Circuitera del Sistema MnimoUNIDAD III Arquitectura de Microprocesadores

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

Introduccin

Para intercambiar informacin. 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 informacin.

Introduccin

Para realizar estas funciones se sirve de los buses (serie de conexiones paralelas que cumplen con un mismo fin). El termino mnimo se refiere a utilizar la menor cantidad de componentes para alcanzar la funcin del circuito. Un sistema mnimo es un circuito en base a un microprocesador que ejecuta las operaciones bsicas de una microcomputadora con el menor numero de dispositivos posibles.

Introduccin

Los circuitos que se emplean junto al microprocesador Z80 para implementar un sistema mnimo son: Una fuente de alimentacin de 5 VCD. Un circuito de reloj compatible con TTL. Un circuito de excitacin de memoria. Memoria ROM que contenga el programa monitor. Puertos de entrada/salida para interfaces. El microprocesador Z-80.

Circuitos y el Z80

Integracin del Sistema MnimoExplicacin de las partes que lo forman

Diagrama a Bloques del Sistema Mnimo

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 interaccin con los componentes o elementos externos al sistema y realizar operaciones aritmticas y lgicas.

Bloque CPU Z-80

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

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

Bloques de RELOJ y RESET

El circuito de Seleccin 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 informacin que le manda el microprocesador a travs de los buses de direcciones y de control. Este circuito cuenta con salidas adicionales para conectarle puertos de entrada/salida de expansin para aplicaciones especiales.

Bloque Seleccin de Memoria o Puertos de Entrada/Salida

La memoria ROM constituida por una EPROM contiene el programa monitor que se utiliza como programa de inicio para acondicionar al sistema mnimo para el acceso y control (interno y externo), de los diferentes dispositivos. La memoria RAM por su caracterstica voltil se utiliza para almacenar los programas de aplicacin y desarrollo del sistema.

Bloques Memoria ROM y RAM

El Puerto de E/S es una interfaz que a travs de sus 3 puertos bidireccionales conecta el teclado y el circuito de indicacin con el sistema mnimo. El Teclado es un perifrico de entrada de datos al sistema. El Circuito de indicacin es un perifrico de salida de datos que son indicados a travs de los displays.

Bloques Puertos E/S, Teclado y Circuito de Indicacin

Ejecucin InternaExplicacin de los Ciclos de Mquina y su Relacin con las Instrucciones

Cada instruccin dada para el microprocesador conlleva un ciclo de instruccin. Qu es? Es el tiempo total que tarda el microprocesador en ejecutar alguna instruccin. El tiempo se define por la frecuencia del Microprocesador. Esta formado por varios Ciclos de Mquina. Es un conjunto de pulsos de reloj en los cuales el Microprocesador realiza un proceso.

En que tiempo se Ejecuta?Cmo esta formado?

Qu es un Ciclo de Mquina?

Ciclo de Instruccin

Ejemplo de la Instruccin ADD AEn el siguiente ejemplo el Microprocesador hace la suma de un nmero n al contenido del acumulador A.En

el primer ciclo de Mquina M1, se genera la bsqueda del cdigo de operacin correspondiente a la instruccin ADD.En

el segundo ciclo de mquina M2, se lee en la Memoria de Datos el contenido del acumulador A y el nmero n.En

el tercer ciclo de mquina M3, se realiza en la ALU la suma del nmero n con el contenido del acumulador A.

Es un programa que proporciona acceso y control de todos los dispositivos internos del sistema y de los perifricos que sern conectados externamente. Este programa se valora en cada microprocesador y tiene la funcin del sistema operativo del microprocesador.

Programa Monitor

Los recursos bsicos que proporciona el programa monitor son: a) Inicio de operaciones. b) Reinicio. c) Visualizacin de memorias. d) Visualizacin de recursos. e) Ejecucin. f) Entrada y salida de datos.

Programa Monitor

Componentes del Sistema MnimoCircuitera, Diseo y Materiales de los Componentes

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

Circuito de Reloj

El circuito utilizado es un multivibrador astable formado por dos inversores conectados con dos resistencias de 120 Ohms y un capacitor de 820 picofaradios. La frecuencia esta determinada por el capacitor y del tiempo de respuesta de las compuertas. El 3er inversor es independiente del multivibrador y sirve para estabilizar la seal de reloj. La resistencia de 12 Kohms se utiliza como resistencia de activacin para 5 volts.

Circuito de Reloj

Circuito de RESETCaractersticas de Diseo

Este circuito es uno de los controles ms importantes del sistema, ya que cuando se ejecuta un programa en forma incorrecta esta seal interrumpe la ejecucin del programa con la direccin 0000H, iniciando la carga del programa monitor. Esta reinicializacin del sistema se puede provocar sin tener que apagar la fuente de alimentacin, presionando simplemente el interruptor de RESET.

Circuito de Reset

El circuito utiliza un micro interruptor con un circuito RC y dos inversores 74LS14, que provocan un pequeo retardo permitiendo que se estabilice la tensin de alimentacin en todo el circuito y evitar que existan errores de inicializacin.

Circuito de Reset

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 lgico en la entrada del 1er inversor y en la salida del segundo inversor. Cuando se oprime el micro interruptor el capacitor se descarga presentando un cero lgico suficiente para que el microprocesador active su RESET. El diodo utilizado funciona o sirve para que el capacitor se descargue rpidamente una vez que se ha suspendido la alimentacin de 5 Vcc.

Circuito de Reset

Circuitos Auxiliares del Z80Caractersticas y Diseo

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

Circuitos Auxiliares del Z-80

Cuando la salida del HALT tiene un cero lgico indica que el microprocesador ha ejecutado una instruccin de este tipo y esta esperando una interrupcin antes de que pueda reanudarse la operacin.

Circuito HALT

El circuito de indicacin puede estar conformado por uno o dos inversores, resistencias limitadoras y leds de color rojo y verde. Cuando se tiene corriendo un programa normal se tiene un uno lgico en HALT por lo que se tiene el led verde activado, si se presenta un cero lgico el led rojo encendera indicando el estado de interrupcin.

Circuito HALT

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

Circuitos de Excitacin INT, NMI y WAIT

Cuando se oprime el INT se genera una interrupcin al final de la instruccin que se este ejecutando mandando un 0 lgico a la entrada INT. Cuando se oprime el NMI se genera una interrupcin con prioridad ms alta obligando al Z-80 a reiniciarse en la direccin 0066H. Cuando se oprime el WAIT se inicia un ciclo de espera en el microprocesador.

Circuitos de Excitacin INT, NMI y WAIT

Memoria ROM (EPROM)Caractersticas Fsicas y Elctricas

La memoria ROM es utilizada para almacenar el programa monitor en forma residente.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 Operacin de la EPROM

En el sistema, como la memoria ya va estar grabada con el programa monitor, su funcin va a ser la lectura de este programa. El Bus de datos o de direcciones se conectan directamente. La lectura de la memoria se controla con las entradas CE y OE/Vpp, esta ltima entrada se conecta a la salida RD del Z-80, cuya funcin 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 lgico). En el caso de que l Circuito Especifico de Seleccin sea la memoria EPROM, se utiliza su entrada CE.

Funcin de la EPROM

Si la entrada CE tiene un cero lgico, junto con la seleccin de lectura RD, en el Z-80 se tendrn las condiciones indicadas para la lectura de la memoria EPROM a travs del Bus de datos, esto se efecta por medio del Circuito de Seleccin.

Funcin de la EPROM

Memoria RAMCaractersticas Fsicas y Elctricas

La memoria RAM es utilizada para almacenar informacin del trabajo til, para controlar reas de desplegado de datos y direcciones, y para guardar en forma momentnea los programas de aplicacin. Se utiliza una RAM 6164 que puede almacenar en 8192 direcciones palabras de 8 bits.

Memoria RAM

Terminales de la RAM 6164

En esta memoria, tambin el Bus de Datos y el Bus de Direcciones se conectan directamente a los buses del microprocesador Z80. En la siguiente tabla se observa que la entrada CS2 no tiene ninguna funcin cuando el circuito este trabajando por lo que se conecta a Vcc, esta entrada deshabilita a la memoria RAM cuando se presenta un 0 lgico en ella.

Tabla de Caractersticas

Para la seleccin de la lectura se conecta OE a la salida RD del Z-80. 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 producindose as, la lectura de datos. 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

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 lgico aunado con la seleccin de escritura o lectura (WE), en la RAM se tendrn las condiciones para la operacin de la memoria.

Lectura y Escritura en la RAM

Puerto de Entrada y SalidaCaractersticas Fsicas y Elctricas

El puerto de entrada/salida es el circuito integrado 8255, el cual es un puerto de entrada/salida paralelo de propsito general. Inicialmente diseado para usarse con el microprocesador 8080. Tiene 40 terminales, es de tecnologa NMOS, compatible con TTL y se alimenta con 5 VCD.

Puerto de Entrada/Salida

Terminales del 8255

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 aplicacin, para transferir datos bidireccionales (entrada de datos lectura y salida de datos escritura) entre los perifricos y el Bus de datos D0 D7 del microprocesador. En el caso del sistema mnimo, se aprovechan los tres puertos:a) El puerto A para entrada de datos, va el teclado. b) Los puertos B y C como salidas para el circuito de indicacin.

Concepto

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

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

Concepto

Por medio de las entradas A1 y A0, el 8255 selecciona el puerto A, B o C. La entrada CS se activa con 0 lgico y habilita el 8255 para que funcione como se muestra en la tabla siguiente.

Tabla de Caractersticas

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 travs de un inversor a la entrada RST del microprocesador.

Para que el 8255 se habilite se efecta por medio de la entrada CS. Si dicha entrada tiene un 0 lgico, se tendrn las condiciones para la entrada o salida de datos a travs del 8255, segn sea el valor de las dems entradas de control. La habilitacin de CS se efecta tambin a travs del circuito de seleccin.

Conexin del 8255

Circuito de Seleccin de Memoria o Puertos de Entrada/SalidaCaractersticas Fsicas y Elctricas

El Circuito Selector, es el encargado de indicar cuando se va ha utilizar la EPROM, la RAM o los puertos de E/S. En el Sistema Mnimo se usan las mismas lneas de direccin para interconectar las dos memorias y los puertos de Entrada/Salida. Para entender como se realiza la seleccin de puertos E/S y de las memorias, es necesario analizarlo por separado.

Circuito Selector de Memoria o Puertos de E/S

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

Caractersticas EPROM y RAM

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

Mapa de Memorias

En la tabla anterior se muestra que la memoria EPROM y RAM abarcan las direcciones 0000 0FFF y la 2000 - 3FFF respectivamente. Si se realiza una tabla de las direcciones (A0A14) ocupadas en hexadecimal, en especial de las 3 ltimas direcciones (A12, A13 y A14) en binario se tiene:

Direccionamiento

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

Seleccin del Tipo de Memoria

El C.I. 74LS139, se utiliza para la seleccin de las memorias y los puertos de E/S. Cuenta con dos decodificadores independientes X e Y, que seleccionan una de cuatro salidas negadas Ax o Ay, de acuerdo a la combinacin de las entradas de seleccin X o Y.

Circuito 74LS139

Terminales del 74LS139

Tabla de Verdad del 74LS139

El decodificador X se aprovecha para la seleccin de la memoria. Se conectan las direcciones A14 y A13 a las entradas X1 y X0 respectivamente. Las salidas Ax0 a la entrada CE de la memoria EPROM y la salida Ax1 a la entrada CS1 de la memoria RAM. De esta forma se obtiene la seleccin de la entrada en el mapa de memoria visto anteriormente.

Terminales de Conexin

Conexin del Circuito de Seleccin de MemoriaPara la habilitacin 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 direccin o que esta listo para una operacin de escritura o de lectura. El circuito de seleccin de memoria se muestra en la figura.

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.

Ampliacin de memoria

La seleccin del puerto E/S se realiza con el decodificador Y a travs de la conexin de A3 y A2 a las entradas Y1 e Y0 respectivamente. La salida Ay0 se conecta a la entrada CS del 8255. La habilitacin de la terminal Ey del 74LS139 se realiza con la conexin de la salida de control IORQ del microprocesador Z-80 la cual indica que el Bus de direcciones retiene una direccin valida para una operacin de E/S de datos del puerto 8255.

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

Circuito de Seleccin de Puertos de Entrada/Salida

Circuito de Seleccin de Puertos de Entrada/Salida

Circuito de Seleccin de Memorias

Circuito de Seleccin de Puertos de E/S

Conexin del Circuito 74LS139

TecladoCaractersticas y Conexin

Teclado

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

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

Funcionamiento del TecladoCuando se enva por A12 un 1 lgico se complementa con el inversor, haciendo que toda la fila presente un 0 lgico y el resto un 1 lgico. S 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 sincrona, el puerto manda un cdigo de entrada que es reconocido por el microprocesador.

Circuito de IndicacinCaractersticas, Funcionamiento y Diseo

Este circuito es el perifrico de salida del sistema que muestra las direcciones, los cdigos de maquina y los datos que presentan los diferentes registros del microprocesador durante la ejecucin de un programa. Esta constituido por 6 indicadores de 7 segmentos de nodo comn conectados a travs de 2 circuitos integrados, el 74540 y el 74138.

Circuito de Indicacin

Circuito 74LS540

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

Tabla de Verdad del 74LS540Las entradas G2 y G1 se conectan a 0 lgico. Su entrada se conecta a la salida del puerto C del 8255, el cual suministra el cdigo de siete segmentos para los seis displays, en base al control que ejecuta el programa monitor.

Circuito 74LS138El circuito integrado 74138 es un decodificador que selecciona una de ocho salidas Y0-Y7, en funcin del cdigo de entrada dado por A, B y C. Su habilitacin esta dado por las entradas E1, E2 y E3. Este circuito se conecta para estar habilitado siempre con E1 = E2 = 0 Lgico y E3 = 1 Lgico. 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 74LS138Cada una de las salidas se conecta a la terminal de alimentacin de los displays de nodo comn, por medio de transistores de acoplamiento que sirven para manejar las corrientes de alimentacin 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 Indicacin

Sistema Mnimo - PrototipoCircuito del Sistema y Materiales