Ndërtoni një kompjuter W/ Kuptimi bazë i elektronikës: 9 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

A keni dashur ndonjëherë të pretendoni se jeni vërtet i zgjuar dhe të krijoni kompjuterin tuaj nga e para? A nuk dini asgjë për atë që duhet për të bërë një kompjuter minimal? Epo, është e lehtë nëse dini mjaftueshëm për elektronikën për të bashkuar disa IC së bashku. Ky udhëzues do të supozojë se jeni të mirë në atë pjesë, plus disa gjëra të tjera. Dhe nëse jo, prapëseprapë nuk duhet të jetë shumë e vështirë të ndiqni nëse e dini se si bëhet bërja e bukës/prototipizimi. Qëllimi i këtij udhëzimi është t'ju japë një "kompjuter" pune pa ditur shumë për mënyrën se si funksionojnë. Unë do të mbuloj instalimet elektrike dhe bazat e programimit, si dhe do të ofroj një program shumë të shkurtër për ju. Pra, le të fillojmë.

Hapi 1: Pjesë dhe gjëra

Një "kompjuter" kërkon: energji, hyrje, përpunim, memorie dhe dalje. Teknikisht ne do t'i kemi të gjitha këto gjëra. Unë do t'i mbuloj këto gjëra në atë mënyrë.

Për energji, do t'ju duhet një burim 5 volt (i etiketuar këtu si 5V). Rekomandohet të jetë një burim i rregulluar në mënyrë që të mos skuqni aksidentalisht pjesë në qarkun tuaj. Hyrja jonë do të jetë butona. Përpunimi është vetë-shpjegues; ne përdorim një procesor. Kujtesa do të përbëhet vetëm nga ROM. Regjistrat e brendshëm të përgjithshëm të procesorit do të jenë të mjaftueshëm për t'u përdorur si RAM. Dalja do të jetë LED.

1 LM7805C - Rregullator 5V

1 ZYLOG Z80 - Procesor

1 AT28C64B - EEPROM

1 74LS273 - Oktal D Flip -Flop

1 74HC374E - Oktal D Flip -Flop

3 CD4001BE - Porta Quad NOR

1 NE555 - Gjenerator i orës

2 Rezistencë 1K Ohm

1 Rezistencë 10K Ohm

1 Rrjeti i Rezistencës 10K Ohm; 8 Bussed OR 8 Rezistenca shtesë 10K

1 1uF Kondensator

1 Kondensator 100uF

1 buton shtyse

1 Matricë e Butonit 3x4 OSE 8 Butona Shtypës shtesë

8 LED - Zgjedhja e ngjyrave nuk ka rëndësi

8 Rezistencat 330 Ohm ose Rrjeti i Rezistencës

1 Breadboard vërtet i madh ose shumë të vegjël

Shumë dhe shumë tela

Në skemën time kam një shkop SRAM të instaluar. Ju nuk keni nevojë as të shqetësoheni për këtë. Unë vetëm e shtova atë në skemë për të pasqyruar me saktësi qarkun tim aktual dhe e shtova në qark për përdorim në të ardhmen. Gjithashtu në skemë shtohet një portë kuadratike OR (74LS36). Dy hyrjet e dy portave të papërdorura janë të lidhura me QKV -në dhe daljet e tyre lihen lundruese (jo të vizatuara). Gjithashtu nuk janë tërhequr dhe listuar më sipër nuk janë dy kondensatorë në qarkun e energjisë.

Unë jam duke ushqyer 12V të rregulluar në rregullatorin 5V për të ushqyer të gjithë tabelën e bukës. Bëhet mjaft e ngrohtë, kështu që bashkova një lavaman për ta ftohur. Nëse përdorni më pak se 12V për të ushqyer rregullatorin (përdorni të paktën 7V), ai duhet të funksionojë më i ftohtë.

Z80 është vendi ku ndodh magjia. Merr udhëzime të ruajtura në ROM dhe i ekzekuton ato. EEPROM ruan programin tonë që procesori të ekzekutohet.

Flip-flop oktal që është pajisja jonë dalëse që lidh të dhënat në autobusin e të dhënave në daljen e vet. Kjo na lejon të ndryshojmë atë që ndodhet në autobus, i cili është një hap shumë i rëndësishëm i bërë shumë herë sipas udhëzimit, pa ndryshuar atë që shikon përdoruesi/shikuesi. Flip-flop nuk mund të drejtojë rrymën e kërkuar për të ndezur LED-të e daljes, kështu që ato ushqehen në dy nga çipat e portës quad NOR të cilat veprojnë për të ruajtur tetë linjat e të dhënave për të drejtuar LED-të. Meqenëse dalja e tyre e portave është e përmbysur, ne gjithashtu duhet të lidhim LED -et që të përmbysen, por ne do të arrijmë në këtë kur të arrijmë në atë. Çipi tjetër NOR përdoret për deshifrim logjik, por përdoren vetëm tre porta.

Flip-flopi oktal i përdorur për hyrje është në thelb e njëjta gjë. Flip-flop-et dalës mbajnë prodhimin e tyre ose të lartë ose të ulët kështu që nuk mund të përdoret për të drejtuar autobusin; do të mbante të dhëna në autobus. Flip-flop i përdorur për hyrje zëvendëson pinin /RESET me /EN, i cili pak a shumë shkëput daljet e çipit (dhe nga) kështu që nuk do të mbajë të dhëna (dalje me tri gjendje).

Hapi 2: Instalimi i qarqeve të energjisë, orës dhe rivendosjes

SH NOTNIM: Për të gjitha pjesët, lidhni së pari shinat e energjisë. Nga të gjitha gjërat për të harruar të lidhni, çipat do të kenë shumë më pak gjasa të mbijetojnë në lidhjet e harruara të energjisë.

Qarku i energjisë është qarku më i thjeshtë për tel, i ndjekur nga qarqet e rivendosjes dhe orës, përkatësisht. Në foto, hyrja 12V është në shiritin e energjisë në të djathtë. Teli kafe, i fshehur një të verdhë nën të, ushqen 12V me rregullatorin. Prodhimi i rregullatorit ushqen çdo rrip elektrik tjetër në panelin e bukës dhe çdo rrip elektrik ndan një bazë të përbashkët, sepse kështu funksionon elektronika.

Procesori kërkon një qark orësh për të funksionuar. Pa të, ai thjesht do të ulet atje në gjendjen e tij të inicializuar dhe nuk do të bëjë asgjë. Ora operon regjistrat e brendshëm të ndërrimit të procesorëve në mënyrë që të mund të gjenerojë sinjale për të bërë gjëra. Çdo hyrje e orës do të bëjë, madje edhe një rezistencë të thjeshtë dhe butonin shtytës. Por duhen shumë cikle të orës për të ekzekutuar udhëzimet. Udhëzimi për të shkruar në dalje merr 12 cikle në vetvete. Ju ndoshta nuk doni të uleni atje dhe të shtypni një buton 100+ herë për të marrë vetëm një lak të kodit (numrat aktualë janë në fund të udhëzueshëm). Për këtë është NE555. Ai bën ndërrimin për ju dhe e bën këtë me një shpejtësi (relativisht) të shpejtë.

Para se të filloni të instaloni tela ndonjë gjë, mund të dëshironi të shkoni përpara dhe të kuptoni se si dëshironi që përbërësit tuaj të vendosen në tabelë. Qarku im i orës është disi i vendosur në fund të tabelës, kështu që do të ishte jashtë rrugës së përbërësve të tjerë. Ne do të supozojmë se ju e dini se si të bëni një orë bazë me kohëmatësin. Nëse nuk e bëni këtë, do të dëshironi të shikoni "555 Astable" dhe të ndiqni një udhëzues. Përdorni rezistencën 1K për të kaluar midis hekurudhës 5V dhe kunjit 7 të kohëmatësit (R1) dhe 10K midis kunjit 7 dhe pin 2 (R2). Sigurohuni që ta lidhni kunjin e rivendosjes, kunjin 4, në shinën 5V në mënyrë që kohëmatësi të funksionojë. Vendosa një LED në daljen time, në mënyrë që të verifikoja që ora funksionoi, por nuk është e nevojshme.

Një opsion tjetër me NE555 është ta vendosni atë si një portë NOT dhe të përdorni një rezistencë 1K për të lidhur daljen përsëri me hyrjen. Zakonisht rekomandohet të përdorni 3 kohëmatës për ta bërë këtë, por zbulova se vetëm 1 duhet të funksionojë mirë. Thjesht dijeni se nëse e bëni këtë, do të lëkundet me një shpejtësi shumë të madhe dhe do të jetë shumë e vështirë, madje e pamundur, të thuhet se LED -et e daljes po ndizen. Ky konfigurim quhet "oshilator unazor".

Vini re se ne nuk po e lidhim akoma orën me procesorin. Ne thjesht po e bëjmë gati. Gjithashtu vini re çipin logjik pikërisht mbi orën në figurë. U shtua më vonë dhe ky ishte i vetmi vend gjysmë i arsyeshëm i mbetur për ta vendosur atë. Përdoret për zgjedhjen e RAM/ROM. Ky udhëzues injoron RAM -in, kështu që nuk do ta keni këtë çip në bordin tuaj.

Tani lidhim qarkun e rivendosjes. Së pari ju duhet të gjeni një vend në bordin tuaj për të. Zgjodha pranë orës. Shtoni butonin tuaj në tabelë. Përdorni një rezistencë 1K për të lidhur njërën anë të butonit në shinën 5V. Kunjat tona RESET janë aktive në nivele të ulëta, që do të thotë se ne duhet t'i mbajmë ato lart. Për këtë është rezistenca. Ky kryqëzim është gjithashtu vendi ku lidhen kunjat e rivendosjes. Ana tjetër e butonit shkon drejt në tokë. Nëse dëshironi rivendosje të energjisë, shtoni edhe kondensatorin 10uF në këtë kryqëzim. Do të mbajë tensionin në kunjat e rivendosjes mjaft të ulët për të aktivizuar qarkun e rivendosjes brenda procesorit dhe rrokullisjes.

Hapi 3: Instalimi i telave Z80

Tani arrijmë te grimca e zymtë. Ne do të lidhim bishën që është Z80. Në tabelën time, e vendosa Z80 në krye në të njëjtën pjesë të bordit me qarkun e rivendosjes. Siç u tha më parë, së pari lidhni shinat e energjisë. 5V shkon në pin 11 në të majtë dhe toka është një pin poshtë, por në të djathtë. Ju gjithashtu mund të keni vënë re gjerësinë e çuditshme të çipit. Do të bëjë që të keni 3 lidhje të hapura në njërën anë në pjatën e bukës dhe 2 në anën tjetër. Vetëm e bën më pak të përshtatshëm lidhjen e sendeve shtesë nëse vendosni ta bëni këtë.

Numrat e mëposhtëm të pin-supozoj se ju e dini se si të numëroni kunjat në një IC-janë hyrje të papërdorura dhe duhet të lidhen me hekurudhën 5V: 16, 17, 24, 25.

E mbani mend orën tonë? Dalja e tij shkon në pin 6 në z80. Qarku i rivendosjes lidhet me pin 26. Pa pasur komponentët e tjerë në tabelë, kjo është aq sa mund t'ju marr me instalimet elektrike të vetë z80. Më shumë instalime elektrike në të do të bëhen në hapat e mëvonshëm.

Meqenëse kisha ndërtuar qarkun para se të mendoja të shkruaja këtë udhëzues, do të qëndroj në foto deri në hapin tjetër.

Hapi 4: Instalimi i ROM -it

SHENIM: Ju mund të dëshironi të përmbaheni duke e vendosur atë në tabelë nëse ende ka nevojë për programim (më shumë për këtë më vonë).

Për ROM -in, e vendosa pranë Z80 në të djathtë dhe gjithashtu e zhvendosa një kunj poshtë në dërrasën e bukës. Kjo më lejoi të lidhesha drejtpërdrejt me autobusin e adresave, por më shumë për këtë më vonë. AT28C64B është një EEPROM, që do të thotë se mund të programohet shumë herë duke fikur dhe ndezur disa kunja. Ne nuk duam që EEPROM -i ynë të riprogramohet aksidentalisht kur është në qark. Pra, pasi të keni lidhur shinat e energjisë, lidhni kunjin 27 (/WE) në hekurudhën 5V për të çaktivizuar plotësisht funksionin e shkrimit.

Programi im është aq i vogël, më duheshin vetëm 5 linjat e poshtme të adresave (A0-A4) të lidhura, por gjithsesi i lidhja A5, A6 dhe A7 kështu që mund të shkruaj programe më të mëdha pa punë shtesë. Linjat shtesë të adresave (A8-A12) lidhen drejtpërdrejt me tokën për të parandaluar hyrjen e padëshiruar në adresat më të larta nga hyrjet lundruese. Me hyrjet e adresave të papërdorura të lidhura në tokë dhe kontrollin e shkrimit të lidhur me 5V, lidhja e pjesëve të tjera është mjaft e drejtpërdrejtë. Gjeni A0 në procesor dhe lidheni atë me A0 në ROM. Pastaj gjeni A1 në procesor dhe lidheni atë me A1 në ROM. Bëni këtë derisa të lidhni të gjitha adresat së bashku. Në figurë, autobusi im i adresës në ROM është bërë me tela blu. Autobusi i adresave që shkon në RAM bëhet me tela të kuq. Këto tela ishin të gjitha të prera paraprakisht dhe të zhveshura pasi ato vinin në një çantë instalimesh të bordit të bukës dhe ishin perfekte për këtë instalime elektrike.

Pasi t'i merrni adresat me tela (kjo quhet autobusi i adresave), bëni të njëjtën gjë për kunjat e etiketuar D0, pastaj D1, D2, etj. Bëni këtë për të gjitha kunjat e të dhënave (D0 - D7) dhe keni autobusi i të dhënave me tel. Ne pothuajse kemi përfunduar instalimin e ROM -it. Gjeni pinin e ROM -it /CE (aktivizimi i çipit) dhe lidheni atë me pinin e procesorëve 19, /MREQ (kërkesë për memorje) dhe më pas gjeni ROM's /OE (aktivizimi i daljes) dhe lidheni me pinin e procesorit 21, /RD (lexo). Tani kemi mbaruar. Të gjitha këto bëhen me tela kërcyes sepse ato duhet të shkojnë në anën tjetër të procesorit dhe një dërrasë buke nuk ofron hapësirë të mjaftueshme për të përdorur instalime elektrike të pastra si kjo.

Hapi 5: Instalimi i prodhimit të prodhimit

Për shkak se nuk ishte e populluar, unë zgjodha pjesën e bordit në të majtë të Z80 për daljen. Vendoseni flip-flop-in atje dhe lidhini ato binarët e energjisë. Pin 1, /MR (rivendosja) mund të lidhet drejtpërdrejt me kunjin e rivendosjes së procesorit, por mund ta lini të lidhur me shinën 5V. Bërja e kësaj do të bëjë që ai të shfaqë të dhëna junk deri në shkrimin e parë. Vini re se si çipi ka një hyrje të orës në kunjin 11. Ky hyrje është i çuditshëm në atë që aktivizohet kur kunja shkon lart. Gjithashtu vini re se kjo pin NUK është e njëjta orë që drejton procesorin. Kjo orë bllokon të dhënat e pohuara në autobusin e të dhënave.

Mos harroni se si e lidhëm D0 - D7 në ROM me të njëjtat kunja në procesor? Bëni të njëjtën gjë për këtë çip. D0 e tij shkon në D0 në autobusin e të dhënave dhe kështu me radhë. Kunjat që fillojnë me një "Q" janë dalje. Para se t'i lidhim ato, duhet të shtojmë më shumë patate të skuqura. Kam përdorur portat quad NOR sepse kam një tub prej tyre dhe më duhej tashmë një, por për çdo çip do të funksionojë nëse e lidhni siç duhet. Unë mund të kisha lidhur një hyrje në të gjitha portat në tokë dhe të përdorja hyrjet e tjera si, gjithashtu, si hyrje, por zgjodha t'i lidhja të dy hyrjet së bashku për thjeshtësi.

I vendosa patate të skuqura poshtë rrokullisjes për ta bërë më të lehtë lidhjen direkt pa kërcyes, por në këtë pikë po mbaroja me tel, kështu që nuk kishte vërtet rëndësi në fund. Q0, Q1….. Q7 në flip-flop shkon në hyrjet në portat individuale. Me 4 porta në secilën pako/çip, më duheshin 2 pako dhe i përdorja të gjitha portat. Nëse gjeni një version të rrokullisjes që mund të drejtojë LED-të pa pasur nevojë për tampon si ky, këto dy patate të skuqura nuk janë të nevojshme. Nëse përdorni porta si tampon që nuk kanë dalje të përmbysura (AND/OR/XOR), atëherë mund t'i lidhni LED -et siç do të prisnit. Nëse jeni duke përdorur të njëjtat pjesë si unë dhe/ose daljet janë të përmbysura, LED -të duhet të lidhen siç përshkruhet më poshtë. Imazhi i parë tregon pjesën IC të daljes.

Përdorni rezistencat 330 Ohm për të lidhur LED -të pozitivë (Anodë) me hekurudhën 5V dhe lidhni negativin (katodën) me daljen e portave. Ju mund të shihni në imazhin e dytë që kam përdorur dy autobusë me rezistencë, secili me vetëm pesë rezistencë të brendshëm. Instalimi i LED -ve të tillë do t'i bëjë ata të ndizen kur dalja është e fikur. Ne e bëjmë këtë sepse dalja është e fikur kur hyrja është e ndezur. Sigurohuni absolutisht që të mbani shënime se cilat porta dalin nga kontrolli i flip-flop. Nëse LED -të tuaj nuk do të shpërndahen ose rendi i tyre është i pakuptimtë, humbja e gjurmëve të tyre mund të shkaktojë konfuzion më vonë kur të pyesni veten pse dalja është e gabuar.

Hapi 6: Instalimi i hyrjes

Merrni atë flip-flop 74HC374 dhe vendoseni diku. I imi ishte diku nën Z80 në fund të tabelës. E mbani mend herën e fundit kur lidhëm D0 me D0 dhe D1 me D1 etj.? Këtë herë ne lidhim Q0 me D0 dhe Q1 me D1 etj. Fatmirësisht ne nuk kemi pse të shtojmë asnjë patate të skuqura këtë herë, haha. Në vend të kësaj ne do të lidhim një 10K Ohm me secilën kunj "D" (D0-D7) dhe tokëzim dhe më pas një buton në të njëjtat kunja dhe hekurudhën 5V. Ose mund të përdorni një autobus rezistence dhe të zvogëloni numrin tuaj të pjesëve shumë. Një matricë 3x4 butoni (pa dalje të matricës !!) do të ndihmojë gjithashtu. Imazhi tregon tërësinë e qarkut hyrës së bashku me logjikën e ngjitësit (ajo pjesë është e ardhshme).

Hapi 7: Logic Logue

Ne kemi një gjë të fundit për të lidhur. Quhet "logjikë ngjitëse" sepse përdoret për të deshifruar sinjalet e kontrollit për t'i bërë të gjitha të funksionojnë; është ajo që e mban qarkun së bashku. Kur procesori dëshiron të shkruajë të dhëna në dalje, të dyja /IORQ dhe /WR (përkatësisht 20 dhe 22) shkojnë poshtë dhe të dhënat që dërgohen pohohen në autobusin e të dhënave. Kunja e orës në të dy flip-flops janë aktive të larta, që do të thotë se të dhënat fiksohen kur kunja merr një sinjal të lartë. Ne përdorim një portë NOR dhe tela /IORQ në një hyrje të portës dhe /WR në hyrjen tjetër. Kur secila prej tyre është e lartë, do të thotë që qarqet IO nuk po zgjidhen ose nuk po kryhet një operacion shkrimi, dalja që ushqen orën e rrokullisjes mbetet e ulët. Kur të dy hyrjet janë të ulëta, dhe vetëm kur, dalja shkon e lartë dhe flip-flop bllokon të dhënat.

Tani ne duhet të lidhim me dredha-dredha hyrëse. Ne mund ta lidhim kunjin e orës në të njëjtën mënyrë si më parë, por duke përdorur /IORQ dhe /RD. Por ndryshe nga flip-flop-i tjetër, ne gjithashtu kemi një pin /OE që duhet të merret i ulët vetëm kur /IORQ dhe /RD janë të ulëta. Ne mund të përdorim një portë OR. Ose ne thjesht mund të marrim sinjalin që kemi tashmë për orën dhe ta përmbysim atë me një nga dy portat përmbysëse që kemi tashmë në dispozicion. Në kohën e deklarimit të kësaj të udhëzueshme, unë nuk kisha një portë OR në dispozicion, kështu që unë përdor një opsionin e fundit. Përdorimi i opsionit të fundit do të thoshte se sidoqoftë nuk kisha nevojë të shtoja ndonjë pjesë shtesë.

Hapi 8: Programimi

Nëse instalimet tuaja elektrike janë të sakta dhe shpjegimi im është i qartë, gjithçka që mbetet është të programoni ROM -in. Ka disa mënyra për të shkuar në lidhje me këtë. Ju mund të merrni rrugën e lehtë dhe të porositni një çip të ri nga Digikey. Kur porositni pjesën, do të keni mundësinë të ngarkoni një skedar HEX dhe ata do ta programojnë para se ta dërgojnë. Përdorni skedarët HEX ose OBJ të bashkangjitur me këtë udhëzues dhe thjesht prisni që të arrijë në postë. Opsioni 2 është të ndërtoni një programues me një Arduino ose diçka tjetër. Unë e provova atë rrugëdalje dhe nuk arriti të kopjoja të dhëna të caktuara në mënyrë korrekte dhe më deshën javë për ta kuptuar atë. Përfundova duke bërë opsionin 3, i cili është ta programoj atë me dorë dhe çelsin për të kontrolluar linjat e adresës dhe të dhënave.

Pasi u konvertua drejtpërdrejt në Kodin OP të procesorit, i gjithë ky program qëndron në vetëm 17 bajt të hapësirës së adresës, kështu që programimi me dorë nuk ishte shumë i tmerrshëm. Programi ngarkon në regjistrin për qëllime të përgjithshme B vlerën 00. Regjistri B përdoret për ruajtjen e një rezultati të shtimit të mëparshëm. Meqenëse regjistri A është vendi ku ndodh matematika, ne nuk do ta përdorim atë për të ruajtur të dhënat.

Duke folur për regjistrin A, ne kryejmë një komandë IN, e cila lexon hyrjen, dhe i ruajmë të dhënat e lexuara në A. Pastaj shtojmë përmbajtjen e regjistrit B dhe nxjerrim rezultatin.

Pas kësaj, regjistri A kopjohet në regjistrin B. Dhe pastaj bëjmë një seri komandash kërcimi. Për shkak se të gjitha kërcimet tregojnë për bajtin e poshtëm të vijave të adresave, dhe sepse bajti i sipërm i udhëzimit të kërcimit jepet në argumentin e dytë dhe është "00", ne mund të detyrojmë që çdo kërcim të ndiqet nga një NOP. Ne e bëjmë këtë për të dhënë kohë midis shfaqjes së daljes dhe leximit të hyrjes për të parandaluar hyrjen aksidentale. Çdo kërcim përdor dhjetë cikle të orës dhe secili NOP përdor katër. Nëse lak merr shumë kohë për pëlqimin tuaj, ju mund të rrisni shpejtësinë e orës ose mund ta riprogramoni atë për të përdorur një kërcim më pak.

Hapi 9: Testimi

Nëse keni lidhur gjithçka në mënyrë korrekte dhe ROM -i juaj është programuar si duhet, duhet të ndërmerrni një hap të fundit: lidheni atë dhe shikoni nëse funksionon. Shtypni një buton dhe prisni disa sekonda. Duhen 81 cikle sahati që programi të arrijë lakin e tij të parë dhe secili lak merr 74 cikle sahati.

Nëse nuk funksionon, kontrolloni për pantallona të shkurtra dhe kunja të palidhur (hapet) dhe çështje të tjera të telave. Nëse keni hequr dorë nga rivendosja e energjisë, do t'ju duhet të bëni një rivendosje manuale para se procesori të bëjë asgjë. Ju gjithashtu mund të bashkëngjitni LED në autobusin e adresave për të parë nëse ata po sillen. Unë kisha probleme me këtë vetë, kështu që i mbërtheva ato drejtpërdrejt në autobusin e të dhënave. Kjo më lejoi të shikoja atë që komunikohej midis procesorit dhe ROM pa pasur nevojë të shqetësohesha nëse ROM -i lexohej saktë, gjë që do të kishte kërkuar diagrame kohore dhe thjesht nuk doja të përfshihesha. Rezulton të ketë qenë një zgjedhje e mirë sepse më në fund kapa kodet OP problematike që ishin ruajtur gabimisht.