Reischl

Reischl/Reischl.tex

@@ -82,13 +82,13 @@ Für den Reset muss ein Impuls mit einer minimalen Pulsbreite von 3 Taktzyklen e
 \fig{z80-cpu-bsb}{Z80 CPU Blockschaltbild}{CPU Blockschaltbild}{\textwidth}{Reischl/img/z80-cpu-bsb}
 Die Z80 CPU ist ein 8-Bit-Mikroprozessor, der von Zilog aufbauend auf dem Intel 8080 entwickelt wurde. Der Mikroprozessor basiert auf einer Von-Neumann Architektur und ist als CISC-Maschine (Complex Instruction Set Computer) ausgeführt.
 
-Die Architektur besteht aus Steuerwerk, Registerbank und Recheneinheit. Das Steuerwerk setzt sich aus dem Befehlsregister zum Abspeichern des auszuführenden Befehls, dem Decoder zum Entschlüsseln des in Hex-Code abgespeicherten Befehls und dem Controller Sequencer zum Erzeugen von Steuersignalen zusammen. Die Registerbank besteht aus 6 8-Bit-Universalregistern und speziellen Registern wie Akkumulator, Flagregister, Stackpointer und Program Counter. Die Spiegelung der Universalregister wird für bestimmte Befehle wie etwa Interrupts benötigt, wo der Letztstand vor dem Auslösen eines Interrupts nicht extra im Speicher abgelegt werden muss. Die Ausführung der Befehle erfolgt durch die Recheneinheit, deren zentrales Element die ALU, die Arithmetic Logic Unit, bildet.
+Die Architektur besteht aus Steuerwerk, Registerbank und Recheneinheit. Das Steuerwerk setzt sich aus dem Befehlsregister zum Abspeichern des auszuführenden Befehls, dem Decoder zum Entschlüsseln des in Hex-Code abgespeicherten Befehls und dem Controller Sequencer zum Erzeugen von Steuersignalen zusammen. Die Registerbank besteht aus sechs 8 Bit Universalregistern und speziellen Registern wie Akkumulator, Flagregister, Stackpointer und Program Counter. Die Spiegelung der Universalregister wird für bestimmte Befehle wie etwa Interrupts benötigt, wo der Letztstand vor dem Auslösen eines Interrupts nicht extra im Speicher abgelegt werden muss. Die Ausführung der Befehle erfolgt durch die Recheneinheit, deren zentrales Element die ALU, die Arithmetic Logic Unit, bildet.
 
 Die Kommunikation mit der Peripherie erfolgt über einen 16 Bit-Adressbus, einen 8 Bit breiten Datenbus und den Steuerbus, welcher im obigen Bild als Kontrollbus bezeichnet wird. Der Speicher wird für Programmcode und Daten gleichzeitig genutzt, gleiches gilt für den Datenbus.
 
 Die Programmierung des Z80 erfolgt in einer Assemblersprache. Der Befehlssatz für die Z80 CPU umfasst maximal 256 Befehle, von denen 252 genutzt werden. Die übliche Länge eines Befehls bewegt sich im Bereich von einem bis vier Byte, die Ausführung eines solchen Befehls nimmt eine je nach Art des Befehls im Regelfall einen Zeitraum zwischen einem und 5 Zyklen in Anspruch.
 
-Die verwendete Halbleitertechnologie ist üblicherweise CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Technologie, ursprünglich wurde NMOS (N-type Metal-Oxide Semiconductor) - und TTL (Transistor-Transistor Logik)-Technologie verwendet. Besitzt der Baustein ein C in seiner Bezeichnung, so handelt es sich um CMOS-Technologie. Alle auf Feldeffekttransistoren basierenden Baugruppen sind TTL-kompatibel.
+Die verwendete Halbleitertechnologie ist üblicherweise CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - Technologie, ursprünglich wurde NMOS (N-type Metal-Oxide Semiconductor) - und TTL (Transistor-Transistor Logik) - Technologie verwendet. Besitzt der Baustein ein C in seiner Bezeichnung, so handelt es sich um CMOS-Technologie. Alle auf Feldeffekttransistoren basierenden Baugruppen sind TTL-kompatibel.
 
 \subsubsection{CE-Logik}
 \fig{z80-ce-bsb}{Z80 CE-Logik Blockschaltbild}{CE-Logik - 74LS244 Decoder Blockschaltbild}{0.5\textwidth}{Reischl/img/z80-ce-bsb}
@@ -98,7 +98,7 @@ Der Decoder für den Speicher ermittelt anhand des 16. Bits des Adressbusses, ob
 
 Der zweite Decoder ist für die Peripherie zuständig Anhand des 7. und 8. Bits des Adressbusses wird bei 00 der CTC, bei 01 der SIO, bei 10 der PIO und bei 11 der DMA Controller aktiviert. Hier gilt wiederum, dass der Decoder für die Peripherie erstdurch den I/O Request enabled werden muss.
 
-Anmerkung: Da alle ein- und Ausgänge des Datenbusses invertiert sind, handelt es sich bei logisch 1 um einen Low-Pegel und bei logisch 0 um einen High-Pegel.
+Anmerkung: Da sowohl der Datenbus als auch der Adressbus mit einer negativen Logik arbeiten handelt es sich bei logisch 1 um einen Low-Pegel und bei logisch 0 um einen High-Pegel.
 \tabpdf{z80-ce-wahrheit}{Z80 Wahrheitstabelle Demultiplexer}{Wahrheitstabelle Demultiplexer}{0.75\textwidth}{Reischl/img/z80-ce-wahr}
 
 \subsubsection{PIO -- Parallel Input/Output Controller}
@@ -131,7 +131,7 @@ Der Port B des Parallel Input/Output Controllers soll als Output für die Ausgab
 \fig{z80-sio-bsb}{Z80 SIO Blockschaltbild}{SIO Blockschaltbild \cite{z80:sio}}{\textwidth}{Reischl/img/z80-sio-bsb}
 Der SIO dient dazu, dass die Z80 CPU über serielle Schnittstellen Daten austauschen kann. Der Baustein wurde von Zilog entwickelt und trägt die Bezeichnung Z84C40, das verwendete Modell Z84C4006. Der Serial Input/Output Controller verfügt über 2 Kanäle, es können also bis zu 2 serielle Schnittstellen genutzt werden. Als Seriell/Parallel-Parallel/Seriell Konverter kann der SIO synchrone als auch asynchrone Protokolle verarbeiten. Weiters besitzt der SIO die Fähigkeit, Interrupts auszulösen.
 
-Adressiert werden kann beim SIO nur für jeden Kanal ein Daten- und ein Steuerregister (Cannel A/B Data/Control Register).
+Adressiert werden kann beim SIO nur für jeden Kanal ein Daten- und ein Steuerregister (Channel A/B Data/Control Register).
 
 \subsubsubsection{Konfiguration}
 Da die Konfiguration des SIO recht umfangreich ist und somit den Rahmen der Dokumentation sprengen würde, muss an dieser Stelle auf die vorgegebene Konfiguration in den Beispielprogrammen und auf das Z80 Peripherals User Manual verwiesen werden.
@@ -198,7 +198,7 @@ Der SIO nutzt den Datenbus dafür, um zu übermitteln, welcher Port (AD0: 0=A; 1
 
 \subsubsubsection{Blockschaltbild und Funktionsbeschreibung}
 \fig{z80-ctc-bsb}{Z80 CTC Blockschaltbild}{CTC Blockschaltbild \cite{z80:ctc}}{\textwidth}{Reischl/img/z80-ctc-bsb}
-Beim Counter Timer Circuit handelt es sich um einen Baustein für die Steuerung von zeitabhängigen Vorgängen. Der Z80 CTC trägt die generelle Bezeichnung Z84C30, der verwendete IC heißt 84C3006PEG. Der CTC stellt grundsätzlich 3 verschiedene Funktionen bereit, nämlich den Betrieb als Zähler, als Counter und die Fähigkeit, Interrupts auszulösen. Intern verfügt der Counter Timer Circuit über insgesamt 4 voneinander unabhängige Kanäle. Jeder Kanal besteht aus einem Zähler, der als Zähler und als Time betrieben werden kann. Für die Konfiguration und die Steuerung der internen Abläufe ist die Steuerlogik zuständig, das Interrupt Handling und das Erzeugen solcher wird durch die Interrupt Logik vorgenommen.
+Beim Counter Timer Circuit handelt es sich um einen Baustein für die Steuerung von zeitabhängigen Vorgängen. Der Z80 CTC trägt die generelle Bezeichnung Z84C30, der verwendete IC heißt 84C3006PEG. Der CTC stellt grundsätzlich 3 verschiedene Funktionen bereit, nämlich den Betrieb als Zähler, als Counter und die Fähigkeit, Interrupts auszulösen. Intern verfügt der Counter Timer Circuit über insgesamt 4 voneinander unabhängige Kanäle. Jeder Kanal besteht aus einem Zähler, der als Zähler und als Time betrieben werden kann. Für die Konfiguration und die Steuerung der internen Abläufe ist die Steuerlogik zuständig, das Interrupt Handling und das Erzeugen solcher wird durch die Interrupt-Logik vorgenommen.
 
 Als Zähler arbeitet das System synchron mit dem Systemtakt. Die höchstmögliche Zählfrequenz entspricht der Frequenz des Systemtaktes. Der Zähler ist ein Downcounter wird 0 erreicht, wird je nach Konfiguration der Inhalt des Zeitkonstantenregisters (Time Constant Register, siehe Aufbau eines CTC-Kanals) neu geladen und ein Interrupt ausgelöst. So wie der Zähler neben dem Systemtakt auch Ereignisse am Pin TRGx des jeweiligen Kanals zählen kann, kann auch im Timerbetrieb dieser Eingang genutzt werden, um den Timer zu starten. Auf das Signal am Pin TRGx des jeweiligen Kanals wird also getriggert. Der Timer zählt die Impulse des Systemtakts nach dem Prescaler, der den Takt entweder um den Faktor 16 oder 256 teilt. Beim Nulldurchgang des Zählers wird der Downcounter des Timers aus dem Zeitkonstantenregister neu geladen, ein Signal am Pin ZC/TOx des jeweiligen Kanals erzeugt und bei Bedarf ein Interrupt generiert.
 
@@ -222,7 +222,7 @@ In dieser Anwendung wird nur der Kanal A konfiguriert:
 
 \subsubsubsection{Verbindung des Timerbausteins mit der CPU}
 \fig{z80-zeit}{Z80 Zeitabhängige Vorgänge}{Zeitabhängige Vorgänge}{\textwidth}{Reischl/img/z80-zeit}
-Der Counter-Timer-Circuit kann sowohl als Timer als auch als Zähler eingesetzt werden. Er besitzt 3 Kanäle, von denen jeder über einen Timer verfügt. Dieser Timer kann sowol als Timer als auch als Zähler genutzt werden. Jeder Kanal einen Eingang CKT/TRGx auf den getriggert werden kann. Im Timer Mode kann der Timer durch diesen Triggereingang gestartet werden und im Counter Mode können dort auftretende Imulse gezählt werden. Jeder Kanal besitzt ein 3 Byte großes Schieberegister zur Konfiguration, welches über die Adressleitungen A0 und A1 adressiert werden kann. Die Adressen für das Z80 Minimalsystem lauten 00 für den Kanal 1 bis 03 für den Kanal 4. als Eingang für den Zähler oder Start für den Timer genutzt werden kann.
+Der Counter-Timer-Circuit kann sowohl als Timer als auch als Zähler eingesetzt werden. Er besitzt 3 Kanäle, von denen jeder über einen Timer verfügt. Dieser Timer kann sowohl als Timer als auch als Zähler genutzt werden. Jeder Kanal einen Eingang CKT/TRGx auf den getriggert werden kann. Im Timer Mode kann der Timer durch diesen Triggereingang gestartet werden und im Counter Mode können dort auftretende Imulse gezählt werden. Jeder Kanal besitzt ein 3 Byte großes Schieberegister zur Konfiguration, welches über die Adressleitungen A0 und A1 adressiert werden kann. Die Adressen für das Z80 Minimalsystem lauten 00 für den Kanal 1 bis 03 für den Kanal 4. als Eingang für den Zähler oder Start für den Timer genutzt werden kann.
 
 \subsubsection{EEPROM -- Erasable Programmable ReadOnly Memory}
 \subsubsubsection{Pinning}
@@ -242,7 +242,7 @@ Der SRAM ist ebenfalls wie der EPROM 32kiB groß und als 32k x 8 Bit Speicher or
 
 \subsubsection{Verbindung des Speichers mit der CPU}
 \fig{z80-speicher}{Z80 Speicheraufbau}{Speicheraufbau}{\textwidth}{Reischl/img/z80-speicher}
-Die Speicher (32kx 8 EPROM und 32k x 8 SRAM) sind in erster Linie über den Daten- und den Adressbus mit der CPU verbunden. Die byteweise Adressierung der Speicherzellen erfolgt über 15 der 16 Bit des Adressbusses (AD0 bis AD14), das 16. Bit (AD15) wird von der Chip-Enable-Logik verwendet. Liegt am Eingang des CE-Decoders 0 in Kombination mit einem Memory Request (MREQ) an, wird der CE-Eingang des EPROMS aktiviert, bei 1 wird vom Decoder der CE-Eingang des SRAMs (SRAMEN bzw. CE) aktiv. Wie im Timing ersichtlich ist Verbindung mit dem Datenbus aber erst dann vorhanden, wenn die CPU ein READ (RD) für einen Lesevorgang oder ein WRITE (WR) für einen Schreibvorgang erzeugt. Diese Signale bewirken ein Output Enalbe bzw. ein Write Enable.
+Die Speicher (32k x 8 EPROM und 32k x 8 SRAM) sind in erster Linie über den Daten- und den Adressbus mit der CPU verbunden. Die byteweise Adressierung der Speicherzellen erfolgt über 15 der 16 Bit des Adressbusses (AD0 bis AD14), das 16. Bit (AD15) wird von der Chip-Enable-Logik verwendet. Liegt am Eingang des CE-Decoders 0 in Kombination mit einem Memory Request (MREQ) an, wird der CE-Eingang des EPROMS aktiviert, bei 1 wird vom Decoder der CE-Eingang des SRAMs (SRAMEN bzw. CE) aktiv. Wie im Timing ersichtlich ist Verbindung mit dem Datenbus aber erst dann vorhanden, wenn die CPU ein READ (RD) für einen Lesevorgang oder ein WRITE (WR) für einen Schreibvorgang erzeugt. Diese Signale bewirken ein Output Enable bzw. ein Write Enable.
 \fig{z80-eprom-timing}{Z80 EPROM Timing}{EPROM Timing}{\textwidth}{Reischl/img/z80-eprom-timing}
 
 \subsubsection{DMA-Controller -- Direct Memory Access Controller}
@@ -283,9 +283,9 @@ Da alle Eingänge der Busse als Pull-Up Eingänge ausgeführt sind, ist es notwe
 
 \subsubsection{Daisy Chain}
 \fig{z80-daisy}{Z80 Daisy Chain}{Daisy Chain}{0.5\textwidth}{Reischl/img/z80-daisy}
-Unter Daisy Chain versteht man das Hintereinanderschalten von Bausteinen in einer Kette zur Priorisierung von Interrupts. Das Peripheriegerät mit der höchsten Priorität, in diesem Fall der DMA Controller, steht am Beginn der Kette. Der Interrupt Enable Input (IEI) ist in diesem Fall immer High, was durch einen Pull-Up Widerstand garantiert wird. Falls der DMA Controller einen Interrupt auslösen will, wird der Ausgang, welcher mit der INT des Prozessors verbunden ist, auf einen Low-Pegel gelegt. Der DMA Controller keinen Interrupt auslösen, legt er seinen Interupt Enable Output (IEO) auf High und erlaubt damit den nachfolgenden Geräten, einen Interrupt auszulösen. Die Position in der Kette bestimmt dadurch die Priorität des Geräts. Löst ein Gerät hoher Priorität einen Interrupt aus, werden die Anforderungen für einen Interrupt der Bausteine mit niedrigerer Priorität nur gespeichert. Die einzelnen Geräte horchen am Datenbus mit und beim Befehl RETI wird das auslösende Interrupt Flag automatisch gelöscht.
+Unter Daisy Chain versteht man das Hintereinanderschalten von Bausteinen in einer Kette zur Priorisierung von Interrupts. Das Peripheriegerät mit der höchsten Priorität, in diesem Fall der DMA Controller, steht am Beginn der Kette. Der Interrupt Enable Input (IEI) ist in diesem Fall immer High, was durch einen Pull-Up Widerstand garantiert wird. Falls der DMA Controller einen Interrupt auslösen will, wird der Ausgang, welcher mit der INT des Prozessors verbunden ist, auf einen Low-Pegel gelegt. Der DMA Controller keinen Interrupt auslösen, legt er seinen Interrupt Enable Output (IEO) auf High und erlaubt damit den nachfolgenden Geräten, einen Interrupt auszulösen. Die Position in der Kette bestimmt dadurch die Priorität des Geräts. Löst ein Gerät hoher Priorität einen Interrupt aus, werden die Anforderungen für einen Interrupt der Bausteine mit niedrigerer Priorität nur gespeichert. Die einzelnen Geräte horchen am Datenbus mit und beim Befehl RETI wird das auslösende Interrupt Flag automatisch gelöscht.
 
-Anmerkung: Die Interrupt-Priorisierung arbeitet mit nicht invertierter, also high-aktiver Logik. Im Gegensatz dazu ist der INT-Eingang des Prozessors invertiert und damit low-aktiv.
+Anmerkung: Die Interrupt-Priorisierung arbeitet mit nicht invertierter, also high-aktiver bzw. positiver Logik. Im Gegensatz dazu ist der INT-Eingang des Prozessors invertiert und damit low-aktiv bzw. es handelt sich um negative Logik.
 
 \subsubsection{Gesamtschaltung}
 \fig{z80-pcb}{Z80 PCB}{PCB}{\textwidth}{Reischl/img/z80-pcb}
@@ -308,12 +308,12 @@ Anmerkung: Die Interrupt-Priorisierung arbeitet mit nicht invertierter, also hig
 
 \subsection{Verbesserungen im Vergleich zur Version 4.5}
 \subsubsection{Spannungsversorgung}
-Im Vergleich zu den Vorgängerversionen wurde die Spannungsversorgung stark modifiziert. Beim Z80 Minimalsystem V4.5 wurde eine Leiterbahnbreite von unter 25 Mil = 0,64mm für die Versorgungsleitungen vorgesehen, welche bei der Verwendung alter TTL-Komponenten, wo der Stromverbrauch abhängig vom angewendeten Programm 400 bis zu 440 mA beträgt, zu einem Spannungsabfall von 0,6V zwischen Linearregler und 5V Pin der CPU führten. Es konnte das in den Datenblättern der Z80-spezifischen Komponenten vorgegebenen Minimum von 4,75V nicht erreicht werden. Der gemessene Spannungswert an den herausgeführten Pins der CPU ergab eine Spannungsdifferenz von minimal 4,35V zwischen VCC und GND. Bei der aktuellen Version 4.9 sind die Leiterbahnen für 5V und Ground mit mindestens 50 mil Breite ausgeführt, ebenso ist anstelle der Schottky-Diode, welche als zusätzlicher Verpolungsschutz dient, eine Parallelschaltung zweier Schottky-Dioden zur Minimierung der Spannung an der Diode in Verwendung. Als Ergebnis dieser Überdimensionierung erhält man eine Versorgungsspannung von mindestens 4,75V an den Versorgungspins der CPU, auch dann, wenn TTL- anstatt CMOS- oder NMOS-Technologie eingesetzt wird.
+Im Vergleich zu den Vorgängerversionen wurde die Spannungsversorgung stark modifiziert. Beim Z80 Minimalsystem V4.5 wurde eine Leiterbahnbreite von unter 25 mil = 0,64mm für die Versorgungsleitungen vorgesehen, welche bei der Verwendung alter TTL-Komponenten, wo der Stromverbrauch abhängig vom angewendeten Programm 400 bis zu 440 mA beträgt, zu einem Spannungsabfall von 0,6V zwischen Linearregler und 5V Pin der CPU führten. Es konnte das in den Datenblättern der Z80-spezifischen Komponenten vorgegebenen Minimum von 4,75V nicht erreicht werden. Der gemessene Spannungswert an den herausgeführten Pins der CPU ergab eine Spannungsdifferenz von minimal 4,35V zwischen VCC und GND. Bei der aktuellen Version 4.9 sind die Leiterbahnen für 5V und Ground mit mindestens 50 mil Breite ausgeführt, ebenso ist anstelle der Schottky-Diode, welche als zusätzlicher Verpolungsschutz dient, eine Parallelschaltung zweier Schottky-Dioden zur Minimierung der Spannung an der Diode in Verwendung. Als Ergebnis dieser Überdimensionierung erhält man eine Versorgungsspannung von mindestens 4,75V an den Versorgungspins der CPU, auch dann, wenn TTL- anstatt CMOS- oder NMOS-Technologie eingesetzt wird.
 
 Neben sehr vielen kleineren Änderungen sollte auch der Wechsel von Micro USB auf USB Typ B erwähnt werden. Durch diese Änderung wird die mechanische Stabilität des Steckers wesentliche verbessert und dadurch Störfälle minimiert.
 
 \subsubsection{Reset}
-Der Reset wurde ursprünglich ohne die Verwendung eines RC-Gliedes zur Stabilisierung des Signals beschaltet, was sehr viele kurze Störimpulse durch das Prellen des Schalters und dadurch einen unvollständigen Reset zur Folge hatte. Nunmehr ergibt ich durch den Kondensator C9 parallel zum Reset-Taster ein für den Ladevorgang eines Kondesators typischer Spannungsverlauf, der einer Exponentialfunktion entspricht und frei von Störimpulsen ist. Mithilfe des Schmitt-Triggers wird eine diskrete Schaltschwelle geschaffen und die Flankensteilheit des Impulses erhöht, sodass dieser für digitale Eingänge nutzbar wird.
+Der Reset wurde ursprünglich ohne die Verwendung eines RC-Gliedes zur Stabilisierung des Signals beschaltet, was sehr viele kurze Störimpulse durch das Prellen des Schalters und dadurch einen unvollständigen Reset zur Folge hatte. Nunmehr ergibt ich durch den Kondensator C9 parallel zum Reset-Taster ein für den Ladevorgang eines Kondensators typischer Spannungsverlauf, der einer Exponentialfunktion entspricht und frei von Störimpulsen ist. Mithilfe des Schmitt-Triggers wird eine diskrete Schaltschwelle geschaffen und die Flankensteilheit des Impulses erhöht, sodass dieser für digitale Eingänge nutzbar wird.
 
 \fig{z80-reset-oszi}{Z80 Resetimpuls am Taster S2}{Resetimpuls am Taster S2}{0.75\textwidth}{Reischl/img/z80-reset-oszi}
 \fig{z80-reset-cpu-oszi}{Z80 Taktsignal und Reset an der CPU}{Taktsignal und Reset an der CPU}{0.75\textwidth}{Reischl/img/z80-reset-cpu-oszi}