Самодельный 8-разрядный компьютер. Часть 5. Печатная плата. Сборка и наладка

Я приветствую читателей на своем канале и продолжаю рассказ о самодельном 8-разрядном компьютере КРИСС СР/М

В первой части я немного рассказал о причинах разработке такого "примитивного" компьютера и возможностях его использования. В недавнем обновлении первой части я добавил видео примера графики и игры Xonix

Во второй части я рассказал о концепции а также опубликовал схемы компьютера

В третьей части более подробно рассказано об основных узлах компьютер периферии

Четвертая часть посвящена особенностям программной эмуляции процессора Z80

Итак я продолжаю рассказ о компьютере #КРИСС ср-м

Сборка и наладка устройства

Компьютер имеет одноплатную архитектуру, он собран на плате из фольгированного с двух сторон стекло­текстолита толщиной 1,5 мм с металли­зированными отверстиями. Толщина платы важна для монтажных панелей. Чертёж печатной платы устройства приведен на рисунках 1а и 1б

Рис.1а Печатная плата со стороны деталей

Рис.1б Разводка платы со стороны печатных проводников. ВНИМАНИЕ!!! Вид сверху НЕ ОТЗЕРКАЛЕНО

Изменения на схеме

При подготовке окончательного варианта печатной платы в схему были внесены незначительные изменения, не затрагивающие общих принципов рабо­ты, но повышающие надёжность и обес­печивающие удобство сборки:

— добавлены дополнительные бло­кировочные керамические конденсато­ры в цепи питания ёмкостью 0,1 мкФ, на плате они имеют позиционные обозна­чения С38—С40;

— вывод / RST (вывод 1) микроконт­роллера DD 11, левый по схеме вывод резистора R 15 и верхний по схеме кон­такт разъёма ХР9 подключены к выводу порта РС2 (вывод 25) микроконтролле­ра DD 8, вследствие чего у него освобо­дилась шина lz C для случая использова­ния видеоконтроллера как отдельного устройства;

— задействована вторая половина сдвоенного счётчика DD 10 со счётным входом — выводом 13, а не первая половина, как на схеме рис. 3;

— изменилась структура подключе­ния многофункционального разъёма ХР7, новая цоколёвка подобрана так, что для максимально простого вариан­та устройства, "лайт"-версии, вместо запланированного разъёма MD 8 F мо­жет быть установлен MD 6 F с возмож­ностью прямого подключения клавиату­ры без дополнительных переходников. Новая цоколёвка разъёма приведена в табл. 1 (через дробь указан номер вывода для MD 6 F ), при использовании разветвителя необходимо соответст­вующим образом скорректировать его подключение.

Таблица 1

Кроме того, генератор тактовых им­пульсов частотой 25,175 МГц должен иметь позиционное обозначение G 2, а не G 1 , разъём " LAN " HR 91 1105А должен иметь позиционное обозначение А2, а не А1, как указано на схеме

Расположение элементов на плате показано на рис.3

Рис.3 Расположение элементов на плате

Сборка устройства

Сама сборка устройства особенно­стей не имеет, но есть несколько моментов, на которые нужно обратить внимание, они помогут упростить сбор­ку и придать изделию законченный вид.

В устройстве применены микросхе­мы в корпусах DIP , выводные резисторы мощностью рассеяния 0,125 (1/6) Вт, керамические конденсаторы с расстоя­нием между выводами 2,54 мм ём­костью 0,1 мкФ и 20 пФ, с расстоянием 5,25 мм — ёмкостью 1 мкФ. Сопротив­ление резисторов может быть немного изменено, например, можно применить все резисторные сборки сопротивлени­ем 2,2 кОм, резисторы в цепях линий RESET ( R 1 1, R 13, R 15) сопротивлением 4,7—10 кОм, в цепях подтяжки линий INT сопротивлением 2,2—4,7 кОм. Ёмкость оксидного конденсатора С2 (1000 мкФ) может быть в пределах 470—1000 мкФ, а ёмкость конденсато­ров С22, С23, С35, С36 (20 пФ) — в ин­тервале 18—22 пФ. Ориентируйтесь на документацию к соответствующим мик­росхемам. Микроконтроллер ATtiny 13 ( DD 11) можно использовать на частоту 20 или 16 МГц, поскольку его рабочая частота — около 13 МГц. Его может за­менить МК ATtiny 13 A - PU . В компьюте­ре применена микросхема ОЗУ W24512 A -15, которая заменима W 24512 A -10. Диод SR 260 ( VD 7) можно заменить на SR 160, он чуть меньше по размерам.

Индикаторные светодиоды HL 2— HL 5 предназначены для индикации режимов работы на лицевой панели устройства. Есть несколько вариантов их монтажа. Самый простой вариант — использовать любые маломощные све­тодиоды диаметром 3 мм, изогнув их выводы под углом 90° и рассчитав по­ложение так, чтобы центр линзы был на высоте 5 мм от платы. Более красиво будет выглядеть установка специальных монтажным стоек LED -301( B ) или уже готовых сборок L -934**/1* D фирмы Kingbright . Но тут есть нюанс: яркость свечения светодиодов этих сборок небольшая, поэтому можно уменьшить сопротивление резисторов в цепях их подключения ( R 8, R 9, R 1 2) до 1,5 кОм. При установке отдельно мон­тажных стоек для распространённых типов светодиодов их придётся рассверлить сверлом 4,5 мм из-за "юбки". Специальные же светодиоды для стоек L -934** не отличаются от предустанов­ленных в вышеупомянутые стойки. Отверстия в панели рекомендуется закрыть световодами.

Сборку устройства начинают с мон­тажа слота для SD -карт, после чего устанавливают все остальные компо­ненты, кроме предохранителя F1. Микроконтроллеры, микросхемы ОЗУ и ПЗУ рекомендую устанавливать на панельки, сами микросхемы устанавливают после сборки и предварительных процедур налаживания.

Устройство рассчитано на сборку в стандартный корпус GAINTA G 738, в лицевой и задней панелях вырезают отверстия по чертежу на рис.3 и наносят необходимые надписи. При заказе изготовления выбирайте толщи­ну панелей 2 мм. Плату фиксируют вин­тами М3 с диаметром головки 5,2 мм. Это чуть меньше стандарта, но такие винты легко доступны. Под каждый винт укладывают изолирующую шайбу из волокна/картона диаметром 5 мм. На нижнюю часть корпуса рекомендуют приклеить ножки, для этого идеально подходят защитные мебельные протек­торы из ПВХ.

Рис.3 Чертежи передней и задней панелей

На верхней крышке устройства в центре закрепляют динамическую го­ловку, её приклеивают за монтажные выступы или по периметру клеем "Момент". К плате головку подключают тонким двойным шлейфом с разъёмом на конце. Разъём для подключения мо­жет быть любой с шагом контактов 2,54 мм. Если не устанавливать разъём ХР10 подключения внешней динамиче­ской головки (обычно он не нужен), то комфортно размещается разъём CWF -2. Провод подключения делайте достаточ­но длинным, чтобы при открывании крышку корпуса можно было убрать в сторону без отключения головки. Сама динамическая головка — любая миниа­тюрная, максимально плоская, с сопро­тивлением катушки 8 Ом и мощностью 0,5—2 Вт. С заявленными на схеме эле­ментами громкость звука достаточно большая, для домашнего применения можно уменьшить сопротивление ре­зистора R 18 до 47 кОм, сопротивление резистора R 17 (56 кОм) может быть в интервале 10—56 кОм. Звук "меандровый”, но приемлемый, немного улучша­ет качество звука тонкая поролоновая прокладка толщиной 1 мм между диф­фузором и крышкой корпуса.

Устройство подключают к сети пере­менного тока 230 В шнуром с выключа­телем, на который одевают резиновый проходной изолятор (кабельный ввод) диаметром 4 мм. Мощность устройства небольшая, поэтому прекрасно подхо­дят бытовые кабели для бра — они тон­кие, гибкие и весьма надёжные. Для подключения к плате используют со­единитель кабель—плата WF -4 с шагом контактов 2,54 мм (используют крайние два контакта) или PHU -2 с шагом 5,25 мм. Первый вариант удобнее, хотя и не предназначен для коммутации вы­сокого напряжения, в нашем случае это решено использовани­ем только двух крайних контактов четырёхвы­водного разъёма.

Налаживание устройства

После подачи пита­ния проверяют напря­жение на выходе AC / DC преобразовате­ля А1, оно должно быть в интервале 5...5,2 В с пульсациями, не пре­вышающими 100 мВ. Такие преобразовате­ли за много лет работы зарекомендовали себя с положительной сто­роны и отказы у ориги­нальных изделий не встречались.

Далее на двухвыводный разъём, уста­новленный около се­тевого разъёма, пода­ют питание +5 В от ла­бораторного источника питания и проверяют потребляемый устрой­ством ток, который не должен превышать 100 мА. После этого проверяют напряже­ние питания контроль­ных точек 3,3 В и нали­чие генерации импуль­сов 25,175 МГц в конт­рольной точке " F " ря­дом с генератором G 2.

Если всё в норме, то предохранитель F 1 устанавливают на плату, и сборку можно счи­тать оконченной.

Рекомендую сборку производить, начиная с минимальной рабо­тоспособной конфигу­рации. Внешний вид собранной платы в та­кой минимальной кон­фигурации, на которой отсутствуют "опцион­ные" элементы, пока­зан на рисунке в заголовке статьи. В этом случае не устанавли­вают микросхему ЧРВ DS 1305 N ( DD 4), контроллер Ethernet ENC 28 J 60 ( DD 6), преобразователь уровней МАХ232СРЕ ( DD 7), микросхему ПЗУ 25 LC 1024- l / P ( DS 2), стабилизатор LD 1 117-33 ( DA 2), разъём " LAN " HR 911105 A (А2), кварцевые резонаторы 32768 Гц ( ZQ 1) и 25 МГц ( ZQ 3), резисторы R 14, R 23— R 28, конденсаторы С17, С18, С24—С27, СЗЗ— С37, дроссель L 2 и элемент питания G 1 .

Если устройство сразу собирают в варианте с сетевым контроллером, есть особенность установ­ки резистора R 14 — на плате он разведён как два параллельных резистора и обозначен как R 14*. Дело в том что микросхема ENC 28 J 60 ( DD 6) имеет несколько так называемых ревизий. Для устаревших версий требуется ре­зистор сопротивлением 2,7 кОм, для более современных — 2,32 кОм (по до­кументации). При сборке сначала уста­навливают резистор сопротивлением 2,7 кОм, после запуска устройства и проверки версии микросхемы ( REVID ) при значении 06 параллельно ему уста­навливают резистор сопротивлением 16 кОм. Заранее узнать номер ревизии возможности нет. Номинальное сопро­тивление резисторов R 23— R 26 по до­кументации к микросхеме ENC 28 J 60 — 49,9 Ом, такие резисторы доступны в исполнении для поверхностного мон­тажа (на них написано 49 R 9). Разводка платы допускает установку этих резис­торов как выводных, так и поверхност­но монтируемых типоразмера 0805 или 1206. В случае их отсутствия можно установить резисторы ближайшего стандартного номинала (51 Ом), точно­го соответствия спецификации при этом не будет, но работоспособность сохранится.

Если запланировано подключение принтера, как альтернативу необходи­мости сборки переходника-разветвите­ля можно установить разъём ХР7 MD 6 F для прямого подключения клавиатуры, а разъём ХР10 использовать для порта RS -232, перерезав дорожки, ведущие к усилителю мощности DA 3, и соединив его контакты перемычками со стороны монтажа с выводами 4 и 7 ХР7 или соот­ветствующими выводами микросхемы DD 7.

Программирование микроконтроллеров

Микроконтроллеры (МК) необходимо предварительно подготовить, установив разряды конфигурации и загрузив мик­ропрограммы стартовых загрузчиков (далее будем называть их бутлоадерами), кроме МК ATtiny 13 ( DD 11), который прошивают сразу. После этого для изме­нения микропрограмм их доставать уже не потребуется, поэтому при желании после подготовки их можно запаять в плату без колодок. Настройка разрядов конфигурации (FUSE-bit) приведена в таблице. Не забывайте, что сначала надо загрузить прошивку бутлоадера, а только потом устанавливать конфигурационные раз­ряды, поскольку все МК работают или с внешними тактовыми импульсами, или с внешним кварцевым резонатором.

Fuse-bit для микроконтроллеров.

После прошивки и установки разря­дов конфигурации микросхемы устанав­ливают на плату. Стандартный цикл пер­воначальной загрузки устройства такой:

— МК формирователя синхроим­пульсов стартует в обычном режиме, возможности его перепрограммировать нет, МК видеоконтроллера может оста­новить его работу сигналом / RESET ;

— МК видеоконтроллера стартует в рабочем режиме с выводом на экран приветственного сообщения из EEPROM ;

— МК контроллера внешних уст­ройств (КВУ) стартует в режиме бутлоа­дера и ждёт команды от МК ЦП;

— МК ЦП выдерживает паузу 1 с для инициализации внешних и наплатных устройств, что сопровождается индикацией светодиода " SYS ", после чего ожи­дает на командном порту UART 0 сигнала на программирование 1 с, не получив его, формируется короткий звуковой сигнал и вы­даётся команда на старт КВУ, через 1 с после этого запускает­ся основная програм­мами ЦП.

После запуска сис­темы в МК, которые имеют только бутлоадеры, нормальным поведением является мигание светодиода " SYS " в течение 1с, короткий звуковой сиг­нал, и далее всё повто­ряется.

Для программиро­вания необходимо использовать стандартный преобразова­тель UART — USB (именно UART , а не RS -232!). Программирование выполня­ют с помощью специальной консольной программы под ОС Windows , для запус­ка необходимо использовать стандарт­ную консоль cmd.exe или менеджер FAR . Для программирования выполните действия в следующем порядке:

— подключите устройство к линии питания 230 В, но не включайте его;

— подключите преобразователь к разъёму ХР1, соблюдая назначение вы­водов (1 — TxD , 2 — RxD , 3 — GND ), обыч­но порядок подключения справа— нале­во (по расположению элементов на плате рис. 8) по цветам преобразователя та­кой: белый (вывод 1) — зелёный (вы­вод 2) — чёрный (вывод 3); красный не используется и должен быть надёжно заизолирован;

— подключите преобразователь к порту USB компьютера с ОС Windows любой версии, убедитесь, что все драй­веры установлены, посмотрите в кон­фигурации оборудования номер назна­ченного COM -порта, если есть возмож­ность, поменяйте его на 15;

— из пакета установочных программ запустите файл upload _ start.bat , заме­нив в нём "15" в первой строке сразу за именем исполняемого файла на свой номер СОМ-порта;

— программа выведет служебные со­общения и перейдёт в режим ожидания;

— включите устройство выключате­лем на шнуре питания;

— если всё сделано правильно, нач­нётся процесс программирования, каждый переданный пакет сопровождается звуковым сигналом устройства;

— после успешного окончания рабо­ты программы прошивки (обычно это занимает одну—две минуты) отключите питание устройства и отключите пере­ходник UART — USB .

На этом процедура подготовки уст­ройства к работе практически заверше­на. Имейте в виду, что выводы UART 0 МК ЦП используются в работе, поэтому оставлять переходник подключённым категорически не рекомендуется. Про­граммирование идёт в режиме реаль­ного времени с контролем таймаутов, иногда возникают сбои. Если програм­ма зависнет или не доработает до кон­ца, перезапустите процедуру програм­мирования.

Впоследствии обновления устанав­ливают по аналогичной процедуре, но загрузка идёт уже не полная, а выбороч­ная, только изменённых компонентов. Bat -файл для каждого случая или на­стройки программы включается в со­став пакета обновлений.

Запуск и загрузка

Подключите к устройству клавиатуру PS/2 и включите питание. Устройство должно вывести сначала тестовый экран VGA -контроллера, потом загру­зочный экран системы (рис. 4). На этапе загрузки опрашивается установ­ленное периферийное оборудование и выполняются базовые настройки.

Рис.4 Загрузочный экран

Как было описано в разделе про опи­сание видеоадаптера, качество работы зависит от точности тактовых частот 20 и 25,175 МГц. Если изображение на экране нестабильно, с пропуском сим­волов или, наоборот, с лишними пробе­лами (это как раз бывает при сильном отклонении номиналов частот кварце­вых резонаторов от заявленных значе­ний), рекомендую попробовать поме­нять кварцевый резонатор 20 МГц и генератор 25,175 МГц.

Для работы необходим загрузочный образ SD -карты, который может быть либо записан из тестового образа в комплекте программ (рекомендуется для этой процедуры использовать про­грамму Win 32 Disklmager ), либо подго­товить его самостоятельно, воспользо­вавшись описанной ниже процедурой.

Сначала в отдельный каталог устано­вите файловый менеджер FAR и плагин Multiarc к нему. FAR не требует установки и работает из любого каталога. В настройках плагина в файл Plugins \ MultiArc \ Formats \ custom . ini до­бавьте в конец файла настройки для работы с образами дисков СР/М, кото­рые будут иметь расширение .срт (см.табл).

Далее скачайте и установите бес­платный пакет программ cpmtools , не­обходимо установить его в корневую папку диска / cpmtools , добавив этот путь в системный PATH . В файл конфи­гурации пакета diskdefs добавьте на­стройки для работы с образами дискет 819 кБ, которые как базовые исполь­зуются в данном проекте (табл.).

Вместо оригинального можно ис­пользовать немного скорректирован­ный вариант пакета, в котором добавлена работа с файлами, записан­ными в системе прописными буквами. Это не ошибка, в СР/М такое не допус­кается, но на практике иногда встреча­ется.

Перезапустите FAR и откройте в нём пустой образ дискеты из комплекта программ fdd 819. cpm . Если все настройки выполнены правильно, откро­ется пустой каталог. Скопируйте в него необходимые программы.

Для работы с SD -дисками служит специальное приложение под MS Windows R1715 sd.exe , при вызове кото­рого необходимо указать букву диска, ассоциированного с SD -картой. Если вы используете карту первый раз, то необходимо на неё программой Win 32 Disklmage.exe записать любой файл в виде образа. Он использоваться не будет, но разрушит форматирование и даст знать программе, что это не "обычная" SD -карта. При попытке запи­сать на отформатированный диск про­грамма выдаст ошибку — минимальная защита.

Организация SD -карты включает блоки предзагрузки и образы дис­кет, каждый имеет своё название, своё название имеет и каждая карта. После запуска список ко­манд можно посмотреть, набрав знак вопроса В названиях можно использовать русский язык, консольные программы ра­ботают в кодировке СР866, анало­гичной кодировке КРИСС. Типо­вые команды работы с програм­мой (в планах подключение к multiarc , но пока не реализовано):

— форматирование карты: f Имя карты — инициализирует карту для дальнейшей работы;

— загрузка загрузочного блока: за­дайте имя блоку командой n fO [имя за­грузочного блока], после чего загрузите образ из файла командой р 00 имя_ файла;

— загрузка образа дискеты: задайте имя дискете командой п 01 [имя диске­ты], после чего загрузите образ из файла командой s 00 имяфайла;

— загрузите образы других дисков при необходимости наборами команд: п 02/р 01, п 03/р 02 и т. д.;

— посмотреть содержимое карты можно командой d .

По умолчанию дискета s 00 считает­ся вставленной в дисковод A :, s 01 — в дисковод В:. Дисководы С: и D : в теку­щей версии загрузочного образа не используются. На карту можно записать до 32 образов дискет, переключение осуществляется через системную кон­соль, вызываемую после загрузки ОС комбинацией клавиш Ctrl - Alt - Del .

При загрузке компьютера карта должна быть вставлена до включения питания, после инициализации будут показаны имя карты и имя загрузочного образа. Если необходимо поменять карту во время загрузки, то после сме­ны карты нажмите ввод и карта снова реинициализируется. Укажите номер загрузочного блока "О" и нажмите ввод. После загрузки ОС появится привет­ственное сообщение СР/М "А:". Вы теперь внутри ОС, можно работать — принципы работы в ОС СР/М много­кратно описаны, см., например, [5]. Перезагрузка, напомним, выполняется в любой момент комбинацией клавиш Ctrl - Shift - Alt - ESC .

КРИСС СР/М корректно работает с большинством программ, написанных для СР/М, в частности для Robotron 1715, но есть и особенности, которые будут описаны далее в разделе про сис­темное программи­рование.

Дополнительная информация

Немного дополнительной информа­ции, которая может быть полезна.

Начнём с ресурсов МК. Как было сказано в начале статьи, все МК рабо­тают с загрузкой, близкой к максималь­ной, поэтому дальнейшая оптимизация не производилась. Небольшая сводка по задействованию аппаратных ресур­сов приведена в таблице, где приве­дён или процент использования, или сколько ресурсов из имеющихся задей­ствованы, IRQF обозначает использова­ние флага прерывания без обработчи­ка. Загрузка достаточно плотная.

При желании реализовать обработ­чик манипулятора мышь на МК DD 5 следует быть крайне осторожным. С одной стороны, выводы GPIO могут быть использованы, и для работы есть свободное прерывание PCI . Но в теку­щей версии прошивки этот МК обраба­тывает поток SPI -запросов от МК ЦП в режиме реального времени, без сигна­ла подтверждения обработки. Это зна­чит, что задержка между отправляемы­ми байтами должна быть такой, чтобы гарантировать их обработку. Этот МК обрабатывает два прерывания: от кла­виатуры INTO и от канала SPI , причём клавиатурное имеет больший приори­тет, возможную задержку надо учесть. Сейчас это прерывание минимизиро­вано, насколько это возможно, даже размещено в области векторов преры­ваний, чтобы исключить лишнюю ко­манду перехода rjmp , но всё равно с учётом времени входа/выхода из пре­рывания, входа/выхода прерывания SPI при пакетной отправке в МК ЦП приходится вставлять задержку для стабильной работы. При реализации ещё одного обработчика эта задержка неизбежно возрастёт, что несколько снизит производительность МК ЦП, особенно в части вывода на экран. Как альтернативный вариант можно рас­смотреть подключение мыши через дополнительный МК с подключением на шину I2С МК КВУ, что позволит вы­нести опрос в асинхронный режим.

На плате предусмотрено несколько разъёмов, в частности ХРЗ и ХР5. Их можно использовать при необходимос­ти обновления микропрограмм бутлоадера МК DD 1 и DD 5 без демонтажа микросхем, но использовать этот путь нужно с осторожностью и только когда нет других возможностей, например, установив микросхемы на колодки. Порядок программирования МК DD 1 такой:

— устанавливают перемычку на разъём ХР5, тем самым блокируется работа МК DD 5;

— к контактам 2—6 разъёма ХРЗ подключают ISP -программатор и загру­жают микропрограмму.

Такой вариант имеет риск, что МК DD 5 может воспринять команды как "свои" и некорректно их обработать, поэтому, возможно, процедуру придёт­ся повторить. Для программирования DD 5 процедура аналогична:

— контакты 1 и 5 разъёма ХРЗ замы­кают с его контактом 6, блокируя рабо­ту МК DD 1 и DD 8;

— к разъёму ХР5 и контактам 2—4 разъёма ХРЗ подключают ISP -програм­матор и загружают микропрограмму.

Сменить прошивку МК DD 8 анало­гичным образом возможности нет. ISP -программирование МК DD 11 вы­полняется после замыкания контактов 1 и 5 разъёма ХРЗ с его контактом 6 и ус­тановки перемычки на контакты разъ­ёма ХР5, все необходимые сигналы вы­ведены на внешние разъёмы. Это един­ственный способ смены микропро­граммы МК DD11.

А вот видео сборки компьютера КРИСС СР/М (не мое)

Файлы к статье

Печатная плата в Sprint Layout

Комплект микропрограмм файлов начальной прошивки в одном архиве, bat-файл в комплекте

CP/M 2.2 на базе ОС SCPX компьютера Robotron 1715

Пакет программ CPMTOOLS, преднастроенный для работы с образами дискет 819 кБ - официальный релиз

Программа для управления образами SD-карт