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• Kevin Hernandez Cruz

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Circuitería del Sistema Mínimo UNIDAD III Arquitectura de Microprocesadores

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Una microcomputadora en su forma elemental contiene 3 partes básicas: ◦ CPU. ◦ Memoria. ◦ Puertos de E/S interconectados por medio de buses.

Introducción

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Para intercambiar información. El control lo ejerce la CPU y siempre que la CPU pida o transfiera un dato a la memoria o los puertos es necesario: ◦ Indicar a quien se lo va a pedir. ◦ Indicar que es lo que va hacer. ◦ Mandar o recibir información.

Introducción

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Para realizar estas funciones se sirve de los buses (serie de conexiones paralelas que cumplen con un mismo fin).

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El termino mínimo se refiere a utilizar la menor cantidad de componentes para alcanzar la función del circuito.

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Un sistema mínimo es un circuito en base a un microprocesador que ejecuta las operaciones básicas de una microcomputadora con el menor numero de dispositivos posibles.

Introducción

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Los circuitos que se emplean junto al microprocesador Z80 para implementar un sistema mínimo son: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

Una fuente de alimentación de 5 VCD. Un circuito de reloj compatible con TTL. Un circuito de excitación de memoria. Memoria ROM que contenga el programa monitor. Puertos de entrada/salida para interfaces. El microprocesador Z-80.

Circuitos y el Z80

Integración del Sistema Mínimo Explicación de las partes que lo forman

Diagrama a Bloques del Sistema Mínimo

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El microprocesador Z-80 es un circuito que cumple con las funciones de la CPU: Controla la lectura o escritura de datos en las memorias RAM o ROM permite el acceso o salida de datos desde y/o hacia los puertos E/S para tener interacción con los componentes o elementos externos al sistema y realizar operaciones aritméticas y lógicas.

Bloque CPU Z-80

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El circuito de Reloj se encarga de generar una onda cuadrada para aplicarla a la entrada de reloj del microprocesador.

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El circuito de RESET se utiliza para excitar con un cero la entrada RESET del microprocesador y efectúa el restablecimiento total del sistema mínimo.

Bloques de RELOJ y RESET

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El circuito de Selección de memoria o puertos de entrada/salida elige habilitar un dispositivo, entre la memoria RAM y ROM o el puerto de entrada/salida de acuerdo a la información que le manda el microprocesador a través de los buses de direcciones y de control.

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Este circuito cuenta con salidas adicionales para conectarle puertos de entrada/salida de expansión para aplicaciones especiales.

Bloque Selección de Memoria o Puertos de Entrada/Salida

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La memoria ROM constituida por una EPROM contiene el programa monitor que se utiliza como programa de inicio para acondicionar al sistema mínimo para el acceso y control (interno y externo), de los diferentes dispositivos.

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La memoria RAM por su característica volátil se utiliza para almacenar los programas de aplicación y desarrollo del sistema.

Bloques Memoria ROM y RAM

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El Puerto de E/S es una interfaz que a través de sus 3 puertos bidireccionales conecta el teclado y el circuito de indicación con el sistema mínimo.

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El Teclado es un periférico de entrada de datos al sistema.

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El Circuito de indicación es un periférico de salida de datos que son indicados a través de los displays.

Bloques Puertos E/S, Teclado y Circuito de Indicación

Ejecución Interna Explicación de los Ciclos de Máquina y su Relación con las Instrucciones

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Cada instrucción dada para el microprocesador conlleva un ciclo de instrucción.

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¿Qué es?

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¿En que tiempo se Ejecuta?

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¿Cómo esta formado?

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¿Qué es un Ciclo de Máquina?

◦ Es el tiempo total que tarda el microprocesador en ejecutar alguna instrucción. ◦ El tiempo se define por la frecuencia del Microprocesador. ◦ Esta formado por varios Ciclos de Máquina. ◦ Es un conjunto de pulsos de reloj en los cuales el Microprocesador realiza un proceso.

Ciclo de Instrucción

Ejemplo de la Instrucción ADD A En el siguiente ejemplo el Microprocesador hace la suma de un número “n” al contenido del acumulador “A”. •En

el primer ciclo de Máquina M1, se genera la búsqueda del código de operación correspondiente a la instrucción ADD. •En

el segundo ciclo de máquina M2, se lee en la Memoria de Datos el contenido del acumulador “A” y el número “n”. •En

el tercer ciclo de máquina M3, se realiza en la ALU la suma del número “n” con el contenido del acumulador “A”.

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Es un programa que proporciona acceso y control de todos los dispositivos internos del sistema y de los periféricos que serán conectados externamente.

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Este programa se valora en cada microprocesador y tiene la función del sistema operativo del microprocesador.

Programa Monitor

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Los recursos básicos que proporciona el programa monitor son: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦

a) Inicio de operaciones. b) Reinicio. c) Visualización de memorias. d) Visualización de recursos. e) Ejecución. f) Entrada y salida de datos.

Programa Monitor

Componentes del Sistema Mínimo Circuitería, Diseño y Materiales de los Componentes

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Tiene una frecuencia de 2.5 Mhz con el nivel TTL suficiente para la sincronía del microprocesador.

Circuito de Reloj

Circuito de Reloj

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El circuito utilizado es un multivibrador astable formado por dos inversores conectados con dos resistencias de 120 Ohms y un capacitor de 820 picofaradios.

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La frecuencia esta determinada por el capacitor y del tiempo de respuesta de las compuertas.

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El 3er inversor es independiente del multivibrador y sirve para estabilizar la señal de reloj.

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La resistencia de 12 Kohms se utiliza como resistencia de activación para 5 volts.

Circuito de RESET Características de Diseño

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Este circuito es uno de los controles más importantes del sistema, ya que cuando se ejecuta un programa en forma incorrecta esta señal interrumpe la ejecución del programa con la dirección 0000H, iniciando la carga del programa monitor. Esta reinicialización del sistema se puede provocar sin tener que apagar la fuente de alimentación, presionando simplemente el interruptor de RESET.

Circuito de Reset

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Circuito de Reset

El circuito utiliza un micro interruptor con un circuito RC y dos inversores 74LS14, que provocan un pequeño retardo permitiendo que se estabilice la tensión de alimentación en todo el circuito y evitar que existan errores de inicialización.

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Cuando se energiza el circuito con Vcc el micro interruptor de RESET esta abierto con lo que el capacitor se carga con un tiempo RC presentando un 1 lógico en la entrada del 1er inversor y en la salida del segundo inversor.

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Cuando se oprime el micro interruptor el capacitor se descarga presentando un cero lógico suficiente para que el microprocesador active su RESET.

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El diodo utilizado funciona o sirve para que el capacitor se descargue rápidamente una vez que se ha suspendido la alimentación de 5 Vcc.

Circuito de Reset

Circuitos Auxiliares del Z80 Características y Diseño

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Dentro de los circuitos auxiliares tenemos el indicador del estado HALT y circuitos de habilitación para las entradas INT, NMI, WAIT.

Circuitos Auxiliares del Z-80

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Cuando la salida del HALT tiene un cero lógico indica que el microprocesador ha ejecutado una instrucción de este tipo y esta esperando una interrupción antes de que pueda reanudarse la operación.

Circuito HALT

Circuito HALT

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El circuito de indicación puede estar conformado por uno o dos inversores, resistencias limitadoras y leds de color rojo y verde.

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Cuando se tiene corriendo un programa normal se tiene un uno lógico en HALT por lo que se tiene el led verde activado, si se presenta un cero lógico el led rojo encendería indicando el estado de interrupción.

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Los circuitos de excitación para las entradas INT, NMI y WAIT, consisten de un interruptor normalmente abierto conectados a tierra y a una resistencia de 12Kohms.

Circuitos de Excitación INT, NMI y WAIT

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Cuando se oprime el INT se genera una interrupción al final de la instrucción que se este ejecutando mandando un 0 lógico a la entrada INT.

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Cuando se oprime el NMI se genera una interrupción con prioridad más alta obligando al Z-80 a reiniciarse en la dirección 0066H.

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Cuando se oprime el WAIT se inicia un ciclo de espera en el microprocesador.

Circuitos de Excitación INT, NMI y WAIT

Memoria ROM (EPROM) Características Físicas y Eléctricas

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La memoria ROM es utilizada para almacenar el programa monitor en forma residente.

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Se utiliza una EPROM 2732 que puede almacenar 4Kb de direcciones o 4096 bits de direcciones, en palabras de 8 bits.

Memoria ROM

Terminales de la EPROM

Tabla de Operación de la EPROM

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En el sistema, como la memoria ya va estar grabada con el programa monitor, su función va a ser la lectura de este programa.

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El Bus de datos o de direcciones se conectan directamente.

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La lectura de la memoria se controla con las entradas CE y OE/Vpp, esta última entrada se conecta a la salida RD del Z-80, cuya función es precisamente indicarle a las memorias o a los puertos de entrada/salida, cuando el Bus de datos requiere una lectura (esto se hace cuando RD manda un 0 lógico).

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En el caso de que él Circuito Especifico de Selección sea la memoria EPROM, se utiliza su entrada CE.

Función de la EPROM

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Si la entrada CE tiene un cero lógico, junto con la selección de lectura RD, en el Z-80 se tendrán las condiciones indicadas para la lectura de la memoria EPROM a través del Bus de datos, esto se efectúa por medio del Circuito de Selección.

Función de la EPROM

Memoria RAM Características Físicas y Eléctricas

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La memoria RAM es utilizada para almacenar información del trabajo útil, para controlar áreas de desplegado de datos y direcciones, y para guardar en forma momentánea los programas de aplicación.

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Se utiliza una RAM 6164 que puede almacenar en 8192 direcciones palabras de 8 bits.

Memoria RAM

Terminales de la RAM 6164

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En esta memoria, también el Bus de Datos y el Bus de Direcciones se conectan directamente a los buses del microprocesador Z80.

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En la siguiente tabla se observa que la entrada CS2 no tiene ninguna función cuando el circuito este trabajando por lo que se conecta a Vcc, esta entrada deshabilita a la memoria RAM cuando se presenta un 0 lógico en ella.

Tabla de Características

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Para la selección de la lectura se conecta OE a la salida RD del Z-80.

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Si el Z-80 desea la lectura de datos de la memoria RAM; en el Z-80 RD = 0 y WR = 1 por lo tanto, en la RAM la terminal OE = 0 y la terminal WE=1 produciéndose así, la lectura de datos.

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Si el Z-80 desea la escritura de datos en la RAM; en el Z-80 RD=1 y WR=0, y en la RAM OE=1 y WE=0.

Lectura y Escritura en la RAM

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Para que la memoria RAM funcione en el ciclo de lectura y escritura se debe seleccionar por medio de la entrada CS1. Si esta entrada tiene un cero lógico aunado con la selección de escritura o lectura (WE), en la RAM se tendrán las condiciones para la operación de la memoria.

Lectura y Escritura en la RAM

Puerto de Entrada y Salida Características Físicas y Eléctricas

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El puerto de entrada/salida es el circuito integrado 8255, el cual es un puerto de entrada/salida paralelo de propósito general.

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Inicialmente diseñado para usarse con el microprocesador 8080.

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Tiene 40 terminales, es de tecnología NMOS, compatible con TTL y se alimenta con 5 VCD.

Puerto de Entrada/Salida

Terminales del 8255

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El 8255 proporciona tres puertos de ENTRADA/SALIDA de 8 bits (PA0 – PA7, PB0 – PB7 Y PC0 – PC7), que son programados, de acuerdo a la aplicación, para transferir datos bidireccionales (entrada de datos “lectura” y salida de datos “escritura”) entre los periféricos y el Bus de datos D0 – D7 del microprocesador.

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En el caso del sistema mínimo, se aprovechan los tres puertos: a) El puerto A para entrada de datos, vía el teclado. b) Los puertos B y C como salidas para el circuito de indicación.

Concepto

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Las entradas RD y WR se activan con 0 lógico y habilitan la lectura y/o escritura.

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La entrada RESET es una señal de restablecimiento del sistema que limpia todos los registros del 8255.

Concepto

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Por medio de las entradas A1 y A0, el 8255 selecciona el puerto A, B o C.

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La entrada CS se activa con 0 lógico y habilita el 8255 para que funcione como se muestra en la tabla siguiente.

Tabla de Características

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La forma en la que se conecta el 8255 al circuito es la siguiente: ◦ las entradas A0, A1, RD, WR, Do-D7, se conecta en forma paralela a sus entradas correspondientes del microprocesador. ◦ La entrada RESET se conecta en forma paralela a través de un inversor a la entrada RST del microprocesador.

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Para que el 8255 se habilite se efectúa por medio de la entrada CS. Si dicha entrada tiene un 0 lógico, se tendrán las condiciones para la entrada o salida de datos a través del 8255, según sea el valor de las demás entradas de control.

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La habilitación de CS se efectúa también a través del circuito de selección.

Conexión del 8255

Circuito de Selección de Memoria o Puertos de Entrada/Salida Características Físicas y Eléctricas

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El Circuito Selector, es el encargado de indicar cuando se va ha utilizar la EPROM, la RAM o los puertos de E/S.

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En el Sistema Mínimo se usan las mismas líneas de dirección para interconectar las dos memorias y los puertos de Entrada/Salida.

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Para entender como se realiza la selección de puertos E/S y de las memorias, es necesario analizarlo por separado.

Circuito Selector de Memoria o Puertos de E/S

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Para el caso de la RAM y EPROM es necesario tener en cuenta la cantidad de direcciones de memoria que utiliza cada uno.

Características EPROM y RAM

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Como en el sistema mínimo se requiere que el programa monitor grabado en la memoria EPROM se ejecute al inicio del sistema mínimo, se diseñó con un mapa de memoria.

Mapa de Memorias

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En la tabla anterior se muestra que la memoria EPROM y RAM abarcan las direcciones 0000 0FFF y la 2000 - 3FFF respectivamente.

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Si se realiza una tabla de las direcciones (A0A14) ocupadas en hexadecimal, en especial de las 3 últimas direcciones (A12, A13 y A14) en binario se tiene:

Direccionamiento

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En la tabla podemos observar que: ◦ A14=0 y A13=0, seleccionamos la EPROM ◦ A14=0 y A13=1, seleccionamos la RAM

Selección del Tipo de Memoria

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El C.I. 74LS139, se utiliza para la selección de las memorias y los puertos de E/S.

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Cuenta con dos decodificadores independientes X e Y, que seleccionan una de cuatro salidas negadas Ax o Ay, de acuerdo a la combinación de las entradas de selección X o Y.

Circuito 74LS139

Terminales del 74LS139

Tabla de Verdad del 74LS139

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El decodificador X se aprovecha para la selección de la memoria.

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Se conectan las direcciones A14 y A13 a las entradas X1 y X0 respectivamente.

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Las salidas Ax0 a la entrada CE de la memoria EPROM y la salida Ax1 a la entrada CS1 de la memoria RAM.

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De esta forma se obtiene la selección de la entrada en el mapa de memoria visto anteriormente.

Terminales de Conexión

Conexión del Circuito de Selección de Memoria Para la habilitación de la terminal Ex del 74139 se conecta a la salida del control MREQ el microprocesador Z-80, la cual indica que el Bus de direcciones retiene una dirección o que esta listo para una operación de escritura o de lectura. El circuito de selección de memoria se muestra en la figura.

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Cuando se requiere amplificar la capacidad de memoria se deben conectar las memorias utilizando la salida Ax2 y Ax3, con direcciones de memoria 4000H – 5FFFH y 6000H – 7FFFH respectivamente.

Ampliación de memoria

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La selección del puerto E/S se realiza con el decodificador “Y” a través de la conexión de A3 y A2 a las entradas Y1 e Y0 respectivamente.

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La salida Ay0 se conecta a la entrada CS del 8255.

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La habilitación de la terminal Ey del 74LS139 se realiza con la conexión de la salida de control IORQ del microprocesador Z-80 la cual indica que el Bus de direcciones retiene una dirección valida para una operación de E/S de datos del puerto 8255.

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Cuando se requiere conectar puertos adicionales se utilizan las salidas Ay1 - Ay2 - Ay3.

Circuito de Selección de Puertos de Entrada/Salida

Circuito de Selección de Puertos de Entrada/Salida

Circuito de Selección de Memorias

Circuito de Selección de Puertos de E/S

Conexión del Circuito 74LS139

Teclado Características y Conexión

Teclado

Es la interfase de entrada del sistema y consta de una matriz de 20 teclas normalmente abiertas que insertan un código hexadecimal (de 0 a F) o funciones especiales GO, COM1, COM2 y OTRO del sistema mínimo.

Entrada y Salida del Teclado La salida del teclado esta conectada a través de resistencias a las primeras 5 líneas del puerto A asegurando que si no se presiona ningún interruptor, el puerto lee puros unos. La entrada de estos interruptores son inversores 74LS14 que se conectan a las 4 últimas líneas del Bus de direcciones del Z-80 (A12A15)

Funcionamiento del Teclado Cuando se envía por A12 un 1 lógico se complementa con el inversor, haciendo que toda la fila presente un 0 lógico y el resto un 1 lógico. Sí se presiona una tecla que esta en la primera fila, cambia el estado de la columna que se esta leyendo por medio del puerto. Como el circuito esta en sincronía, el puerto manda un código de entrada que es reconocido por el microprocesador.

Circuito de Indicación Características, Funcionamiento y Diseño

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Este circuito es el periférico de salida del sistema que muestra las direcciones, los códigos de maquina y los datos que presentan los diferentes registros del microprocesador durante la ejecución de un programa.

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Esta constituido por 6 indicadores de 7 segmentos de ánodo común conectados a través de 2 circuitos integrados, el 74540 y el 74138.

Circuito de Indicación

Circuito 74LS540

El 74LS540 se utiliza como buffers inversores que suministran la corriente necesaria de los segmentos de los displays.

Tabla de Verdad del 74LS540 Las entradas G2 y G1 se conectan a 0 lógico. Su entrada se conecta a la salida del puerto C del 8255, el cual suministra el código de siete segmentos para los seis displays, en base al control que ejecuta el programa monitor.

Circuito 74LS138 El circuito integrado 74138 es un decodificador que selecciona una de ocho salidas Y0-Y7, en función del código de entrada dado por A, B y C. Su habilitación esta dado por las entradas E1, E2 y E3. Este circuito se conecta para estar habilitado siempre con E1 = E2 = 0 Lógico y E3 = 1 Lógico. En su entrada se utiliza el puerto B para seleccionar uno de los seis indicadores, en base al control que suministra el programa monitor.

Tabla de Verdad del 74LS138 Cada una de las salidas se conecta a la terminal de alimentación de los displays de ánodo común, por medio de transistores de acoplamiento que sirven para manejar las corrientes de alimentación necesarias para encender los leds de los displays. Debido a que el sistema utiliza solo seis displays, se utilizan solo seis salidas Y0 – Y5.

Circuito de Indicación

Sistema Mínimo - Prototipo Circuito del Sistema y Materiales