rodiče přesvědčit, že ji NUTNĚ potřebuji. Jenže ouha! Ani po několika seancích v knihkupectví jsem ji nepochopil. Byla na mě moc složitá a neshledal jsem ji sobě prospěšnou. Byl jsem malej kluk a měl jsem na ni čas. Až dospěju a budu velkej kluk, tak si ji určitě koupím, říkal jsem si. A tak jsem pikle přestal kout. Jak běžela léta na knihu jsem párkrát narazil. Ve výprodejích, v antikvariátech, u známých... Vždy jsem se na ni dychtivě vrhl, abych si ověřil jestli už jsem velkej kluk. Jestli ji porozumím a jestli je pro mě užitečná. Stále jsem ale nebyl velkej kluk... Pak se naše dráhy opět zkřížily a já, skálopevně přesvědčen, že na prahu čtyřicítky už nelze jinak, jsem knihu rovnou koupil. A založil do police. Vzpomněl jsem si na ni v době, kdy jsem ukončil teoretický návrh svého TTL procesoru a pustil se do stavby. Knihu jsem tedy vzal a začal listovat. Třeba jsem při návrhu svého TTL procesoru něco opomněl. Kniha mi poradí... Asi po půl hodině jsem ji s vítězoslavným úsměvem na rtech zavřel a odložil. Naposledy a definitivně. Nejsem velkej kluk. A už nikdy nebudu. Je krásné být stále mladý:-)) Poznámka pro rýpaly: vím co jsou mapy pana Karnaghua a svého času jsem je i používal, stejně jako další podobné záležitosti:-)


TTL knihy
TTL knihy

Později jsem sehnal na Aukru jinou knihu o TTL obvodech a to je jiné kafe - TTL Logic Data Book. V podstatě se jedná o souhrn všech datasheetů TTL obvodů Texas Instruments. Sice jsou asi všechny k nalezení na netu, ale já raději papírovou formu. Taky co jiného do dílny, že? A takhle pohromadě údaje o obvodech 740074699 v různých provedeních (klasika/S/LS či 54/74), to je fakt paráda. Stránky sice číslované nejsou, ale tloušťka té bichle je skoro 6 cm!


CLAUDIA-1 a CLAUDIA Lite

Ale vraťme se k mému TTL procesoru. Nakonec jsem tedy svůj vlastní TTL procesor navrhl a postavil. A jelikož se samotný procesor sám o sobě provozovat nedá, udělal jsem celý 4-bitový počítač s pamětmi, vstupními a výstupními obvody a jednoduchým operačním systémem. Pojmenoval jsem ho CLAUDIA-1:

finální CLAUDIA-1
CLAUDIA-1
finální CLAUDIA-1
CLAUDIA-1

Proč právě Claudia, je vysvětleno hned v úvodu stránky o Claudii-1. Jenže jak už to chodí, nikdy jsem se nedostal k tomu, abych ho pořádně zdokumentoval. Prostě mě uspokojilo, že to "chodí" a to tak, že dobře a to mi stačilo. Ovšem stále jsem to vnímal jako jakýsi dluh veřejnosti. Navíc mi po pár letech začal v hlavě vrtat ten PIP-2. Začal jsem studovat jeho zapojení a dospěl k závěru, že bych si to měl zkusit postavit. Po prostudování PIPa-2 jsem usoudil, že je tu velký prostor ke snížení obvodové složitosti a zároveň k vylepšení jeho funkcionality. On toho ten původní PIP-2 fakt moc neumí. Je to takovej hloupoučkej sekvenční automat. A tak se zrodila myšlenka na Claudii Lite. Odlehčenou verzi Claudie-1, která sice vychází z PIPa-2, ale bude do značné míry reflektovat zkušenosti nabyté při návrhu a stavbě Claudie-1. Dal jsem si ovšem podmínku. Nejprve připravit pořádnou dokumentaci tak, aby se dala rovnou vystavit na web. A teprve pak začít stavět. Jinak by na zdokumentování zase nedošlo. A tak vznikla tato série stránek, kde je - pokud možno detailně - popsáno zapojení a funkcionalita TTL procesoru/počítače Claudia Lite tak, aby si ji mohl postavit každý.

finální CLAUDIA Lite
CLAUDIA Lite
finální CLAUDIA Lite
CLAUDIA Lite

Než se ovšem pustíme do popisu Claudie Lite, je nutné přiblížit původní zapojení TTL procesoru PIP-2.


PIP-2 versus Claudia Lite





Update

Knihu Od logických obvodů k mikroprocesorům jsem nakonec vzal na milost. Sice jsem se z ní nedozvěděl nic nového, je bohapustě teoretická a hrozně "suchá", ale zas tak špatná, jak jsem si myslel, asi není...

V době, kdy jsem vystavil hotovou Claudii-1 jsem pak dostal ještě obrázek tohoto TTL procesoru PIP-3C s následujícím popisem: "Je to v podstatě PIP-2 s nějakým rozšířením kolem výstupu a bylo také možné tam použím nějakou ROM pro vlastní program. Tenkrát jsem s tím pro kamárada ovládal i světelné efekty na diskotéce, ale to už je opravdu hodně dávno, ale byla tam asi ještě jedna osazená univerzální deska, která už tam chybí."

PIP-3C
PIP 3C


PIP-2 versus Claudia Lite


RET



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