Digital-Experimentiersystem Indigel

TECHNISCHE INFORMATIK
Digital-Experimentiersystem Indigel
Jean-Daniel Pouget
Walter Kuhn
Institut für Informatik Uni Basel
Mittlere Straße 142
CH-4056 Basel
6. Januar 1995
Zusammenfassung
Das Experimentiersystem Indigel erlaubt es, einfache Schaltungen zu stecken und auszuprobieren. Es finden dabei Standardschaltkreise Verwendung. Im Praktikum wird mithilfe
des Systems eine einfache 4-bit CPU aufgebaut und mit Microcode programmiert.
Inhaltsverzeichnis
1 Das Indigel-System
2
1.1
Das System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Schaltungsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2 Allgemeines zur Elektronik
4
2.1
Spannung und Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3
Taktgenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.4
Aufbauhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
3 Wahrheitstabellen und Pinbelegungen
6
3.1
Tastermodul und DIP-Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.2
Wahrheitstabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.3
IC-Pinbelegungen (74HC..., MC14051) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.4
Register MC14580 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.5
Arithmetisch-Logische Einheit ALU MC14581 . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
- Indigel.1 -
TECHNISCHE INFORMATIK
1
1.1
Das Indigel-System
Das System
In einem handlichen Koffer präsentiert sich das Experimentiersystem
(Bild 1).
Es besteht aus einer
Grundplatte (Bild 2), einer Menge
von Adaptern mit Bauteilen und
einem Sortiment von Kabeln und
Steckern.
Mit diesen Hilfsmit-
teln wird das lötfreie Aufbauen von
Schaltungen ermöglicht. Anders als
bei sonstigen Steck-Systemen werden aber nicht die Bauteile selber, sondern Adapter eingesetzt,
um eine störungsfreie Kontaktierung zu gewährleisten.
Bild 1: Das System
Für ein einfaches Verbinden der Bauteile untereinander und mit der Speisespannung sorgt
ein Kreuzschienenverteiler. Ebenfalls in die Grundplatte integriert sind mehrere Taktgeneratoren und eine 3 x 8 LED.
1.2
Inbetriebnahme
Nach Einstecken des Netzkabels und Bedienen des Hauptschalters kann an der linken Seite
der Grundplatte die Versorgungsspannung (Buchse +5V stab.) abgegriffen und mit der
Buchse u ≤ 48V auf der Oberseite verbunden werden. Damit ist die untere Ebene des
Kreuzschienenverteilers (Bild 3, Speisespannungsschiene) an die Speisung angeschlossen.
- Indigel.2 -
TECHNISCHE INFORMATIK
Bild 2: Die Systemplatte
1.3
Schaltungsaufbau
Nun werden die Adapter mit den gewünsch-
kurzschlussstifft
ten Bauteilen eingesetzt. Die obere Ebene
kabelstecker
des Kreuzschienenverteilers (Bild 3, Signalschiene) gewährleistet die Verbindung zu
weiteren Anschlusspunkten. Von dort aus
adapter
chip
platte
kann mit Kabelsteckern weiterverbunden
oder mit Kurzschlusssteckern die Speisung
abgegriffen werden.
Für Taktgesteuerte Schaltungen können
verschiedene Frequenzen (10Hz - 100kHz)
signalschiene
von den internen Oszillatoren bezogen werden. Als Anzeige für die Resultate und zum
speisespannungs-schiene
Testen der Schaltung dienen die LED’s, die
durch Verbinden der entsprechenden An-
Bild 3: Querschnitt durch die Systemplatte
schlüsse angesprochen werden können.
- Indigel.3 -
TECHNISCHE INFORMATIK
2
Allgemeines zur Elektronik
2.1
Spannung und Masse
Die IC’s, die wir verwenden, haben alle eine sogenannte corner-pinning-Speisungsbeschaltung.
Das bedeutet nichts anderes, als dass am letzten Anschluss (=pin) (entweder 14, 16 oder 24)
+5V (=Vcc) und am Anschluss der punktsymmetrisch gegenüberliegenden Ecke (entweder
7, 8 oder 12) 0V (=GND) anzulegen sind.
2.2
Multiplexer
Der Multiplexer/Demultiplexer (MC14051) hat zwei 0V-Anschlüsse.
Dieser Baustein besteht aus zwei Teilen:
• einem digitalen Teil mit dem Adressdekoder und
• einem analogen Teil mit den Schaltern. Diese Schalter können (wie mechanische Schalter) (fast) beliebige Signale durchschalten. Die Signale beziehen sich oft auf ein anderes
Null-Potential (Anschluss 7) als jene des digitalen Teils (Anschluss 8).
In unserem Fall wird der Baustein als rein digitaler Dekoder eingesetzt und deshalb werden
beide Anschlüsse (7 und 8) auf 0V gelegt.
2.3
Taktgenerierung
In unserer CPU setzen wir einen Vorteiler (durch 16) ein, damit - bei Verwendung des
10Hz-Taktes - die Abläufe noch mitverfolgt werden können. Bei manueller Taktung ist eine
Takt-Teilung nicht nötig, so dass der Zähler etwas anders angeschlossen werden kann (muss
aber nicht). (s. Bild ”Schaltung des Vorteilers”)
2.4
Aufbauhinweise
Beachte bitte folgende Punkte beim schrittweisen (=übungsweisen) Aufbau der CPU:
• stecke alle IC’s (die zum Bau der CPU verwendet werden) wie auf dem Lageplan
angegeben, auch wenn in manchen Übungen nur ”probiert” wird
• verwende stets die kürzest möglichen Kabel, Kabel die zusammengehören, sollten dabei die gleiche Farbe haben. Achtung: Schwarze Kabel haben andere Stecker!
- Indigel.4 -
TECHNISCHE INFORMATIK
1/6
74HC04
1/6
reset
74HC04
reset
clear
clear
5V
GND
(3)
(4)
clear
A
B
(5)
C
(6)
D
(2)
clk
(1)
(10)
74HC161
0V
10Hz
GND
(1)
5V
En T
En P
(7)
load
(9)
QC
QD
(12)
(11)
clk1
clk2
0V
(3)
(4)
A
B
(5)
C
(6)
D
(2)
(10)
clear
clk
74HC161
5V
5V
En T
En P
(7)
load
(9)
QA
(14)
clk2
clk1
Schaltung des Vorteilers (links mit 10Hz Taktung, rechts mit manueller Taktung)
• auch Eingänge, die nicht ”relevant” erscheinen, sollten im Zweifelsfall mit einem definierten Pegel (Masse oder 5V) belegt werden.
• versichere dich, dass alle bisher gesteckten Baugruppen ordnungsgemäss funktionieren
Diese Punkte garantieren zwar keinen fehlerfreien Aufbau, aber sie erleichtern uns allen die
Übersicht zu behalten und bei der Fehlersuche.
Viel Vergnügen!
Zu theoretisch? - macht nichts, im Praktikum wird alles klar!
- Indigel.5 -
TECHNISCHE INFORMATIK
3
74HCxx
Wahrheitstabellen und Pinbelegungen
Im folgenden soll für die wichtigsten IC’s, die im Praktikum Verwendung finden, Pinbelegung
und gegebenenfalls die Wahrheitstabelle angegeben werden. Für die integrierte Schaltung
MC14581 (ALU) wird keine vollständige Wahrheitstabelle angegeben, da diese zu ergänzen
Gegenstand einer Übungsaufgabe ist.
3.1
Tastermodul und DIP-Switches
• Beim Taster sind (ausser 5V und Masse) nur A1 bis A4 für die Aufgaben von Interesse.
• Bei den DIP-Switches ist auf die korrekte Beschaltung der Ausgänge zu achten. Diese
werden immer paarweise zusammengeschaltet.
3
Eingang
ext.Taster
U
+5V
E6
Ausgang von
T1 T2 T3 T4
A1
E7
A2 A3 A4 A7
2
1
0
U
16
15
14
13
12
11
10
9
1
2
3
4
5
6
7
8
+5V
0V
U+
"1"
T1
+12V
U
T2
E5
Eingang
ext.Taster
T3
T4
A5 A6
Ausgang von
E5 E6
"0"
E7 Vss
GND
Eingang Not
- Indigel&IC.6 -
TECHNISCHE INFORMATIK
3.2
74HCxx
Wahrheitstabellen
Datenselektor 74HC253
enable
H
L
L
L
L
RB
X
L
L
H
H
RA
X
L
H
L
H
Yn
Z
An
Bn
Cn
Dn
Zähler 74HC160/161 (Decade/Binary)
CLK
X
X
X
X
↑
↑
CLR
L
H
H
H
H
H
ENP
X
H
L
L
X
H
ENT
X
L
H
L
X
H
Load
Function
X
Clear
H
Count and RC disabled
H
Count disabled
H
Count and RC disabled
L
Load
H
Increment Counter
Multiplexer/Demultiplexer MC14051
enable
0
0
0
0
0
0
0
0
1
C
0
0
0
0
1
1
1
1
X
B A
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 1
1 0
1 1
X X
- IC.7 -
X to
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
none
TECHNISCHE INFORMATIK
3.3
14
74HCxx
IC-Pinbelegungen (74HC..., MC14051)
13
12
11
10
9
8
14
Vcc
13
12
11
10
9
8
Vcc
74HC00
74HC02
GND
GND
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
14
13
12
11
10
9
8
Vcc
Vcc
74HC04
74HC08
GND
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
GND
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
Vcc
Vcc
74HC86
74HC32
GND
GND
1
2
3
4
5
6
7
16
15
14
13
12
11
10
9
16
Vcc
1
2
3
4
5
6
7
15
14
13
12
11
10
9
Vcc
ripple
carry out
CLEAR
CLOCK
QA
QB
QC
QD
enable T
ripple
carry out
QA
QB
LOAD
74HC160
DA
DB
DC
DD
QD
enable T
LOAD
74HC161
CLEAR
DA
CLOCK
enable P
QC
DB
DC
DD
enable P
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
Vcc
En
RA
D1,3
C1,3
B 1,3
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
9
16
15
14
13
12
11
10
9
A 1,3 Y1,3
Vcc
X
X1
X
X3
GND
GND
7
8
2
out/in
74HC253
E n RB
1
2
D0,2
3
C0,2
4
B 0,2
5
A 0,2 Y0,2
6
7
0
MC14051
X
4
X
6
A
B
C
C
X7
X5
En
4
5
6
GND
8
- IC.8 -
1
2
3
TECHNISCHE INFORMATIK
3.4
clk
X
0
1
1
74HCxx
Register MC14580
Wen
W0
W1
R0A
R1A
R0B
R1B
Aen
Ben
Dn
1
1
X
X
X
0
0
0
X
X
X
X
0
0
0
1
1
X
X
X
X
1
0
0
0
0
X
X
X
X
0
0
0
1
1
X
X
X
X
1
1
1
0
0
X
X
X
X
0
1
1
1
1
X
X
X
X
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
X
X
X
X
1
Dn → R0n
no change
1
0
ist die ansteigende Flanke eines Pulses;
An
Bn
1
1
0
0
no change no change
Z
Z
no change no change
no change no change
1
1
Reg.2n
Reg.1n
Reg.2n
Reg.1n
ist die abfallende Flanke eines Pulses; X steht
für don’t care (0V oder 5V); Z steht für high z (hoch ohmig - in diesem Zustand sind die
Ausgänge abgeschaltet, d.h. sie führen keine Spannung, es darf also eine externe Spannung
angelegt werden, ohne dass der Baustein Schaden nimmt.)
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
Vcc
0
1
2
3
D
clock R1A
0
1
2
3
0
1Q
A
2
3
A en
MC14580
W en
0
1Q
B
2
3
decoder
B en
R 0A
R 0B
R1B
W1
W
0
GND
1
2
3
4
5
6
7
- IC.9 -
8
9
10
11
12
TECHNISCHE INFORMATIK
3.5
74HCxx
Arithmetisch-Logische Einheit ALU MC14581
Diese Tabelle ist im Praktikum zu vervollständigen
Function Select
I3 I2 I1 I0
L
L
L
L
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
Logic Function
Arithmetic Function
(M C = H)
(M C = L, Cin = H)
A
A+B
AB
logic ”0”
AB
B
A+B
A plus AB
(A + B) plus AB
A minus B minus 1
AB minus 1
A plus AB
AB
A+B
A⊕B
B
(A + B) plus AB
AB minus 1
A+B
(A + B) plus A
(A + B) plus A
A
+ steht für ein logisches ODER; die Form AB für ein logisches UND; ⊕ steht für ein logisches
EXCLUSIV-ODER
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
Vcc
3
2
1
0
G
A
P
C out A=B
MC14581
3
2
1
0
B
I3 I2 I1
I0
Z
3
2
1
0
C in MC
GND
1
2
3
4
5
6
7
- IC.10 -
8
9
10
11
12
TECHNISCHE INFORMATIK
74HCxx
Arithmetisch-Logische Einheit ALU MC14581
Vollständige Tabelle
Function Select
I3 I2 I1 I0
Logic Function
Arithmetic Function
(M C = H)
(M C = L, Cin = H)
L
L
L
L
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
A
A+B
AB
logic ”0”
AB
B
A⊕B
AB
A+B
A⊕B
B
AB
logic ”1”
A+B
A+B
A
A
A+B
A+B
minus ”1”
A plus AB
(A + B) plus AB
A minus B minus 1
AB minus 1
A plus AB
A plus B
(A + B) plus AB
AB minus 1
A plus A
(A + B) plus A
(A + B) plus A
A minus 1
L
L
L
L
H
H
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
+ steht für ein logisches ODER; die Form AB für ein logisches UND; ⊕ steht für ein logisches
EXCLUSIV-ODER
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
Vcc
3
2
1
0
G
A
P
C out A=B
MC14581
3
2
1
0
B
I3 I2 I1
I0
Z
3
2
1
0
C in MC
GND
1
2
3
4
5
6
7
- IC.11 -
8
9
10
11
12