1. Anhang - G. Heinrichs´ Homepage

Burkhard John
Der
Modellrechner
Eine Reise ins Innerste eines
Computers
Technisches Handbuch Teil 1
7/95
1

Inhaltsverzeichnis
WOZU BRAUCHE ICH EINEN "RECHNER ZUM ANFASSEN"? .................................................5
DIE BAUSTEINE DES MODELLRECHNERS ....................................................................................7
DIE PLATINEN..........................................................................................................................................7
DIE STECKVERBINDER................................................................................................................................7
DIE WIDERSTÄNDE....................................................................................................................................7
DIE DIODEN.............................................................................................................................................7
DIE LEUCHTDIODEN (LED)......................................................................................................................8
DIE KONDENSATOREN................................................................................................................................8
DER TRANSISTOR......................................................................................................................................8
DIE SCHALTER UND TASTER.......................................................................................................................9
DIE DIL -SCHALTER..................................................................................................................................9
DIE SCHIEBESCHALTER.................................................................................................................................9
DIE TASTER...............................................................................................................................................9
WAS SIND INTEGRIERTE SCHALTUNGEN, IC'S, CHIPS?...................................................................................9
DIE IC-FASSUNGEN................................................................................................................................10
DER SPANNUNGSSTABILISATOR 78S05.......................................................................................................10
DER TAKTGEBER NE555........................................................................................................................10
DIE TTL-TECHNIK................................................................................................................................10
DER CHIP 74LS00...................................................................................................................................11
DER CHIP 74LS04...................................................................................................................................11
DER CHIP 74LS386.................................................................................................................................11
DER CHIP 74LS32..................................................................................................................................11
DER CHIP 74LS28...................................................................................................................................12
DER CHIP 74LS27..................................................................................................................................12
DER CHIP 74LS540.................................................................................................................................12
DER CHIP 74LS541................................................................................................................................13
DER CHIP 74ALS573.............................................................................................................................13
DER CHIP 74ALS574.............................................................................................................................13
DER CHIP 74LS74..................................................................................................................................13
DER CHIP 74LS688.................................................................................................................................14
DER CHIP 74LS382.................................................................................................................................14
DER CHIP 74LS595................................................................................................................................14
DER CHIP 74LS597................................................................................................................................15
DER CHIP 74LS197................................................................................................................................15
DER CHIP 74LS169................................................................................................................................15
DER CHIP 74LS283.................................................................................................................................15
DER SPEICHER 6116 BZW. 6216..............................................................................................................16
DER EPROM 27C256.........................................................................................................................16
DAS RECHENWERK ............................................................................................................................17
DAS EINGANGSTOR, AKKU UND REGISTER B..............................................................................................17
DIE ALU.............................................................................................................................................. 18
2

DAS ZERO-BIT.......................................................................................................................................18
DAS CARRY-BIT.....................................................................................................................................19
DIE STEUERUNG DER TORE UND REGISTER.................................................................................................19
DIE SIGNALANZEIGE................................................................................................................................19
DIE SCHALTERPLATINE ...................................................................................................................20
DER DATENBUS.......................................................................................................................................20
DIE ADRESSEINGABE................................................................................................................................20
DIE STEUERSCHALTER.............................................................................................................................21
DIE SPEICHERPLATINE .....................................................................................................................23
DER SPEICHER........................................................................................................................................23
DIE HANDSTEUERUNG..............................................................................................................................23
DIE ADRESSEINGABE................................................................................................................................24
DIE DATENEINGABE.................................................................................................................................24
DIE PC-STEUERUNG...............................................................................................................................24
DIE STROMVERSORGUNG ..............................................................................................................25
DIE FEHLERSUCHE .............................................................................................................................26
GRUNDFUNKTIONSPRÜFUNG.......................................................................................................................26
TEST DER SCHALTERPLATINE....................................................................................................................26
TEST DER LEDS AUF DEM EXTERNEN DATENBUS.........................................................................................26
SCHALTERTEST..........................................................................................................................................26
DER ADRESSSCHALTER..............................................................................................................................26
TEST DER ADRESSEN- UND DATENEINGABE MITTELS SCHALTER IN DEN SPEICHER ...........................................27
TEST DER ADRESSENEINGABE.....................................................................................................................27
TEST DER DATENEINGABE.........................................................................................................................27
TEST DER DATENSPEICHERUNG...................................................................................................................27
WRITE-FUNKTION..................................................................................................................................27
READ-FUNKTION....................................................................................................................................27
ÜBERPRÜFUNG WEITERER FUNKTIONEN........................................................................................................27
ABSCHLIESSENDE ÜBERPRÜFUNG.................................................................................................................28
TEST DES RECHENWERKES.......................................................................................................................28
DAS SIMULATIONSPROGRAMM MODELL.EXE ......................................................................29
ANHANG ...............................................................................................................................................31
PINBELEGUNGEN DER STECKERLEISTEN .....................................................................................................31
DATENBUS...............................................................................................................................................31
ADRESSBUS UND STEUERBUS......................................................................................................................32
STEUERBUS ZWISCHEN RECHENWERK UND STEUERWERK................................................................................33
BLOCKSCHALTBILDER, SCHALTBILDER UND BESTÜCKUNGSPLÄNE..................................................................34
3

BLOCKSCHALTBILDER.................................................................................................................................34
SCHALTBILDER..........................................................................................................................................34
BESTÜCKUNGSPLÄNE..................................................................................................................................34
4

Wozu brauche ich einen "Rechner zum Anfassen"?
Wozu brauche ich einen "Rechner zum Anfassen"?
"Setze ich mich doch einfach vor meinen "686...er", reiße die Fenster auf und genieße die warmen Strahlen der
kleinen weichen Softwaresonne aus Kalifornien oder beiße mal kräftig in meinen Apfel. Nutze ich doch die
Möglichkeiten, die mir die Softwareindustrie bietet und interessiere ich mich doch mehr für den Inhalt und die
Form meiner Arbeit, als mich um das Schieben irgendwelcher Bits zu kümmern !"
Für den beruflichen Alltag ist das sicher eine gesunde Einstellung. Vordergründige Folgerung für die Arbeit im
Fach Informatik in der Schule: Bringt den Schülern die Handhabung dieses oder jenes Softwarepaketes bis zur
Perfektion bei. Die späteren Arbeitgeber reiben sich schon heute die Hände.
Ganz so ist es glücklicherweise in der Schulinformatik nicht. Ihr Ziel muß sein, den Schülern Kenntnisse über die
Grundlagen der Informatik zu vermitteln. Die Schüler auf die Beherrschung eines zur Zeit modernen
Softwareproduktes zu trainieren ist Unsinn. In ein paar Jahren, wenn sie die Schule verlassen haben, ist diese
Software aus der Mode, und die ganze Mühe war umsonst.
Bisher liegt in der Schulinformatik der Schwerpunkt eindeutig bei dem Umgang mit
Software und den Prinzipien ihrer Entwicklung. Darüber wird häufig das Verständnis
der Rechnerstrukturen vernachlässigt, ohne das der Informatik die Basis fehlt. Die
Kenntnis der grundlegenden Arbeitsweise einer Datenverarbeitungsanlage vermindert
die Angst vor dieser Technologie, schärft aber auch den Blick dafür, daß diese
Technologie Grenzen hat. Man könnte meinen, diese Kenntnisse ließen sich doch
vollständig durch Simulationen vermitteln, dann entfiele der lästige Umgang mit den
schweren, unhandlichen Geräten, es könne jeder Schüler an seinem Arbeitsplatz
beliebig damit experimentieren. Leider macht ein Schüler bei einem solchen Vorgehen
keine direkten Erfahrungen mit dem Lerngegenstand. So passiv lernt ein heutiger
Schüler ohnehin in erheblichem Maße. Die Lernerfahrung ist wesentlich tiefer, wenn er
sich die Kenntnisse durch eigenes Handeln am Original aneignen kann.
PCs der 1. Generation
Auf dem Markt gibt es das eine oder andere System, mit dem sich die Grundlagen der Mikroprozessortechnik
vermitteln lassen. Diese Systeme bleiben allerdings im Ansatz stecken. Sie realisieren nur das Rechenwerk und die
Steuerung durch Schalter. Manchmal ist ein einfaches Steuerwerk vorhanden, auf dem sich einige Befehle
programmieren lassen. Die Systeme sind mit vier Bit Datenbreite ausgelegt. Durch ihre Einfachheit sind sie nur für
die ersten Anfänge mit einfachsten Rechnungen zu gebrauchen. Auf einem Adreßbereich von 16 Plätzen ist kein
nennenswertes Programm mit seinen Daten unterzubringen. Die Anzahl der Befehle ist auf 16 begrenzt. Sinnvolle
verzweigte Programme, bei denen mehr als ein Speicherplatz übersprungen wird, sind wegen des zu kleinen
Speicherplatzes nicht möglich. Verschiedene Adressierungsarten über Indexregister lassen sich nicht darstellen,
und an einen Stack ist nicht zu denken. Es fehlen also wesentliche Elemente der Assemblerprogrammierung. Erst
diese Elemente machen einen Mikroprozessor zu einem flexiblen Bauelement. Hier muß dann doch ein
Simulationsprogramm eingesetzt werden, das diese Elemente auf dem Bildschirm darstellt. Damit ist die konkrete
Handlungsebene wieder verlassen, und alles verschwindet in der Theorieebene.
Mit nur wenig Mehraufwand an Theorie kann ein solches Experimentiersystem zu einem voll funktionsfähigen
Mikrocomputersystem ausgeweitet werden. Das Ergebnis ist der hier vorgestellte Modellrechner. Er arbeitet mit
acht Bit Datenbreite. Das bedeutet nur minimalen Mehraufwand, denn die Bausteine, aus denen Tore und Register
aufgebaut sind, sind zum größten Teil ohnehin acht Bit breit organisiert. Warum also die Hälfte brachliegen lassen?
Der einzige Mehraufwand im Rechenwerk besteht z.B. aus einem zweiten Rechenchip, denn den gibt es nur in vier
Bit Ausführung. Die Steuerung ist im Prinzip die gleiche wie bei den einfachen Systemen. Bei acht Bit Datenbreite
läßt sich zwar schon mit größeren und damit auch interessanteren Zahlen rechnen, aber wesentlich ist der erweiterte
Adreßbereich von 256 Speicherplätzen, auf dem sich auch ausreichend komplexe Programme unterbringen lassen.
8-Bit-Technik läßt 256 verschiedene Befehle zu. Das ist weit mehr als man tatsächlich braucht. Für den Anfang
müssen es ohnehin nicht gleich alle möglichen Befehle sein. Eine Beschränkung auf eine geeignete Auswahl ist
hier sinnvoll. Das Steuerwerk bietet jetzt sinnvoll die Möglichkeit, auch Indexregister und Stackregister
vorzusehen, so daß sich auf dem Modellrechner praktisch alle Programmstrukturen, die sonst auf einen Simulator
verlagert werden müssen, konkret in ihrer Arbeitsweise untersuchen lassen. Auf dem Modellrechner läßt sich so
der gesamte Unterrichtsgang durchführen, der zu diesem Thema in der landesweiten Fortbildung Informatik SII
(NW) auf dem Modellrechner ALI (Heftreihe C) vorgeschlagen wurde. Je nach Lerngruppe kann das Ziel in einem
weiten Rahmen abgesteckt werden. Der Modellrechner eignet sich ebenso für den Unterricht in der Differenzierung
der Sek. I. Hier steht die Struktur von Rechenanlagen auch auf dem Lehrplan. Im Unterricht der Sek. I werden die
Inhalte auf ein geeignetes Maß reduziert. Ach in der Klasse 5, bei der Einführung des binären Zahlensystems hat
sich der Modellrechner schon bewährt.
5

Wozu brauche ich einen "Rechner zum Anfassen"?
PC der 2. Generation
Der Modellrechner hat einen Anschluß für einen PC, mit dem sich Programme aus dem
PC in den Speicher des Rechners einspielen lassen. Größere Programme mit den DIL-
Schaltern auf den Platinen einzugeben ist schließlich eine Zumutung. Auf dem PC lassen
sich die Programme bequem in einer geeigneten Entwicklungsumgebung mit einem
Editor erstellen, assemblieren und in den Modellrechner übertragen, wo sie dann
ablaufen. Die Entwicklungsumgebung ist wichtig, denn sie ist schließlich heute die
normale Verbindung zwischen Mensch und Rechner. Die Assemblersyntax ist dem
Assembler des 8086 angepaßt, soweit die Befehle vorhanden sind. Immerhin sind es 200
Befehle. Wenn nun die Assemblersprache dem 8086 gleicht, warum dann nicht gleich auf
dem 80X86 arbeiten, der in jedem PC drinsteckt? Der 8086 ist erheblich komplizierter
aufgebaut und deshalb schon schwieriger zu programmieren, außerdem müssen die kompliziertere Hardware des
PCs und die Eigenschaften des Betriebssystems berücksichtigt werden. Das erschwert den Einstieg in die
Assemblerprogrammierung erheblich. Wenn der PC abstürzt, ist der Fehler für den Anfänger praktisch nicht zu
lokalisieren. Hier zeigt der Modellrechner seine Stärken. Jeder einzelne Arbeitsschritt läßt sich verfolgen und
nachvollziehen. Wer nach einer Grundausbildung auf diesem Rechner auf den 80X86 umsteigen will, der wird sein
Wissen nur erweitern, aber nichts grundsätzlich Neues lernen müssen. Dies ist dann aber nicht mehr Aufgabe des
Informatikunterrichtes in der Schule. Der Umstieg auf eine andere Prozessorfamilie sollte aufgrund der
Grundlagenkenntnisse, die am Modellrechner erworben wurden, ebenfalls nicht allzu schwer fallen.
Da in den seltensten Fällen für alle Schüler ein eigener Modellrechner zur Verfügung steht, gibt es ein
Simulationsprogramm, das den Modellrechner vollständig auf dem Bildschirm des PC simuliert. Jeder Schüler muß
aber im Laufe des Kurses auch mit dem Originalrechner gearbeitet haben.
Voraussetzung für ein umfassendes Verständnis für die Arbeitsweise des Modellrechners sind Kenntnisse aus der
allgemeinen Digitalelektronik. UND-, ODER-, NICHT-, XOR-Schaltungen sollten bekannt sein, die De
Morganschen Regeln, die konjunktive und disjunktive Normalform, Halb- und Volladdierer. Der Benutzer sollte
das binäre Zahlensystem und die Grundrechenarten im Zweiersystem kennen. Grundkenntnisse über den
elektrischen Stromkreis sollte er auch haben. Diese Kenntnisse lassen sich leicht durch Experimente mit einem
Experimentiersystem zur Digitalelektronik erwerben, wie z.B. Simulog, oder auch, wenn auch nicht so einprägsam,
mit einem Simulationsprogramm wie LOCAD. Ohne derartige Grundkenntnisse wird der Rechner eine
Ansammlung unbekannter, schwarzer Käfer bleiben, dann ist ein Simulationsprogramm vorzuziehen.
6

Die Bausteine des Modellrechners
Die Bausteine des Modellrechners
Die Platinen
Sie sind die größten und teuersten Bauteile des ganzen Rechners. Sie tragen in Form von Leiterbahnen alle
elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen und sie dienen als Träger für die Schaltung.
Außerdem ist auf ihnen die Beschriftung der Bedienungselemente und der wichtigsten Baugruppen aufgedruckt, um
den Rechneraufbau durchsichtiger zu machen.
Die Steckverbinder
Auf dem Modellrechner sind zwei verschiedene Arten von Steckverbindern zu finden.
1.) die 4mm Buchsen für die Stromversorgung. Die rote Buchse für den Pluspol, die schwarze für den Minuspol der
Betriebsspannung. Hier passen die in der Physiksammlung der Schule üblichen 4mm-Stecker der Laborkabel, zur
Verbindung mit dem Netzgerät.
2.) Die Stiftverbinder zur Verbindung der einzelnen Platinen mit den Daten-, Adreß- und Steuersignalen. Es sind
10-, 14 und 20-polige Stiftverbinder eingebaut.
Die Widerstände
Im Modellrechner sind ohmsche Widerstände in zwei Bauformen verwendet. Zunächst die
normalen axialen Widerstände mit ihren zwei Anschlußdrähten. Auf ihrem zylindrischen
Körper ist ihr Wert in Form von Farbringen aufgedruckt. Viele Widerstände im
Modellrechner haben den Wert 220 Ohm 5% Toleranz, daraus ergibt sich die Farbfolge rot,
rot, braun, gold. Der Toleranzring ist meist etwas von den drei anderen Ringen abgesetzt, so
daß sich die Ringe leicht identifizieren lassen. Die Farben sind leider nicht immer so
einfach auseinander zu halten.
Es gibt noch eine zweite Bauform, die Widerstandsarrays, bei denen mehrere Widerstände in
ein Gehäuse eingebaut sind. Bei ihnen ist ein Anschluß jeweils miteinander verbunden und an
einem gemeinsamen Bein herausgeführt, der andere Anschluß ist getrennt zugänglich. Diese
Bauform von Widerständen wird dann eingesetzt, wenn
alle Widerstände ohnehin an einem Ende
zusammengeschaltet werden sollen und es auf geringen
Platzbedarf ankommt. Die Bezeichnung dieser
Widerstandsarrays ist etwas anders. Hier sind Zahlen
aufgedruckt. Sie haben aber die gleiche Bedeutung wie
die Ringe im Farbencode. Ein Widerstand mit der
Aufschrift "221" hat auch den Wert 220 Ohm, also
22*10 1 . Nur sind in diesem Gehäuse mehrere 220 Ohm
Widerstände eingebaut. Die Markierung, ein dicker
Strich oder ein Kreis, zeigt den gemeinsamen Anschluß
aller eingebauten Widerstände an. Im Rechner sind sie
z.B. als Vorwiderstände für die Leuchtdioden zur
Anzeige von Bussignalen verwendet.
Der Farbcode für Widerstände:
0 : Schwarz
1 : Braun
2 : Rot
3 : Orange
4 : Gelb
Bedeutung der Ringe:
1. erste Ziffernstelle
2. zweite Ziffernstelle
3. Zehnerpotenz
4. Toleranz
5 : Grün
6 : Blau
7 : Violett
8 : Grau
9 : Weiß
221
Weitere Zehnerpotenzen:
0,1 : Gold
0.01 : Silber
Toleranzen:
2% : Rot
5% : Gold
10% : Silber
1. 2. 3. 4.
R 23 220
Schaltzeichen
Die Dioden
Auf jeder Platine des Modellrechners findet sich eine Halbleiterdiode. Sie läßt den Strom nur
in einer Richtung fließen, von der Anode (+) zur Kathode (-). Beim Einbau der Diode muß
also ihre Richtung beachtet werden. Die Diode schützt die Stromversorgung des Systems
vor Verpolung und ist deshalb im normalen Betrieb in Durchlaßrichtung gepolt, so daß der
Betriebsstrom fließen kann. Auf der Speicherplatine gibt es eine weitere Diode, die den
Speicherbaustein versorgt. Das Steuerwerk enthält drei Entkoppeldioden.
K
1N4004
A
K
A
Schaltzeichen
7

Die Bausteine des Modellrechners
Die Leuchtdioden (LED)
Eine Leuchtdiode ist eine Halbleiterdiode, die in Durchlaßrichtung geschaltet ist. Der
dabei fließende Strom regt die Atome des Halbleitermaterials zum Leuchten an. Je nach
Material ergeben sich verschiedene Farben. Im Handel sind Leuchtdioden mit roter,
gelber, grüner und blauer Farbe erhältlich. Leuchtdioden gibt es in verschiedenen
Bauformen, je nach Anwendungsfall. Im Modellrechner werden nur runde 5mm LEDs
zur Anzeige von Steuerleitungen und anreihbare LEDs zur Anzeige von Businhalten
verwendet. Je nach Aufgabe haben sie verschiedene Farben. Betrieb in Durchlaßrichtung
bedeutet, daß der + Pol der Betriebsspannung an der Anode (A), am längeren Bein der
Leuchtdiode angeschlossen werden muß. Die Kathode (K) kommt an den - Pol. Auf diese Polung ist bei der
Bestückung der Platinen dringend zu achten, sonst leuchten die Dioden nicht.
Die Kondensatoren
Im Modellrechner finden mehrere Sorten von Kondensatoren Verwendung. In der
Stromversorgung jeder Platine glättet ein Elektrolytkondensator mit 1000µF Kapazität 1000µF
+
die Betriebsspannung. Das Dielektrikum eines solchen Kondensators besteht aus einer 25V
sehr dünnen elektrolytischen Schicht. Wenn er verpolt wird, löst sich die Schicht auf, +
und es kommt im Kondensator zu einem Kurzschluß. Das Ergebnis ist häufig ein
kräftiger Knall und intensiver Fischgeruch, wenn der Kondensator explodiert. Beim
Schaltzeichen
Einbau muß also auf die Polung geachtet werden. Der negative Pol ist meist mit einem
"-" Zeichen auf dem Gehäuse gekennzeichnet. Auf der Platine ist der "+"-Pol markiert.
Die verwendeten Elektrolytkondensatoren haben eine so hohe Maximalspannung, daß
diese Begrenzung im normalen Betrieb keine Rolle spielt. Auf dem Steuerwerk gibt es
zwei weitere Elektrolytkondensatoren mit 10µF Kapazität.
100nF
1n0
Weniger dramatisch verhalten sich die anderen Kondensatoren. Sie haben eine Kapazität von 100nF und eine
Spannungsfestigkeit von ca. 60V. Sie sind nicht gepolt und explodieren auch nicht bei falscher Behandlung. Ihre
Aufgabe ist es, auf den Stromversorgungsleitungen innerhalb der Schaltung unerwünschte Störimpulse zu
unterdrücken, wie sie in Digitalschaltungen häufig auftreten. Die kleinen 100pF (0n1) und 1nF (1n0)
Kondensatoren entstören einige Signalleitungen auf den Platinen. Einer er beiden 10µF Kondesnatoren und der
47nF Kondensator auf dem Steuerwerk bestimmen die Taktgeschwindigkeit im Langsam- und im Schnelltakt.
Der Transistor
Ein Transistor ist ein elektronischer Schalter. Er hat drei Anschlüsse: Emitter (E),
+
Basis (B) und Kollektor (C). Hier sei von einem NPN-Transistor die Rede. Das
R C BC
kleine Schaltbild zeigt eine typische Schaltung in der Digitaltechnik. Schaltet man 1
C
den Eingangschalter in die Stellung 0, dann kann kein Strom durch die Basis zum
Aus
547C
B
Emitter fließen. In diesem Zustand leitet der Transistor keinen Strom vom
0
R B
E
Kollektor zum Emitter, der elektronische Schalter ist also geöffnet. Am Kollektor
-
liegt die Betriebsspannung über den Kollektorwiderstand R C an. In der digitalen
Betrachtungsweise ist das der Zustand "1" 1 . Nach dem Umschalten in die Stellung 1, fließt über den
Basiswiderstand R B ein Basisstrom vom "+"-Pol zum Emitter bzw. "-"-Pol. Der Basiswiderstand begrenzt den
Basisstrom, denn es genügt schon ein sehr kleiner Steuerstrom, um die Kollektor - Emitter - Strecke leitend zu
machen, den elektronischen Schalter also zu schließen. Wenn nun Strom durch den Widerstand R C fließt, dann
fällt an ihm eine Spannung ab. und die Kollektorspannung sinkt ab. Bei passender Wahl des Widerstandes ist dieser
Spannungsabfall so groß, daß diese Kollektorspannung in den "0" Pegel der Digitaltechnik 2 fällt. Diese kleine
Schaltung arbeitet also als Inverter für digitale Signale. Auf der Speicherplatine und im Steuerwerk ist jeweils ein
solcher Transistorinverter eingebaut.
A
K
Schaltzeichen
A
K
1 "0"- Pegel der Digitaltechnik siehe Abschnitt über die TTL-Technik
2 "1"-Pegel der Digitaltechnik siehe Abschnitt über die TTL-Technik
8

Die Bausteine des Modellrechners
Die Schalter und Taster
Im Modellrechner sind drei Arten von Schaltern eingebaut.
Die DIL 3 -Schalter
Das "Mäuseklavier" ist eine Kombination von acht kleinen,
einfachen Schaltern. Sie sind in ein IC-ähnliches Gehäuse
eingebaut und passen damit gut in eine Digitalschaltung. Leider
ist die Bedienung mühsam, man braucht dafür einen spitzen
Gegenstand. Trotz der etwas unhandlichen Bedienung werden
hier solche DIL-Schalter verwendet, denn ein Satz von acht
16 15 14 13 12 11 10 9
größeren Schaltern, wie sie auf der Schalterplatine eingebaut 1 2 3 4 5 6 7 8
sind, hätte nicht auf die Platinen gepaßt. Die DIL-Schalter Das Innenleben des DIL-Schalters
werden überall da verwendet, wo 8-Bit-Daten eingegeben
werden sollen, also bei der Eingabe der Daten auf dem Datenbus und bei Adressen auf dem Adreßbus. Die
einzelnen Adreßbereiche im Arbeitsspeicher lassen sich mit einem 4-fach-DIL-Schalter auswählen.
Die Schiebeschalter
Sie sind als einfache Schiebeschalter ausgeführt, Auf der Schalterplatine steuern sie den
ganzen Arbeitsablauf im Rechner. Auf der Speicherplatine und dem Steuerwerk lassen sich
mit ihnen verschiedene Betriebsarten einstellen. Sie werden je nach Bedarf als Umschalter
oder als einfache Schalter benutzt. Die hier benutzten Schalter geben schon einmal bei der
ersten Benutzung keinen Kontakt 4 . Es hilft dann, die Kontaktfeder im Inneren mit einem
spitzen Gegenstand etwas zu bewegen.
Die Taster
Wenn es darum geht, nur einen kurzen Impuls zu erzeugen, eignen sich Taster besser als
Schalter mit zwei Stellungen. Daher gibt es auf der Speicherplatine und auf dem Steuerwerk
eine Reihe von Tastern. Sie enthalten auch Umschalter, die so lange betätigt werden, wie der
Taster gedrückt ist. Auch die Taster werden je nach Bedarf als Umschalter oder einfacher
Schalter verwendet.
Was sind integrierte Schaltungen, IC's 5 , Chips 6 ?
Jede elektronische Halbleiterschaltung besteht aus Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren.
Die Halbleiterbauelemente sind heute zum überwiegenden Teil aus Silizium hergestellt. Dazu wurde in mehreren
Arbeitsgängen durch fotolithografische Verfahren auf einer Siliziumscheibe durch Diffusion mit verschiedenen
Fremdmaterialien und durch Oxidation der Oberfläche das entsprechende Bauteil, Diode oder Transistor,
hergestellt. Danach erhielt jedes Bauteil ein Gehäuse mit Anschlußdrähten und konnte dann auf einer Platine in
eine Schaltung eingebaut werden. Diese Einzelbauteile sind bei der Produktion schon zu hunderten auf einer großen
Siliziumscheibe versammelt, denn sie entstehen in einem Arbeitsgang. Es lag also nahe, mehrere Bauteile gleich
bei der Produktion zu einer kompletten Schaltung zu verdrahten, die dann als Einheit in ein Gehäuse einzubauen.
Es fallen dabei eine ganze Menge Anschlußdrähte nach außen weg, so daß sich bei der endgültigen Schaltung
erheblicher Platz einsparen läßt. Die TTL-Schaltungen und die anderen Chips sind solche integrierten Schaltungen.
Die integrierten Schaltungen auf dem Modellrechner enthalten pro Chip nur eine Hand voll Transistoren. Heute
integriert man schon über drei Millionen Transistoren zu einer Schaltung (Pentium-Chip von Intel, auf dem 486
sind es "nur" 1,2 Millionen).
3 DIL, "Dual In Line", ist eine Abkürzung für eine oft benutzte Anordnung der Anschlußbeine einer integrierten
Schaltung, zwei parallele Stiftreihen.
4 Siehe Fehlersuche
5 IC : Integrated Cirquit, integrierter Schaltkreis
6 Chips haben den Namen nach ihrer Form, kleien flachen Scheiben aus Silizium
9

Die Bausteine des Modellrechners
Die IC-Fassungen
Alle integrierten Schaltungen stecken in Fassungen mit 8, 14, 16, 20, 24 oder 28 Beinen. Sie können daher im Falle
eines Defektes oder zu Testzwecken entfernt werden. Die Fassungen bestehen aus je einem Steckkontakt für jedes
IC-Bein. Wie die integrierten Schaltungen tragen auch die Fassungen eine Markierung für das Bein 1. Das ist meist
eine kleine Einbuchtung an einer Schmalseite oder eine abgeschrägte Ecke im Inneren der Fassung, je nach
Hersteller. Bei der Bestückung muß darauf geachtet werden, diese Markierung an die richtige Stelle zu setzen,
damit die IC's beim Einstecken nicht verpolt werden. Das nehmen die Schaltungen sehr übel. Auf den Platinen ist
bei jeder Fassung diese Markierung angegeben. Bis auf wenige Ausnahmen liegen alle IC's in der gleichen
Richtung.
Der Spannungsstabilisator 78S05
Zum Betrieb brauchen die TTL-Bausteine (s.u.), aus denen der Modellrechner
zusammengesetzt ist, eine Betriebsspannung von möglichst genau 5V. Der integrierte
IN
7805
OUT
Spannungsstabilisator erzeugt aus der Rohspannung an seinem Eingang eine feste 7805
GND
Spannung von 5V an seinem Ausgang, unabhängig von der Belastung (Maximalstrom
1A) und von der Eingangsspannung (8V .. 35V). Solche Stabilisatoren gibt es im
Handel für eine ganze Reihe von verschiedenen, festen Spannungen, aber auch
regelbare. Die Stabilisatoren sind mit einem kleinen Kühlkörper versehen, denn das IC gibt die überschüssige
Energie, die bei dem Regelvorgang entsteht, als Verlustwärme ab. Diese Kühlkörper und die Dioden zum
Verpolungsschutz werden im Betrieb ziemlich heiß, aber das ist kein Grund zur Beunruhigung.
Der Taktgeber NE555
Auf dem Steuerwerk findet sich der integrierte Taktgeber NE555. Er erzeugt den
Systemtakt, nach dem sich die einzelnen Arbeitsabläufe im Rechner richten. Er ist in ein 8
poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er kann Impulse im Zeitbereich von einigen Stunden bis
hinunter zu Mikrosekunden erzeugen, je nach Beschaltung mit einem Kondensator und
zwei Widerständen. Im Modellrechner sind diese Impulszeiten von einigen zehn
Mikrosekunden bis etwa 1s in zwei Bereichen regelbar.
8 7 6 5
NE555
1 2 3 4
Die TTL-Technik
Die TTL-Technik ist eine Herstellungstechnik für integrierte Digitalschaltungen. Sie wurde schon vor etwa 20
Jahren entwickelt und stellt auch heute noch, nach einigen technischen Verbesserungen in Form verschiedener
TTL-Familien den Stand der Technik dar. Die Familien unterscheiden sich in ihrer Herstellungstechnologie und
damit in ihrer Arbeitsgeschwindigkeit und in ihrem Stromverbrauch. Die Logikfunktionen der entsprechenden
Familienmitglieder ist identisch. Im Modellrechner sind Bausteine der Typenreihe 74LS... eingebaut (LS : Low
Power Schottky). Diese Familie ist preiswert, kaum zu zerstören und hat für unseren Zweck die geeigneten
elektrischen Daten. Insbesondere sind die Stromstärken in der geeigneten Größenordnung, um Leuchtdioden zu
steuern. Das Innenleben der einzelnen IC's besteht aus einer Reihe von Transistoren, daher der Name TTL-
Transistor-Transistor-Logik. Im Abschnitt über den Transistor ist eine Inverterschaltung beschrieben, die aus dem
Transistor und Widerständen besteht. Bei der TTL-Technik sind diese Widerstände durch Transistoren ersetzt, die
leichter auf einem Siliziumchip hergestellt werden können, aber die gleiche Funktion haben.
Die TTL-Schaltungen werden mit einer Betriebsspannung von 5V +/-10% betrieben. Diese Spannung muß
möglichst stabil sein, damit die Signalpegel innerhalb der Schaltung immer in den definierten Bereichen liegt. Eine
solche TTL-Schaltung kennt genau zwei Signalzustände, "0" und "1". Dabei bedeutet der Zustand "0" einen
Spannungsbereich zwischen 0 und 0,8V und der Zustand "1" einen Spannungsbereich von 2,5 bis 5V. Der Bereich
dazwischen ist verboten, in ihm reagiert die Schaltung undefiniert. Ein unbeschalteter Eingang wirkt zwar wie ein
"1"-Signal, es ist aber gute Praxis, einen unbenutzten Eingang mit der Betriebsspannung zu verbinden, man
vermeidet damit unerwünschte Störungen durch den undefinierten Eingang. Aus diesem Grund gibt es im
Modellrechner eine ganze Reihe von "Pull-up"-Widerständen, die solche offenen Eingänge mit +5V verbinden. Sie
haben meist den Wert 2,2kΩ. An anderer Stelle sind die offenen Eingänge mit 1kΩ Widerständen mit 0V
verbunden, "Pull-Down"-Widerstände.
Es folgt die Kurzbeschreibung der im Modellrechner verwendeten TTL-Bausteine.
Jeder einzelne Baustein enthält mehrere digitale Grundfunktionsbausteine, wie sie aus dem Kurs über die digitalen
Grundbausteine bekannt sein sollten.
10

Die Bausteine des Modellrechners
Der Chip 74LS00
ist in ein 14-poliges DIL-Gehäuse eingebaut und enthält vier NAND-
Schaltungen mit jeweils zwei Eingängen. Dieser Chip ist einer der
billigsten und einer der meist verwendeten
in der TTL-Technik. Aus ihm lassen sich
alle anderen Logikfunktionen leicht
zusammenstellen. In unserem Rechner
erfüllt der Baustein drei verschiedene
Aufgaben.
A B A NAND B
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Wahrheitstafel der NAND-
Funktion
14
( +5V)
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS00
• Er arbeitet als normale NAND-Schaltung.
• Er arbeitet als Inverter, dazu sind einfach die beiden Eingänge miteinander verbunden.
• Er arbeitet als Treiberstufe für Anzeige-Leuchtdioden, er liefert also den nötigen Strom zum Betrieb der
Leuchtdioden. Dazu ist er als Inverter geschaltet.
13
&
12
&
11
10
&
9
&
8
( - )
Der Chip 74LS04
ist in ein 14-poliges DIL-Gehäuse eingebaut und
enthält sechs Inverterschaltungen. Hier werden sie als
normale Inverter oder als Treiber für Leuchtdioden
benutzt.
A NOT A
0 1
1 0
Wahrheitstafel der
NOT-Funktion
14 13 12 11 10 9 8
( +5V )
( - )
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS04
Der Chip 74LS386
ist in ein 14-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er
enthält vier XOR-Schaltungen mit je zwei
Eingängen. Im Modellrechner sitzt eine solche
Schaltung auf dem Rechenwerk. Zwei der
Schaltungen werden als einfache Inverter benutzt,
während die anderen beiden als schaltbare
Inverter arbeiten. Bei ihnen läßt sich die
Inverterfunktion ein- und ausschalten.
A B A EXOR B 14 13 12 11 10 9 8
0 0 0 ( +5V)
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Wahrheitstafel der
( - )
EXOR-Funktion 1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS386
Der Chip 74LS32
ist in ein 14-poliges Gehäuse eingebaut und enthält
vier OR-Schaltungen mit je zwei Eingängen. Ihr
Ausgang wird nur dann "0", wenn beide Eingänge
"0" sind.
Er ist auf dem Steuerwerk eingebaut.
A B A OR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Wahrheitstafel der
OR-Funktion
14
( +5V )
13 12 11 10 9 8
>1
>1
>1
>1
( - )
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS32
11

Die Bausteine des Modellrechners
Der Chip 74LS28
ist in ein 14-poliges Gehäuse eingebaut und enthält
vier NOR-Schaltungen mit je zwei Eingängen. Ihr
Ausgang wird nur dann "1", wenn beide Eingänge
"0" sind.
Er ist auf dem Steuerwerk eingebaut und steuert
die Lese- und Schreibleitungen für den Speicher
und die Ein- Ausgabeplatine auf dem Steuerwerk
A B A NOR B
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Wahrheitstafel der
NOR-Funktion
14
( +5V )
13 12 11 10 9 8
>1
>1
>1
>1
( - )
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS28
Der Chip 74LS27
ist in ein 14-poliges DIL-Gehäuse
eingebaut. Er enthält drei OR-
Schaltungen mit jeweils drei Eingängen.
Ihr Ausgang wird nur dann "0", wenn
alle drei Eingänge "0" sind.
A B C A OR B OR C
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
Wahrheitstafel der 3-fach OR-
Funktion
14
( +5V )
13 12 11 10 9 8
>1
>1
>1
( - )
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS27
Der Chip 74LS540
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er enthält
acht invertierende Leitungstreiberstufen mit Tri-State-
Ausgang 7 . Ein solcher Leitungstreiber kann erheblich
höhere Ströme liefern als ein normaler LS-TTL-
Baustein. Er wird überall da verwendet, wo viele
nachfolgende Eingänge gesteuert werden sollen, z.B. auf
einem größeren Bussystem. Hier ist auch der dritte
Zustand notwendig, denn auf einen Bus greifen im
allgemeinen mehrere Geräte zu, die sich nicht
gegenseitig stören dürfen.
1 2 3 4 5 6 7 8
Im Modellrechner sind diese Bausteine ein wenig zweckentfremdet verwendet. Hier dienen sie als Treiber für die
Leuchtdioden. Dazu ist die Inverterfunktion wichtig, denn es sollen die Signale im "1"-Zustand angezeigt werden.
Ein TTL-Ausgang im "1"-Zustand liefert aber keinen ausreichenden Strom, den gibt er nur im "0"-Zustand ab.
Daher ist vor jede Leuchtdiode ein Inverter geschaltet. Der erhöhte Ausgangsstrom kommt der Aufgabe als
Leuchtdioden-Treiber zugute, denn durch jede Diode fließt ein Strom von ca. 15mA, das ist schon an der
Belastungsgrenze eines normalen LS-TTL-Chips. Zur Anzeige aller acht Signale auf dem Daten- oder Adreßbus
reicht jeweils gerade ein Chip.
20
19
18
17
16
( +5V ) G2 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8
G1
15
A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 ( - )
Das Innenleben des 74LS540
14
13
12
11
9 10
7 Ein Tri-State-Ausgang kann im Gegensatz zu einem normalen TTL-Ausgang, der nur die beiden Zustände "0" und
"1" kennt, noch in einen dritten Zustand geschaltet werden, er wird dann hochohmig und ist von der nachfolgenden
Leitung getrennt. Daher können mehrere Tri-State-Ausgänge eine Leitung steuern, es muß nur sichergestellt sein,
daß außer dem gerade aktiven Ausgang alle anderen im hochohmigen Zustand sind.
12

Die Bausteine des Modellrechners
Der Chip 74LS541
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er
enthält 8 Leitungstreiberstufen. Er erfüllt die gleiche
Bustreiberfunktion wie der 74LS540, nur daß seine
Ausgänge nicht invertiert sind.
20
( + 5 V )
19 18 17 16 15 14 13 12
G 2 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 Y 8
11
Im Modellrechner hat er genau die Bustreiber- bzw. G 1
Torfunktion wie beim 74LS540 beschrieben, z.B. das
Eingangstor vom Datenbus zum Rechenwerk oder das Das Innenleben des 74LS541
Ausgangstor vom Akku zum Datenbus, als
Adreßbustreiber auf dem Steuerwerk, als Eingangstor auf der Ein-Ausgangsbeplatine.
A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8
1 2 3 4 5 6 7 8
( - )
9 10
Der Chip 74ALS573
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er
enthält acht D-Flipflops mit gemeinsamem
statischem Takteingang und Tri-State-Ausgängen.
Mit dem Eingang OE können die Ausgänge
gemeinsam freigegeben werden. Wenn der
Takteingang (T) "1" ist, werden die Eingangssignale
in die Flipflops geschrieben. Auf dem Rechenwerk
bildet diese Schaltung die beiden Speicher für den
Akku und das Register B. Auf dem Steuerwerk
20
( + 5 V )
O E
1 2 3 4 5 6 7 8
bildet sie jeweils die drei Indexregister SI, DI, BP, den Pufferspeicher im IP und die Kopplung zwischen Adreßbus
und Datenbus. Auf der Ein- Ausgabeplatine speichert sie die auszugebenden Werte. Die TTL-Typenreihe ALS ist
eine Weiterentwicklung der LS-Technik. Warum es ausgerechnet diesen Chiptyp nicht in LS-Ausführung gibt, ist
wohl das Geheimnis des Herstellers.
19
Q
D T
18
Q
D T
17
Q
D T
16
Q
D T
Das Innenleben des 74ALS573
15
Q
D T
14
Q
D T
13
Q
D T
12
Q
D T
11
( - )
9 10
Der Chip 74ALS574
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er
enthält acht D-Flipflops mit gemeinsamem
dynamischem Takteingang und Tri-State-
Ausgängen. Mit dem Eingang OE können die
Ausgänge gemeinsam freigegeben werden. Im
Gegensatz zum 74ALS573 werden hier die Daten
nur in dem Moment in die Flipflops geschrieben, in
dem der Eingang T vom Zustand "0" in den Zustand
"1" übergeht, also bei einer positiven Impulsflanke.
20
( + 5 V )
O E
1 2 3 4 5 6 7 8
Dies hat den Vorteil, daß die Daten zu einem genau definierten Zeitpunkt übernommen werden. Auf dem
Rechenwerk dient die Schaltung als Ergebnisspeicher.
19
Q
D T
18
Q
D T
17
Q
D T
16
Q
D T
Das Innenleben des 74ALS574
15
Q
D T
14
Q
D T
13
Q
D T
12
Q
D T
11
( - )
9 10
Der Chip 74LS74
ist in ein 14-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er enthält zwei D-Flipflops
mit Set (S), Reset (R) und einem dynamischen Takteingang (T) und den
beiden Ausgängen Q und Q . Bei einer positiven Flanke am T-Eingang
werden die Daten in die Flipflops übernommen. Ein "1"-Signal am
Eingang S schaltet den Ausgang Q auf "1", unabhängig vom Takteingang.
Ein "1"-Signal am R-Eingang schaltet den Ausgang Q auf "0", ebenfalls
unabhängig vom T-Eingang. Im Rechenwerk speichert diese Schaltung
das Carry- und das Zero-Bit.
14 13 12 11 10 9 8
( +5V ) R D T S Q Q
Q
R D T S
Q ( - )
1 2 3 4 5 6 7
Das Innenleben des 74LS74
13

Die Bausteine des Modellrechners
Der Chip 74LS688
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
enthält einen 8-Bit Vergleicher. Der Ausgang Pin 19
( + 5 V )
wird genau dann 0, wenn das Bitmuster an den
A = B B 7 A 7 B 6 A 6 B 5 A 5 B 4
Eingängen A0..A7 mit dem Bitmuster an den
Eingängen B0..B7 übereinstimmt. Mit dem Eingang
A 0 B 0 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3
A
B
4
3
F E
FE kann die Funktion ein- und ausgeschaltet werden.
( - )
Diese Schaltung sitzt im Rechenwerk und vergleicht 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
das Rechenergebnis mit dem Wert 0. Aus diesem Das Innenleben des 74LS688
Vergleich entsteht das Zero-Bit. Auf der Ein-
Ausgabeplatine erkennt sie, ob die auf der Platine eingestellte Adresse anliegt und gibt dann die Platine für Ein-
Ausgabeoperationen frei.
Der Chip 74LS382
ist in ein 20-poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er
enthält eine vier Bit breite ALU (Arithmetic Logical
Unit), eine Algorithmisch Logische Einheit. An die
Eingänge A0...A3 und B0...B3 werden die beiden
Binärzahlen angelegt, die in der ALU verknüpft
werden sollen. Eventuell geht in die Berechnung noch
ein Übertrag von einer vorhergehenden Rechnung ein,
dieses Signal liegt am Carry-Eingang C n an. Welche
Operation die ALU mit den angelegten Daten
ausführt, hängt vom Bitmuster an den drei
Eingängen S0, S1, S2 ab. Das Ergebnis der
Operation liegt an den Ausgängen F0...F3 vor.
Ein eventueller Übertrag erscheint am Ausgang
C n+4 .
Zwei dieser Chips bilden den Kern des
Rechenwerkes.
20
( + 5 V )
19
18
A L U
17
14
1 2 3 4 5 6 7 8
16
A 1 B 1 A 0 B 0 S0 S1 S2 F 0 F 1
15
A 2 B 2 A 3 B 3 Cn Cn+ 4
Das Innenleben des 74LS382
13
O V R
12
F 3
11
( - )
9 10
S2 S1 S0 Operation
0 0 0 Clear, Die Ausgänge F0...F3 erhalten den Wert 0
0 0 1 Subtraktion B-A
0 1 0 Subtraktion A-B
0 1 1 Addition A+B
1 0 0 A XOR B
1 0 1 A ODER B
1 1 0 A UND B
1 1 1 Preset, Die Ausgänge F0...F3 erhalten den Wert 1
F 2
Der Chip 74LS595
ist in ein 16 poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er enthält ein 8-Bit
Schieberegister mit Ausgangsspeicher. Seine Aufgabe ist es,
seriell ankommende Daten in parallele 8-Bit Daten umzuwandeln.
Die seriellen Daten kommen über den Eingang S in in das
Schieberegister. Jede positive Impulsflanke am Takteingang CLK
schiebt die Daten um eine Stelle weiter. Nach acht Takten
erscheinen die Daten wieder am seriellen Ausgang S out . Damit
lassen sich mehrere Schieberegister hintereinander schalten. Die
acht angekommenen seriellen Datenbits
stehen dann in den acht Stufen des
Schieberegisters.
Bei einer positiven Impulsflanke am
Eingang RCLK übernimmt der
Ausgangsspeicher die Daten parallel aus
dem Schieberegister. Über den Eingang
16 15
( +5V)
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7
( - )
1 2 3 4 5 6 7 8
Das Innenleben des 74LS595
OE lassen sich die Ausgänge Q0...Q7 des Ausgangsspeichers öffnen. Bei "0" sind sie offen, bei "1" sind sie im
Tri-State-Zustand. Die Tabelle zeigt die Steuersignale für die verschiedenen Betriebsarten. Im Modellrechner
leisten diese Schieberegister die Umwandlung der seriellen Daten aus dem PC für den parallelen Daten- und
Adreßbus.
Q0
14
13
12
Schieberegister
11
10
Sin OE RCLK CLK CLR Sout
OE CLR CLK RCLK Funktion
1 X X X Q0...Q7 Tri-State
X 0 X X Schieberegister auf 0 setzen
X 1 0=>1 X nach rechts schieben
X 1 X 0=>1 Schieberegister => Ausgangsspeicher
X : Signalpegel beliebig
9
14

Die Bausteine des Modellrechners
Der Chip 74LS597
ist in ein 16 poliges DIL-Gehäuse eingebaut. Er enthält ein 8-Bit
Schieberegister mit parallelen Eingängen und Eingangsspeicher.
Seine Aufgabe ist es, 8-Bit parallel anliegende Daten in einen
Strom von seriellen Daten umzuwandeln. Die parallelen Daten
werden an die Eingänge D0...D7 angelegt. Eine positive Flanke am
Eingang RCLK schreibt die Eingangsdaten in den
Eingangsspeicher. Eine "0" am EingangLD überträgt die Daten
aus dem Eingangsspeicher in das Schieberegister. Eine positive
Flanke am Taktsignal CLK schiebt die Daten
um eine Stelle nach rechts. Das oberste Bit
kommt aus dem Ausgang S out heraus. Zur
Verkettung mehrerer Schieberegister gibt es
noch den Eingang S in . Die Tabelle zeigt die
Steuersignale für die einzelnen Betriebsarten.
Im Modellrechner verwandelt er die parallelen
Daten auf dem Datenbus in einen seriellen Datenstrom zum PC.
16 15
( +5V)
D0
14
13
12
Schieberegister
11
10
Sin LD RCLK CLK CLR Sout
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
( - )
1 2 3 4 5 6 7 8
Das Innenleben des 74LS597
LD CLR CLK RCLK Funktion
0 1 X 0 D0...D7 => Eingangsspeicher
X 0 X X Schieberegister auf 0 setzen
1 1 0=> X nach rechts schieben
1
0 1 X 0 Eingangsspeicher => Schieberegister
X : Signalpegel beliebig
9
Der Chip 74LS197
ist in ein 14-poliges Gehäuse eingebaut. Er enthält einen vierstelligen
14 13 12 11 10 9 8
Binärzähler, dessen Zählflipflops parallel über die Leitungen P0...P3 mit ( +5V )
einem Anfangswert geladen werden können. Die Ausgänge der Flipflops MR Q3 P3 P1 Q1
sind die Leitungen Q0...Q3. Der erste Zählflipflop und die drei weiteren PL
haben getrennte Takteingänge (CLK1, CLK2). Um sie zu vier Zählstellen Q2 P2 P0 Q0 CLK2 CLK1
( - )
zu verbinden, muß der Ausgang des 1. Flipflop mit dem Takteingang der
1 2 3 4 5 6 7
drei anderen Flipflops verbunden sein. Die Zählstufen werden geladen,
Das Innenleben des 74LS197
wenn der Eingang P L auf "0" gelegt wird. Mit einer "0" am Eingang
MR werden alle Zählstufen auf "0" gesetzt. Dieser Baustein bildet den Mikroprogrammzähler und den Instruction
Pointer auf dem automatischen Steuerwerk.
Der Chip 74LS169
ist in ein 16-poliges Gehäuse eingebaut. Er enthält einen vier Bit
Vor- Rückwärtszähler, dessen Zählstufen parallel geladen werden
können. Die Leitungen A,B,C,D sind die parallelen Eingänge,
Q0...Q3 die Zählausgänge. CLK ist der Zählereingang. Bei "1" am
Eingang U/D zählt der Zähler vorwärts und bei "0" rückwärts.
Über die Leitungen CLK, LOAD, CEP und CET lassen sich alle
Funktionen steuern, insbesondere die Übertragsverwaltung beim
Zusammenschalten mehrerer Zählerbausteine zu einem 8-Bit
Zähler, wie im Modellrechner, hier dient der Baustein als
Stackpointer.
16 15
( +5V)
TC
U/D
CLK
14
13
12
11
Q0 Q1 Q2 Q3
A
Zähler
B
10
( - )
1 2 3 4 5 6 7 8
Das Innenleben des 74LS169
C
D
CET
CEP
9
LOAD
Der Chip 74LS283
ist in ein 16-poliges Gehäuse eingebaut. Er enthält einen vier Bit
Volladdierer. Die je vier Eingangsbits A1...A4 und B1...B4
werden zur Summe S1...S4 addiert, wobei der Eingangsübertrag
C0 mit gerechnet wird. Am Ausgang C4 liegt der
Ausgangsübertrag, der bei der Addition entsteht.
Die Schaltung bildet den Indexaddierer auf dem automatischen
Steuerwerk.
16 15
( +5V)
B3
S2
B2
14
A3
A2
13
S3
12
Volladdierer
S1
11
10
( - )
1 2 3 4 5 6 7 8
Das Innenleben des 74LS283
A4
A1
B4
B1
S4
C4
C0
9
15

Die Bausteine des Modellrechners
Der Speicher 6116 bzw. 6216 8
ist in ein 24-poliges Gehäuse eingebaut. Er
ist ein RAM-Baustein 9 . Er enthält 16368 D-
Flipflops. Sie sind zu je acht
parallelgeschaltet, so daß sich 2048
verschiedene 8-Bit Datenbytes speichern
lassen. Zugang dazu verschaffen die acht
Datenleitungen D0...D7. Die Datenleitungen
sind bidirektional, über sie lassen sich die
Daten in den Speicher hineinschreiben und
aus ihm auch wieder lesen. Die Auswahl der
Speicherplätze geschieht über die
24
( +5V)
23
A7
A6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Das Innenleben des 6216
Adreßleitungen A0...A10. Die Speicherplätze sind in einer Matrix angeordnet mit 32 x 64 Feldern. Fünf der
Adreßleitungen steuern einen Decoder für die 32 Zeilen und die restlichen sechs Adreßleitungen einen zweiten
Decoder für die 64 Spalten der Matrix. Auf diese Art kann jeder Speicherplatz erreicht und auf die Daten
zugegriffen werden. Um den Speicher zu aktivieren, muß am Eingang CE eine "0" anliegen. Der Chip steht dann
schon im Lesebetrieb, aber er gibt die Daten erst dann aus, wenn die Leitung OE auch auf "0" geschaltet ist. An den
Adreßleitungen muß die gewünschte Adresse anliegen. Eine "0" am Eingang WE schaltet den Speicher auf
Schreiben. Es müssen dann die gültige Adresse und gültige Daten anliegen. Beim Abschalten der Betriebsspannung
gehen alle Daten im RAM verloren.
22
A5
21
A4
20
A3
19
A2
18
A8 A9 WE OE A10 CE
A1
17
D7
Speicher
A0
16
D6
15
D5
14
D4
D0 D1 D2
13
D3
( - )
Der EPROM 27C256
ist in ein 28-poliges 28 2 7 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
Gehäuse eingebaut. ( +5V)
Er enthält 262144
A14 A13 A8 A9 A11
Speicherbits, die zu
OE A10 CE D7 D6 D5 D4 D3
je 32768 mal 8 Bit
EPROM
zusammengeschaltet
VPP
sind. Jedes Speicherbyte
wird über die
( - )
A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D0 D1 D2
Adreßleitungen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
A0...A14 adressiert.
Die Daten stehen an den Datenleitungen D0...D7 zur Verfügung. Mit dem Anschluß C E wird der Chip eingeschaltet
und mit der Leitung O E die Datenleitungen freigegeben. Im Gegensatz zum RAM-Baustein kann ein
EPROM 10 nur gelesen werden. Schreiben läßt er sich nur mit einem speziellen Programmiergerät. Dafür behält er
aber auch die Daten beim Abschalten der Betriebsspannung. Er läßt sich nur durch Bestrahlung mit UV-Licht
wieder löschen. Danach kann man ihn wieder neu programmieren. Damit das Licht auf den Chip treffen kann, ist
das Gehäuse mit einem Fenster versehen. Meistens ist das Fenster mit einem Aufkleber verdeckt. Lösen Sie mal
den Aufkleber und sehen Sie sich den Chip im Original an, evtl mit einer Lupe oder einem Mikroskop. Bei den
anderen integrierten Schaltungen ist der eigentliche Chip im schwarzen Gehäuse versteckt.
Im Modellrechner bilden vier Chips dieses Typs den Mikroprogrammspeicher. Ihr Inhalt muß nach dem
Einschalten sofort zur Verfügung stehen und er ändert sich normalerweise nicht, sofern man nicht den Microcode
ändern will.
8 Je nach Liefermöglichkeit des Händlers wird einer der beiden Bausteine eingesetzt. In der Funktion sind beide
gleich.
9 RAM : Random Access Memory, Speicher mit freiem Zugriff zum Lesen und Schreiben
10 EPROM : Erasable Programmable Read Only Memory, löschbarer, programmierbarer nur lese Speicher
16

Das Rechenwerk
Das Rechenwerk
Das Rechenwerk ist das Herz jedes Computers, hier wird fast die gesamte Arbeit getan. Verfolgen wir die Daten
auf ihrem Weg durch das Rechenwerk.
Zur Untersuchung des Rechenwerkes sollte man sich für den Überblick das Schaltbild ohne die Leuchtdioden zur
Anzeige zu Hilfe nehmen, siehe Anhang. Die Leuchtdioden und ihre Ansteuerelektronik haben mit dem
Verständnis der Schaltung nichts zu tun und verwirren im Schaltbild nur. Für die praktische Untersuchung des
Rechnersystems sind sie allerdings unverzichtbar.
Das Eingangstor, Akku und Register B
Die Daten gelangen über das Eingangstor U4 (74LS541) vom externen Datenbus auf den internen Datenbus des
Rechenwerkes. Das Eingangstor trennt die inneren Abläufe von der äußeren Welt ab. So können bei Bedarf auf
dem externen Datenbus andere Daten transportiert werden, unabhängig von den Rechenvorgängen im Rechenwerk.
In einem modernen Mikrocomputersystem ist diese Möglichkeit, verschiedene Datenoperationen parallel
auszuführen, ein wichtiger Schritt zur Beschleunigung des Arbeitsablaufes. Die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des
Intel Pentium Prozessors lebt von dieser Parallelisierung. Im Modellrechner wird von dieser Parallelisierung allerdings
kein Gebrauch gemacht. Zu einer Rechenoperation gehören immer zwei Operanden, die gleichzeitig vorhanden
sein müssen, um die Operation ausführen zu können. Daher lassen sich die Daten vom internen Datenbus in
zwei Register schreiben, in den Akku, U3 (74ALS573), oder das Register B, U2 (74ALS573).
Eingangstor
Interner Datenbus
U4
G2 19
G1
1
11
12
Y8 A8
15
14 13
Y5 A5
A6 A7
8
9
Y7
Y6
7
6
18
17 16 Y4
Y3
Y2 A2
A3 A4
5
4
Y1 A1 2
3
74LS541
Externer Datenbus
GND
P12V
P1
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
10 HEADER
GND
1 1 9 8 7 6 5 4 3 2
OC
DDDDDD
DD
C 8 7 6 5 43
2 1
U2 74ALS573
QQQQ
QQQQ
8 7 6 5 43
2 1
1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 4 5 6 7 8 9
GND
1 1 9 8 7 6 5 4 3 2
OC
DDDDD
DDD
C 8 7 6 5 4 3 2 1
U3 74ALS573
QQQ
QQQQ
Q
8 7 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 4 5 6 7 8 9
1 1 1 1 11
1
1 2 3 4 5 67
8
YYYYYYYY
8 7 6 5 4 3 2 1
GG
AAAAAAA
A
2 1 8 7 6 5 4 3 2 1
1
9 1
9 8 7 6 5 43
2
U14
74LS541
Ausgangstor
Register B
Akku
Beide Register bestehen aus einer Einheit von je acht D-Flipflops. Beide Register lassen sich getrennt öffnen und
schließen. Ihre Ausgänge sind immer offen, damit an den Leuchtdioden zur Anzeige der Registerinhalte immer die
aktuellen Daten zu sehen sind. Wenn der Wert, der im Akku steht, wieder auf den externen Datenbus ausgegeben
werden soll, dann wird das Ausgangstor U14 (74LS541) geöffnet. Der Wert des Akkus steht dann auf dem externen
Datenbus zur Verfügung. In dem Augenblick darf allerdings kein anderer Baustein des Modellcomputers den
externen Datenbus belegen. Das Register B kann nicht gelesen werden.
17

Das Rechenwerk
Die ALU
Register B
GND
1 1 9 8 7 6 5 4 3 2
OC
DDDDDDD
D
C 8 7 6 5 4 3 2 1
U2 74ALS573
QQQQ
QQQ
Q
8 7 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 4 5 6 7 8 9
GND
1 1 9 8 7 6 5 4 3 2
OC
DD
DDDDDD
C 8 7 6 5 4 3 2 1
U3 74ALS573
QQ
QQQ
QQQ
8 7 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 4 5 6 7 8 9
Akku
Ausgangstor
1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8
YYYYYYYY
U14
8 7 6 5 4 3 2 1 74LS541
U16A
2
GG
AAAAAAAA
2 1 8 7 6 5 4 3 2 1
3
1
1
9 1 9 8 7 6 5 4 3 2 74LS386
VCC
7 6 5
SSS
2 1 0
1
5
C
N
C
NO
+ V
4 R
1 1
4 3
1 1 1 1
6 8 2 4 7 9 1 3
BBBB
AA
AA
3 2 1 0 3 2 1 0
12
13
U16D
FF
FF
3 2 1 0
1
2 1 9 8
74LS386
11
U0
74LS382
ALU
7 6 5
SSS
2 1 0
1
5
C
N
C
NO
+ V
4 R
1 1 1 1
6 8 2 4 7 9 1 3
BBB
B AAAA
3 2 1 0 3 2 1 0
1 1
4 3
GND
FF
FF
3 2 1 0
1
2 1 9 8
1 1 9 8 7 6 5 4 3 2
U1
74LS382
10
Nullerkennung
OC
DD
DDDDDD
C 8 7 6 5 4 3 2 1 Ergebnisspeicher
U6 74ALS574
QQ
QQQQ
QQ
8 7 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 1 1 1 1
2 3 4 5 6 7 8 9
U16C
9
8
74LS386
U9
GND
2
4 P0 P=Q 19
GND
6
P1
GND 8 P2
GND
11
P3
GND
13
P4
GND
15
P5
GND
17
P6
GND P7
3
5
Q0
7
Q1
9
Q2
12 Q3
14
Q4
16
Q5
18
Q6
Q7
GND
1
G
74LS688
3
U17A
1
2
74LS00
VCC
4
U10A
2
D P Q 5
3
R
CLK
C
L Q 6
74LS74
1
VCC
1
0
U10B
12
D P Q
R
9
11 CLK
C
L Q 8
74LS74
1
3
VCC
2 D41 R5
1
LED Null 220
R6
2 D42
1
LED Carry 220
zum Steuerwerk
VCC
VCC
Die Ausgangssignale der beiden Register sind auf die beiden Eingänge der ALU-
Chips 11 U0, U1 (74LS382) zusammengeführt. Sie führen die eigentliche Arbeit des
Rechenwerkes aus. Legt man ein entsprechendes Bitmuster an die Eingängen S0, S1,
S2 an, so führt die ALU die ausgewählte Operation aus. Diese ALU-Chips gibt es
leider nur in vier Bit Ausführung. Deshalb mußten zwei IC's gekoppelt werden. An
ihrem Ausgang liegt das Rechenergebnis an. Der Ergebnisspeicher, U6 (74ALS574),
hält das Resultat fest. Hier sind D-Flipflops mit dynamischem Takt eingebaut, um
eindeutige Ergebnisse zu erhalten. Das Rechenergebnis kann über das Ergebnistor U11
(74LS541) auf den internen Datenbus gelegt werden. Von hier gelangt es nach einem
entsprechenden Schreibbefehl wieder in den Akku. Damit ist ein Befehlszyklus für das
Rechenwerk abgeschlossen.
Das Zero-Bit
Häufig ist es von Interesse, ob ein Rechenergebnis den Zahlenwert 0 hatte. Um das
festzustellen, ist ein 8-Bit Vergleicher, U9 (74LS688) mit dem Ausgang der ALU
verbunden. Er vergleicht ständig den Ausgangswert der ALU mit dem Wert 0. Wenn
ein "0"-Ergebnis entstanden ist, dann wird sein Ausgang "0". Diesen Wert speichert
das D-Flipflop U10A (74LS74) als Zero-Bit, gleichzeitig mit der Übertragung des
Rechenergebnisses in den Ergebnisspeicher. Das Zero-Bit ist also dann "1", wenn das
Rechenergebnis den Wert 0 hatte. Sonst ist es "0". Den Zustand des Zero-Bits zeigt die
Leuchtdiode D41 an. Außerdem wird es in das Steuerwerk übertragen zur weiteren
Auswertung.
GND
11
9 876
54
32
OC
DD
DDDD
DD
C 87
65
43
21
U6 74ALS574
QQ
QQQQ
QQ
87
65
43
21
1 111
11
11
2 345
67
89
1
91
9 876
54
32
GG
AA
AAAA
AA
21
87
65
43
21
74LS541
U11 YY
YYYYYY
87
65
43
21
111
11
11
1 234
56
78
Ergebnisspeicher
Ergebnistor
Interner Datenbus
11 ALU : Arithmetic Logical Unit, arithmetisch, logische Einheit, eine Schaltung, die sowohl arithmetische
Operationen, Addition und Subtraktion, als auch logische Operationen, UND, ODER, XOR, ausführen kann.
18

Das Rechenwerk
Das Carry-Bit
Das Carry-Bit (Übertrags-Bit) hat zwei Bedeutungen im Modellrechner.
a) Bei der Addition der beiden Zahlen im Akku und im Register B. Wenn das Ergebnis kleiner ist als 255, der
Zahlenbereich also nicht überschritten wird (Der Rechner arbeitet mit 8-Bit Binärzahlen), hat das Carry-Bit den
Wert "0". Wird der Zahlenbereich überschritten, dann hat es den Wert "1".
b) Bei der Subtraktion der beiden Zahlen im Akku und im Register B. Wenn das Ergebnis kleiner als 0 ist, hat das
Carry-Bit den Wert „1“, ist das Ergebnis größer oder gleich 0, hat es den Wert „0“.
c) Beim Größenvergleich von zwei Zahlen im binären Zahlensystem zeigt das Übertragsbit, Carry-Bit, das
Ergebnis des Vergleiches an, wie bei der Subtraktion.
Das D-Flipflop U10B (74LS74) speichert dieses Bit, gleichzeitig mit der Übertragung des Rechenergebnisses in
den Ergebnisspeicher. Die Leuchtdiode D42 zeigt es an und das Signal wird auch zum Steuerwerk übertragen. Will
man mit größeren Binärzahlen als acht Bit rechnen, muß von einem acht-Bit-Teil der Binärzahl zum nächsten das
Übertragsbit weitergereicht werden. Die ALU-Chips unterstützen diesen Übertrag. Das Bit hat aber aufgrund des
inneren Aufbaus der ALU bei Subtraktion und Addition verschiedene Bedeutung. Bei der Addition ist das Carry-
Bit "0", wenn kein Übertrag entsteht, bei der Subtraktion aber "1". Für die weitere Verarbeitung im Steuerwerk
muß das Carry-Bit aber in beiden Fällen den gleichen Wert haben. Deshalb ist die Schaltung mit den beiden XOR-
Schaltungen vorgesehen U16C, U16D (74LS386). Eine solche XOR-Schaltung läßt sich als steuerbarer Inverter
verwenden. Wenn man einen Eingang auf "1" legt, dann erscheint das Signal am anderen Eingang invertiert am
Ausgang. Legt man diesen Steuereingang auf "0", dann wird das Signal am anderen Eingang nicht invertiert. Diese
Eigenschaft wird benutzt, um im Falle einer Subtraktion das Carry-Bit zu invertieren, während es im Fall der
Addition nicht invertiert wird. Als Unterscheidungsmerkmal dient die Leitung S0. Bei der Operation A-B ist sie
"0", also wird invertiert, bei A+B ist diese Leitung "1" und das Bit wird nicht invertiert. Diese einfache Schaltung
hat zur Folge, daß die Operation B-A, die in der ALU auch eingebaut ist, nicht mehr richtig funktioniert, denn bei
ihr ist die Leitung S0 auch "1", so daß das Carry-Bit nicht invertiert wird. Dieser Verlust ist allerdings zu
verschmerzen, denn es genügt ja ein Subtraktionsbefehl. Um diesen Nachteil zu vermeiden hätte der
Additionsbefehl vollständig ausdecodiert werden müssen, S0="1", S1="1". Dazu hätte aber noch ein weiteres IC
eingebaut werden müssen. Dem stand die Forderung nach Einfachheit der Schaltung im Wege. Nicht bei allen
Rechnungen ist das Carry-Bit erwünscht. Daher läßt sich das Signal über U17A (74LS00) abschalten. Diese
Schaltung erfordert eine weitere Steuerleitung vom Steuerwerk zum Rechenwerk. Diese Leitung ist auch der
Vereinfachung zum Opfer gefallen. Statt dessen wird einfach die Steuerleitung für das Ergebnistor hierfür mit
verwendet. Das Carry-Bit wird am Anfang der Rechenoperation gebraucht, wenn das Ergebnistor noch keine Rolle
spielt. Was dann auf dem internen Datenbus geschieht, ist gleichgültig, allerdings muß dazu das Eingangstor zu
sein. Nach der Rechnung, wenn das Ergebnistor aktiv wird, ist das Carry-Bit am Eingang uninteressant.
Die Steuerung der Tore und Register
Die Register Akku, B und Ergebnis werden mit einem "1" Signal geöffnet, während das Eingangstor, das
Ausgangstor und das Ergebnistor mit einem "0"-Signal am Chip geöffnet werden. Das haben die Hersteller nun mal
so vorgesehen. Die Gründe für diesen Unterschied liegen nicht in der Schaltung des Modellrechners. Damit die
Steuerung des Rechenwerkes einheitlich wird, gibt es für die Steuerleitungen der Tore jeweils einen Inverter. So
öffnen sich alle Elemente aus Sicht des Steuerwerkes mit einem "1"-Signal. Das ist insbesondere beim Betrieb mit
der Schalterplatine von Bedeutung. Hier ist im Sinne des unerfahrenen Benutzers die gleichartige Behandlung aller
Signale wichtig.
Die Signalanzeige
Mit Ausnahme der Leuchtdioden für Carry-Bit, Zero-Bit und
Ergebnistor ist für alle Signale die im Modellrechner übliche
Schaltung aus invertierendem Treiber (74LS540), Leuchtdioden
und dem Widerstandsarray oder einzelnen Widerständen
eingebaut. Die beiden Leuchtdioden für Carry- und Zero-Bit
steuern die invertierenden Ausgänge der zugehörigen D-Flipflops
U10 direkt. Für die LED des Ergebnistores ist die NAND-
Schaltung U17C zuständig. Der Inhalt des Akkus, des Registers B
und des internen Datenbusses werden jeweils durch acht parallele
Leuchtdioden angezeigt. Alle Steuerleitungen haben eine eigene
Leuchtdiode neben dem zugehörigen Baustein. Wenn die
Leuchtdiode leuchtet, ist die Leitung aktiv.
1
D25
LED
D26
2
Reg.B 7
1 2
Reg.B Inhalt
LED Reg.B 6
D27
1 2
Reg.B 5
1 R4
LED
D28
VCC 9 1 2
8
Reg.B 4
8x220
7
6
5
4
3
2
LED
D29
1 2
Reg.B 3
LED
D30
1 2
LED Reg.B 2
D31
1 2
LED Reg.B 1
D32
1 2
LED Reg.B 0
U5 GND
G2 19
G1 1
11
12 Y8 A8
13 Y7 A7
14 Y6 A6
15 Y5 A5
18
17 16 Y4
Y3
Y2 A2 A3 A4
Y1 A1 2
3 4 5 6 7 8 9
74LS540
19

Die Schalterplatine
Die Schalterplatine
Mit der Schalterplatine läßt sich der gesamte Modellrechner mit der Hand steuern. Sie ersetzt in der ersten Phase
die Platine mit dem Steuerwerk. Mit den Schaltern lassen sich die grundlegenden Operationen eines
Mikrocomputers von Hand ausführen. Die automatische Funktion des Steuerwerkes wird durch die eigene
Tätigkeit durchschaubar.
Bei der Schalterplatine wurde auf den Programmzähler, die
Indexregister und das Stackregister verzichtet. Im ersten,
grundlegenden Teil der Untersuchung eines
Mikroprozessorsystems haben diese Komponenten noch keine
Bedeutung. Bei Bedarf wird eine Speicheradresse auf den
Adreßschaltern eingestellt. Die Schalterplatine ermöglicht aber
die vollständige Kontrolle des Rechenwerkes, des Speichers und
der IO-Platine. Es könne alle Befehle von Hand ausgeführt
werden, die ein Mikroprozessor ausführen kann, auch die Indexund
Stackbefehle.
Der Datenbus
Die Leuchtdioden (D81...D88) zeigen ständig den Inhalt des
Datenbusses an. Der Treiberbaustein des Typs 74LS540 (U81)
liefert den nötigen Betriebsstrom für die Leuchtdioden.
Der vorgesehene Platz für eine IC-Fassung mit der Beschriftung
"Dateneingabe" sollte nicht bestückt und nicht benutzt werden.
2
D8
LED
1
D7R
D7L D6L
2
D87
LED
1
D6R
VCC
D5L
2
D86
LED
1
D5R
GND
1
9 1
9 8 7 6 5 4 3 2
G
2
G
1
A
8
A
7
A
6
A
5
A
4
A
3
A
2
A
1
D4L
2
D85
LED
1
D4R
D3R
Y
8
Y
7
Y
6
Y
5
Y
4
Y
3
Y
2
Y
1
1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8
D1L
D3L
2
D84
LED
1
9 8 7 6 5 4 3 2
1
Datenbus-Anzeige
D7
D2R
D1R
D0R
R83
8x20
D2L
2
D83
LED
1
D0
U81
74LS540
D0L
2
D82
LED
1
2
D81
LED
1
Die Adreßeingabe
Die Adreßeingabe erfolgt über den DIL-Schalter K80.
Er schaltet gegen "0". Wenn einer der Teilschalter auf
"1" steht, ist er offen. Um auch in diesem Fall einen
definierten Eingangspegel für U80 herzustellen, sind
alle Leitungen von K80 über R82 als Pull-Up-
Widerstände mit "1" verbunden. Die Beschriftung
"ON" auf den meisten DIL-Schaltern ist hier
irreführend. Es ist weiter zu beachten, daß die
Schaltweise hier umgekehrt zur Schaltweise auf der
Speicherplatine ist. Um hier und auch auf der
Speicherplatine die "0"-Stellung der DIL-Schalter
rechts zu haben, muß der Schalter hier um 180°
gegenüber dem Speicher gedreht sein (ein kleiner
Schönheitsfehler). Das Tor U80 (74LS541) ist im
normalen Betrieb offen, damit die eingestellte Adresse
über den Adreßbus zum Speicher oder die Ein-
Ausgabeplatine gelangt. Es muß aber geschlossen
werden, wenn die Adresse auf der Speicherplatine
selber erzeugt wird, bei Handeingabe oder PC-Eingabe
in den Speicher. Dieser Fall wird über die Leitung
EXTERN mit einem "0"-Signal gemeldet. Die NAND-
Schaltung U82A invertiert das Signal und schaltet
dann mit der "1" an ihrem Ausgang das Tor ab. Das
"0"-Signal an Pin 7 des Steckverbinders zeigt dem
Speicher an, daß der PC auf den Speicher zugreifen kann. Diese Leitung muß einen definierten Wert haben, sie
bekommt aber erst im Zusammenhang mit dem Steuerwerk ihre Bedeutung.
1
2
U82A
74LS00
EXTERN
3
1 1 1 1 11
1
1 2 3 4 5 67
8
YYYYYYYY
8 7 6 5 4 3 2 1
GG
AAAAAAAA
2 1 8 7 6 5 4 3 2 1
1
EXN
91
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
U80
74LS541
9 8 7 6 5 43
2
AA
AA
AA
AA
76
54
32
1 0
SS
SS
SS
SS
R82
2
3
4
5
6
7
8
9 1
8 7 6 5 4 32 1
9 1
1 1 11
1
0 1 2 3 45
6
GND
K80
DIP8
8x2.2k
GND
GND
GND
VCC
P84
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
20

Die Schalterplatine
Die Steuerschalter
Die Steuerschalter lassen sich in vier Gruppen aufteilen.
Die erste Gruppe (K82, K83, K84) stellt die Betriebsart der ALU ein, siehe Funktionstabelle bei der
Beschreibung der Bauteile. Die Schalter sind direkt mit den Eingängen S0, S1, S2 der ALU auf dem Rechenwerk
verbunden. Sie schalten nach "0". Über R85, als Pull-Up-Widerstände, sind alle Leitungen bei offenen Schaltern
auf "1" gelegt.
Die zweite Gruppe (K87, K88, K92) öffnen und schließen das Ausgangstor, das Eingangstor und das Ergebnistor.
Sie sind genauso geschaltet wie die erste Gruppe.
Die dritte Gruppe (K93, K94, K95, K96) steuern die Schreib- und Leseleitungen der Speicherplatine und der Ein-
Ausgabeplatine. Auch sie sind wie die erste Gruppe geschaltet, ihre Pull-Up-Widerstände stecken in R84.
Die letzte Gruppe (K89, K90, K91) steuert die Register Akku, B und Ergebnis auf dem Rechenwerk.
Diese Register sind Flipflop-Schaltungen. Diese sind in ihrer Ansteuerung empfindlich gegen Störimpulse. Aus
diesem Grund lassen sich hier keine einfachen Schalter verwenden, denn sie prellen 12 immer, was zu unerwünschten
Impulsen führt. Um diese Impulse auf der Signalleitung zu unterdrücken wird hier ein Entprell-Flipflop verwendet.
Es besteht aus zwei NAND-Schaltungen (U82, U83), die zu drei RS-Flipflops zusammengeschaltet sind. Ein
Flipflop reagiert schon auf den ersten Impuls auf seinem Eingang und behält seinen Zustand bei, bis der andere
Eingang angesteuert wird. Der erste Impuls des prellenden Schalters kippt also das Flipflop schon um, und die
restlichen, unerwünschten Prellimpulse kommen nicht mehr auf der Signalleitung an. Beim Umschalten des
Schalters kippt das Flipflop zurück. Alle Schaltereingänge der NAND-Schaltungen sind über R86 und R87 auf "1"
gelegt. Hier ist die Störschutzfunktion dieser Pullup-Widerstände besonders wichtig.
12 Jeder Schalter prellt, d. h. er schließt nicht sofort vollständig, sondern er öffnet und schließt erst ein paarmal,
bevor er endgültig geschlossen bleibt. Das liegt an der mechanischen Reibung zwischen den Schaltkontakten. Beim
Öffnen tritt das gleiche Problem auf.
21

Die Schalterplatine
zum Rechenwerk
P83
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Ausgangstor
Eingangstor
RegisterB
Akku
S0
S1
S2
Ergebnisspeicher
Ergebnistor
GND
GND
GND
14 HEADER
VCC
1 R85
5x2.2k
2 34 5 6
K82
GND
Schalter S0
K83
GND
Schalter S1
K84
GND
Schalter S2
Beriebsart
der ALU
Steuerung
VCC
1 R86
VCC
GND
6
5
4
3
2
K89
Schalter
Reg. B
5x2.2k 9
K90 10
GND
Schalter
Akku
GND
K91
Schalter
R87 Ergebnis
2.2k
1
2
4
5
12
13
4
5
9
10
Die Steuerschalter
U83A
74LS00
U83B
74LS00
U83C
74LS00
U83D
74LS00
U82B
74LS00
U82C
74LS00
3
6
8
11
6
8
K87 GND
GND
Schalter
K88 GND
GND
Schalter
K92 GND
GND
Schalter GND
6 5 4 32
1
VCC
K93
Schalter
K94
Schalter
K95
Schalter
K96
Schalter
R84
5x2.2k
IOREAD
IOWRITE
MEMREAD
MEMWRITE
22

Die Speicherplatine
Die Speicherplatine
Zur Untersuchung der Speicherplatine sollte das Schaltbild ohne PC-Anschluß bereitliegen. Hier sind die Teile
weggelassen, die mit dem grundsätzlichen Aufbau der Speicherplatine nichts zu tun haben.
Der Speicher
Der Speicherteil ist sehr einfach aufgebaut. Er enthält nur den Speicherchip U40 (6216), einen Adreßwahlschalter
S44, die beiden NOR-Schaltungen U47B, U47C (74LS27) und den Dateneingabeschalter S43. Eine
Adreßdecodierung am Adreßbus ist nicht nötig, denn der Speicherchip deckt den gesamten Adreßraum des
Modellrechners ab. Es ist keine Unterscheidung zwischen mehreren Speicherbausteinen nötig, wie sie in normalen
Mikrocomputersystemen vorhanden sind. Der Baustein 6216 enthält 2048 Speicherplätze zu je acht Bit. Das sind
acht einzelne Bereiche zu je 256 Speicherplätzen zu acht Bit. Mit drei der vier Teilschalter des DIL-Schalters S45
lassen sich acht verschiedene Adreßbereiche im Speicher auswählen. Der vierte Teilschalter wird nicht benutzt.
Diese drei benutzten Schalter steuern die Adreßleitungen A8, A9, A10. Alle drei Leitungen sind über Widerstände
an "1" gelegt. Wer will, kann in die einzelnen Bereiche Programme auf Vorrat schreiben und sie dann sehr schnell
zur Verfügung stellen. Mit geringem Verdrahtungsaufwand läßt sich der Speicher aber auch so erweitern, daß das
automatische Steuerwerk nicht nur einen 256-Byte Bereich verwendet sondern mit einem Code-, einem Daten- und
einem Stacksegment zu je 256 Byte arbeitet. Die Adreßeingänge A0...A7 liegen direkt am Adreßbus des
Modellrechners. Will man den Speicher ansprechen, dann muß entweder ein Schreibsignal oder ein Lesesignal
gegeben werden. Beim automatischen Betrieb kommt dieses Signal (MEMWRITE, MEMREAD) vom Steuerwerk
oder es kommt von der Schalterplatine mit dem Wert "1". Der Speicher erwartet aber zur Aktivierung ein
"0"-Signal. Also wird das entsprechende Steuersignal in der zugehörigen NOR-Schaltung invertiert. Zur Anzeige
wird es jeweils in U52 doppelt invertiert und durch seine Leuchtdiode angezeigt. Die erste Inversion macht aus
dem "0"-Signal eine "1", die dann mit dem zweiten Inverter über die LED angezeigt wird. Bei einem Schreib- oder
Lesesignal wird einer der beiden Eingänge von U46A "0" und damit dessen Ausgang "1". Es folgt noch eine
Inverterstufe mit dem Transistor Q1. Sein Ausgangssignal "0" ist auf den Eingang CE des Speichers gelegt.
Dadurch wird der Speicher aktiviert. Im Fall des Lesebefehls ist auch das Signal am Eingang OE des Speichers
"0". Es erscheinen dann die gespeicherten Daten auf den Datenleitungen und gelangen von da auf den Datenbus.
Bei einem Schreibbefehl wird der Speicher in der gleichen Weise aktiviert. Jetzt liegt aber am Eingang WE die
"0" und die Daten, die der Datenbus liefert, werden auf der angelegten Adresse gespeichert.
Die Invertierung der Schreib- und Lesesignale durch die dreifach-NOR-Schaltungen statt durch einfache Inverter
ergibt sich im Zusammenhang mit dem Automatikbetrieb, der Handsteuerung und der PC-Steuerung. Alle drei
Möglichkeiten sind über das dreifach-NOR zusammengeführt.
Die Handsteuerung
Die Speicherplatine enthält fünf Steuerelemente zur Handsteuerung des Speichers. Einen DIL-Schalter für die
Adresseneingabe, einen DIL-Schalter für die Dateneingabe, einen Schreibtaster, einen Lesetaster und einen
Umschalter von Automatikbetrieb auf Handbetrieb.
Wenn der Umschalter auf Automatikbetrieb steht, ist der Eingang Pin 12 von U47A auf "1" gelegt. Da die beiden
anderen Eingänge fest mit "0" verbunden sind, ist das Ausgangssignal "0", einfache Inversion. Am Lese- und
Schreibtaster liegen also an beiden Seiten an "0", denn das andere Ende ist über einen Widerstand mit "0"
verbunden. Wenn sie jetzt betätigt werden, dann hat das keine Auswirkung. Schaltet man den Umschalter auf
Handbetrieb, dann ist auch Pin 12 von U47A "0" und der Ausgang hat den Wert "1". Diese "1" läßt sich nun über
den Schreib- oder Lesetaster auf U47B oder U47C legen. Als NOR-Schaltung reichen sie das Signal weiter und es
erfolgt der gleiche Ablauf wie beim automatischen Speicherbetrieb beschrieben. Wenn der Schalter auf
Handbetrieb steht, wird dem Steuerwerk oder der Schalterplatine mit dem Signal EXTERN signalisiert, daß von da
aus nicht auf den Speicher zugegriffen werden darf. Die Steuerungsmöglichkeit über die Schalter auf der
Speicherplatine ist nur dazu vorgesehen, Programme oder Daten direkt in den Speicher einzugeben. Während des
Ablaufes einer Operation soll nur über das Steuerwerk oder die Schalterplatine auf den Speicher zugegriffen
werden, denn das entspricht dem normalen Arbeitsablauf. Ein direkter Eingriff in den Speicher darf dann nicht
auftreten.
23

Die Speicherplatine
Die Adreßeingabe
Den Inhalt des Adreßbusses zeigen die Leuchtdioden D48...D55 an. Der Treiber U49 sorgt für ihre Ansteuerung.
Der DIL-Schalter S43 verbindet die Eingänge des Tores U45 (74LS541) mit "1". Weiter sind sie über R41 mit "0"
verbunden. An ihnen kann die gewünschte Adresse eingestellt werden. Falls der Hand- Automatikschalter auf
Automatikbetrieb steht, ist das Tor gesperrt. Bei Automatiksteuerung kommt die Adresse ja auch aus dem
Steuerwerk. Bei Handbetrieb ist es offen und die eingestellte Adresse liegt an den Leuchtdioden und dem Speicher
an. Die Adreßausgabe des Steuerwerkes ist in diesem Fall gesperrt.
Die Dateneingabe
Den Inhalt des Datenbusses zeigen ständig die Leuchtdioden D40...D47 an. Sie werden von U48 (74LS540)
gesteuert. Für die Dateneingabe gibt es ein Tor zum Datenbus U44 (74LS541). Es ist genauso geschaltet wie bei der
Adreßeingabe beschrieben. Allerdings darf es nur dann geöffnet werden, wenn der Handbetrieb eingeschaltet ist,
und wenn der Schreibtaster gedrückt worden ist. Deshalb wird das Tor mit dem Schreibtaster über den Inverter
U46B freigegeben.
Die PC-Steuerung
Der Modellrechner hat einen Anschluß für den Druckerport des PC. von hier aus lassen sich die Inhalte des
Speichers lesen und auch schreiben. Das ist erheblich bequemer als mit den Mäuseklavieren. In der Anfangsphase
mit der Schalterplatine spielt das aber noch keine Rolle. Interessant wird die Sache dann, wenn das Steuerwerk
eingebaut ist. Die Assemblerprogramme lassen sich dann in der Assembler-Entwicklungsumgebung mit dem
Programm SIMO.EXE auf dem PC erstellen, assemblieren und in den Modellrechner übertragen, wo sie dann
ablaufen können.
24

Die Stromversorgung
Die Stromversorgung
Der Modellrechner wird mit einer Gleichspannung von etwa 8-10V
versorgt. Diese Spannung (P12V) liegt auf allen Platinen vor. Auf
jeder ist ein Spannungsregeler 78S05 eingebaut, der daraus die
stabile Betriebsspannung von 5V (VCC) zum Betrieb der TTL-
Chips zur Verfügung stellt Die Leiterbahnen auf den Platinen sind
relativ dünn, daher würde bei einer zentralen Versorgung mit 5V
ein zu großer Spannungsabfall auf dem Weg zu den einzelnen
Bausteinen entstehen, so daß das System nicht mehr zuverlässig arbeiten könnte. Weiter liegt der Strombedarf der
Platinen zum Teil über 1A, damit ist jeder einzelne 78S05 schon gut ausgelastet, er verträgt maximal 1,5A. Am
Eingang jeder Spannungsregelschaltung ist eine Diode zum Verpolungsschutz eingebaut. Dieser Schutz ist wichtig
in der Hektik beim Einsatz des Systems in der Schule. Man verwechselt zu leicht die beiden Stecker zum
Netzgerät. Ein Nebeneffekt ist noch, daß sich das System notfalls mit Wechselstrom betreiben läßt. Ein Netzgerät
mit Brückengleichrichter ist aber vorzuziehen. Die Spannung braucht nicht stabilisiert und geglättet zu sein, das
geschieht auf jeder Teilplatine des Rechners getrennt durch den 1000µF Elektrolytkondensator. Am Ein- und
Ausgang des Stabilisators ist jeweils ein 100nF Kondensator eingebaut, der störende Hochfrequenzschwingungen
vermeidet, die sonst leicht in den Chips 78S05 entstehen. Über die ganze Platine sind weitere 100nF Kondensatoren
zwischen den Polen der Stromversorgungsleitungen verteilt. Sie fangen Stromspitzen auf, die in Digitalschaltungen
entstehen können. Sie dienen damit der Entstörung des Systems.
Bei der Regelung in den Stabilisatorchips entsteht in ihnen Abfallwärme. Diese Wärme wird durch einen
Kühlkörper abgeführt. Nicht wundern, die Kühlkörper werden zum Teil heiß, Brandblasen sind aber nicht zu
befürchten. Je höher die Eingangsspannung der Stromversorgung, desto heißer werden die Kühlkörper. Zur
Versorgung eignen sich gut die regelbaren Gleich- Wechselspannung Netzgeräte aus der Physiksammlung. Sie sind
zwischen 0V und ca. 25V regelbar und liefern mehr als genug Strom. Die richtige Betriebsspannung läßt sich auch
ohne Voltmeter leicht einstellen, wenn man das Netzgerät von 0V aus so lange hochregelt, bis die Leuchtdioden auf
dem Modellrechner nicht mehr heller werden oder vollständig ausgehen, dann arbeitet die Spannungsregelung
richtig. Die Eingangsspannung liegt dann bei etwa 8-10V.
Wer den Modellrechner mit einem handelsüblichen geregelten 12V Netzgerät, mindestens 3A, betreiben will, sollte
die Spannung auf ca. 8V reduzieren. Im Inneren dieser Netzgeräte gibt es ein Potentiometer, an dem die Spannung
eingestellt werden kann.
Die rote Buchse ist der + Pol, die schwarze Buchse der - Pol. Die 4mm Buchsen passen zu den üblichen
Laborkabeln aus der Physiksammlung.
VCC
100n
GND
LM7805
VO
G
N
D
VI
GND
GND
Die Stromversorgung
UROH
100n
GND
1000uF
1N4007
P12V
25

Die Fehlersuche
Die Fehlersuche
Nach dem Bestücken der Platinen mit den ICs sollte noch einmal eine gründliche Prüfung stattfinden, ob sich keine
Lötzinnbrücken auf den Platinen mehr finden, ob alle Bauteilbeine wirklich gut angelötet sind, keine kalten
Lötstellen mehr vorhanden sind und alle ICs in der richtigen Richtung an der richtigen Stelle eingesetzt sind.
Nun können die drei Platinen Rechenwerk, Schalter und Speicher miteinander verbunden werden. Nach dem
Anschluß der Betriebsspannung kann die erste Grundprüfung beginnen.
Grundfunktionsprüfung
Alle DIL-Schalter des Systems, auf der Schalter- und der Speicherplatine müssen für die ersten Tests auf "0" stehen
und der Hand/Auto-Schalter auf "Auto". Wenn alle Schalter der Schalterplatine auf "0" stehen, darf keine der
roten, runden Leuchtdioden im System leuchten, außer eventuell den Dioden "C" (Carry-Bit) oder "Z" (Zero-Bit)
auf dem Rechenwerk. Die gelben Leuchtdioden von Akku, Register B und Ergebnisspeicher zeigen irgendwelche
zufälligen Bitmuster. Die LEDs des internen Datenbusses auf dem Rechenwerk und die LEDs des externen
Datenbusses auf der Schalterplatine und der Speicherplatine müssen alle an sein. Die roten LEDs für die Adressen
auf der Speicherplatine müssen aus sein.
Test der Schalterplatine
Test der LEDs auf dem externen Datenbus
Wenn einzelne der Leuchtdioden auf dem externen Datenbus, oben auf der Platine, nicht leuchten sollten, gibt es
mehrere mögliche Ursachen:
−
−
−
−
−
Eine Lötstelle an diesen Leuchtdioden oder dem Steuer-IC ist nicht in Ordnung, dann nachlöten.
Das Steuer-IC ist defekt. Das läßt sich durch Tausch mit einem anderen Exemplar erkennen. Auf den Platinen
sind genug Vergleichsobjekte eingebaut.
Die entsprechende Leuchtdiode ist falsch herum eingelötet. Das läßt sich schon von außen sehen, denn die
Dioden sehen von der Seite auf beiden Seiten etwas anders aus. In diesem Fall die LED auslöten und umdrehen.
Die Leuchtdiode ist defekt und muß ausgetauscht werden.
Irgendwo auf dem externen Datenbus ist ein Kurzschluß, auf einer der drei Platinen, suchen und beseitigen.
Schaltertest
Der Reihe nach werden alle Schalter betätigt. Dabei muß jeweils die zugehörige Leuchtdiode auf dem Rechenwerk
oder der Speicherplatine aufleuchten. Falls nicht, oder falls die Leuchtdiode nicht ausgehen sollte, wird zunächst
die Schaltwippe im Innern des Schalters mit einem spitzen Gegenstand vorsichtig mehrmals bewegt. Meistens ist
damit der Fehler schnell behoben. Das ist ein bauartbedingtes Problemchen bei den verwendeten Schaltern. Wenn
die Sache danach noch nicht funktioniert, die entsprechenden Leuchtdioden und die Treiber-ICs auf richtige Polung
und gute Lötstellen überprüfen. Die Steuerung der Register auf dem Rechenwerk geschieht nicht direkt durch die
Schalter, sondern es sind die beiden ICs 74LS00 auf der Schalterplatine zwischen geschaltet. Gegebenenfalls auch
diese prüfen.
Der Adreßschalter
Wenn alle Schalter des DIL-Schalters nach rechts geschaltet sind, das muß dann die Stellung "ON" sein, Schalter
eventuell umdrehen, müssen alle Adreß-LEDs auf der Speicherplatine aus sein. Sie sollten sich jetzt der Reihe nach
einschalten lassen. Wenn eine LED nicht angehen sollte, die Diode, die Lötstellen am Schalter, am IC 74LS541, an
der Steckerleiste und an der Buchsenleiste der Speicherplatine prüfen. Wenn zwei LEDs gleichzeitig bei einem
Teilschalter angehen, liegt ein Kurzschluß zwischen den beiden Leitungen vor.
26

Die Fehlersuche
Test der Adressen- und Dateneingabe mittels Schalter in den Speicher
(von Volker Ludwig)
Test der Adresseneingabe
Die Verbindung zum Rechner lösen. Den AUTO/HAND-Schalter der Speicherplatine auf HAND stellen. Den
Speicherchip entfernen. Die Adressenschalter auf ON stellen. Nun müssen die ADRESSEN-LEDs angehen. Bei
mangelnder Funktion U45 und U49 austauschen. Wenn sich auch dann keine Veränderung einstellt, R 41 und R 51
sowie die Stromversorgung am den beiden ICs überprüfen. Jetzt können nur noch die ADRESSEN-LEDs verpolt
sein. U49 entfernen und mit Masse an Pin 1-8 des IC-Sockels gehen, dann müssen die ADRESSEN-LEDs leuchten.
Test Der Dateneingabe
Die Datenschalter auf ON stellen und den WRITE-Schalter betätigen. Nun müssen die DATEN-LEDs angehen. Ist
das nicht der Fall, U44 bzw. U48 wechseln, R 42 bzw. R 48 sowie die Stromversorgung überprüfen. Jetzt können
nur noch die DATEN-LEDs verpolt sein. U48 entfernen und mit Masse an Pin 1-8 des IC-Sockels gehen, dann
müssen die DATEN-LEDs einzeln leuchten.
Test der Datenspeicherung
Den Speicherchip einsetzen. Die Adressenschalter auf OFF = 00000000 stellen. Die Datenschalter auf ON =
11111111 stellen.
WRITE-Funktion
Den WRITE-Taster betätigen: alle DATEN-LEDs gehen an.
Ist dies nicht der Fall, U47 auswechseln bzw. die Stromversorgung von U47 überprüfen. Wenn es witer nicht
funktioniert, wie folgt nachmessen: Der Schalter HAND legt Pin 13, einen Eingang von U47 A auf 0. Durch die
NOR-Funktion wird Pin 12, der Ausgang von U47 A 1. Diese 1 gelangt an die linke Seite des Widerstandes R 50
oberhalb des WRITE-Tasters und Pin 10, einem NOR- Eingang von U47 C, wenn der WRITE-Taster betätigt wird
(Pin 9 und l1 sind 0.), durch die NOR-Funktion wird der Ausgang Pin 8 dann 0.
READ-Funktion
READ-Taster-Funktion überprüfen
Den READ-Taster betätigen. Die DATEN-LEDs gehen an. Den Adressenschalter auf 10000000 stellen. Den
WRITE-Taster betätigen. Alle DATEN-LEDs gehen an. Ist das nicht der Fall, muß U47 bzw. das Speicher-IC U40
ausgewechselt werden. Danach die Stromversorgung beider ICs überprüfen. Bei Fehlfunktion U47 auswechseln
bzw. die Stromversorgung von U47 überprüfen bzw. wie folgt nachmessen: Eine 1 gelangt an die linke Seite des
Widerstandes oberhalb des READ-Tasters und Pin 5, einem NOR- Eingang von U47 B, wenn der WRITE-Taster
betätigt wird (Pin 3 und 4 sind 0.), durch die NOR-Funktion wird der Ausgang Pin 6 dann 0.
Überprüfung weiterer Funktionen
Den READ-Taster betätigen. Alle Daten-LEDs gehen an. Ist dies immer noch nicht der Fall, das Speicher-IC U40
auswechseln bzw. die Stromversorgung überprüfen. Bei weiterer Fehlfunktion überprüfen, ob bei WRITE eine 0 an
27

Die Fehlersuche
Pin 21 des Speicher-ICs gelangt, es muß die WR-LED angehen. Gelangt eine 0 an Pin 20 bei READ? Liegt eine 1
an Pin 18? Geht diese 1 auf 0 bei READ oder WRITE?
Wenn bei Pin 18 des Speicher-ICs diese Veränderungen nicht nachzuweisen sind, wie folgt nachmessen: Der
Zustand 1->0 von Pin 6 des IC U47B bzw. Pin 8 von U47C muß an Pin 1+2 IC U52A bzw. 12+13 von IC U52D
nachvollziehbar sein. Folglich müssen die Ausgänge Pin 6 von IC U52B bzw. Pin 8 von U52 C von 1->0 gehen, die
RD-LED bzw. WR-LED muß jeweils angehen. Weiterhin muß Pin 1 bzw. Pin 2 des IC U46A dem Zustand 1->0
folgen, so daß der Ausgang Pin 3 bei WRITE- oder READ-Betätigung von 0->1 geht. In der Folge muß der
Kollektor des Transistors von 1->0 gehen, nachzumessen am rechten Teil des 1 kOhm Widerstandes unterhalb des
4-fach Schalters.
Abschließende Überprüfung
Den Adressenschalter nun wieder auf 00000000 stellen. Den Datenschalter auf OFF = 00000000 stellen, den
READ-Taster betätigen. Alle Daten-LEDs müssen angehen. Den Adressenschalter auf 10000000 stellen, den
READ-Taster betätigen. Alle Daten-LEDs müssen angehen.
Test des Rechenwerkes
Schreiben Sie auf zwei Speicherplätze des Speichers die beiden Bitmuster "01010101" und "10101010".
Lesen Sie dann das erste Bitmuster aus, öffnen das Eingangstor, den Akku und das Register B. Das Bitmuster muß
dann in beiden Registern erscheinen. Wenn nicht alle Leuchtdioden das richtige Bitmuster zeigen, wieder Dioden
und Ansteuerung prüfen, wie oben beschrieben. Falls sich das Bitmuster nicht ändert, Leitung vom Register zur
Schalterplatine prüfen. Der gleiche Test sollte mit dem anderen Bitmuster ausgeführt werden, um alle LEDs zu
testen.
Nun folgt die Addition von zwei mal "01010101". Das Bitmuster in Akku und Register B schreiben, dann folgt die
Addition. Dazu die Schalter S2,S1,S0 auf der Schalterplatine auf 011, Betriebsart Addition des Rechenchips,
stellen. Mit Öffnen des Ergebnisregisters sollte jetzt die Summe "10101010" im den Ergebnis-LEDs zu sehen sein.
Die "C"-LED und die "Z"-LED müssen aus sein.
Letzter Schritt ist die Übertragung des Rechenergebnisses in den Akku. Dazu Eingangstor schließen, Ergebnistor
öffnen, dann ist das Rechenergebnis auf dem internen Datenbus, Akku öffnen, dann steht die Summe im Akku und
danach Akku und alle Tore wieder schließen. Der gleiche Test mit dem Bitmuster "10101010" ergibt als Summe
"0101010". Zusätzlich muß nun die "C"-LED leuchten, denn es entsteht bei der Addition ein Übertrag. Die
"Z"-LED ist aus, denn das Rechenergebnis war nicht "00000000".
Bei Addition von "11111111" und "00000001" muß die "Z"-LED angehen, denn jetzt entsteht die Summe
"00000000".
Waren alle Tests erfolgreich, ist das System fertig und betriebsbereit...
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Das Simulationsprogramm MODELL.EXE
Das Simulationsprogramm MODELL.EXE
Im praktischen Unterrichtseinsatz hat man leider nicht für jede Schülergruppe einen kompletten Modellrechner zur
Verfügung. Damit die Schüler trotzdem gruppenweise mit dem System arbeiten können, gibt es das
Simulationsprogramm MODELL.EXE, das den Handbetrieb des Modellrechners auf dem PC-Bildschirm simuliert.
Es sind hier alle Elemente des Rechners dargestellt. Ihre Steuerung geschieht auf drei Arten.
interner Datenbus
Reg.B
Akku
Eing.Tor
externer Datenbus
Speicher
Adresse Wert
ALU
C
Ausg.Tor
Z
Adresse
Erg.Reg.
Simulation des Modellrechners
Erg.Tor
Handbetrieb
Burkhard John 5/95
Eing.Tor, Ausg.Tor, Erg.Tor, Write Mem. Read Mem.
Akku, Reg.B, Erg.Reg., Datenbus, Adresse
Add, Sub, Und, Oder, XOR,
Ende
Der Bildschirm des Programms MODELL.EXE
1.) Maussteuerung
Wenn der Rechner über eine Maus verfügt, lassen sich alle Elemente damit direkt oder durch Anklicken des
entsprechenden Menüpunktes am unteren Bildschirmrand steuern oder schalten.
2.) Cursorsteuerung
Alle Funktionen lassen sich auch über die Cursortasten auswählen und mit der "Return"-Taste auslösen.
3.) Schaltersteuerung
Die Schalter der Schalterplatine sind durch eine Reihe von Tasten auf der Tastatur ersetzt.
Die Taste...
29

Das Simulationsprogramm MODELL.EXE
F1 öffnet/schließt das Eingangstor.
F2 öffnet/schließt das Ausgangstor.
F3 öffnet/schließt das Ergebnistor.
F4 öffnet/schließt den Akku.
F5 öffnet/schließt das Register B.
F6 öffnet/schließt das Ergebnisregister.
"A" schaltet die ALU auf Additionsbetrieb.
"S" schaltet die ALU auf Subtraktionsbetrieb.
"U" schaltet die ALU auf UND-Funktion.
"O" schaltet die ALU auf ODER-Funktion.
"X" schaltet die ALU auf XOR-Funktion.
"D" schreibt Daten von der Tastatur auf den externen
Datenbus.
"M" schreibt eine Adresse von der Tastatur auf den
Adressbus.
"W" schreibt die Daten vom externen Datenbus in
den Speicher, auf die Adresse, die auf dem
Adressbus anliegt.
"R" holt die Daten auf der angegebenen Adresse aus
dem Speicher auf den externen Datenbus.
"ESC" beendet das Programm.
Nach Auswahl des Menüpunktes "D" muß eine Zahl (0...255) eingegeben werden, die dann als Daten auf den
externen Datenbus geschrieben wird.
Entsprechend läßt sich mit dem Menüpunkt "M" eine Speicheradresse einstellen.
Diese beiden Punkte bilden die Daten- und Adreßeingabe im Handbetrieb der Speicherplatine nach.
Es gibt zwei Unterschiede in der Bedienung zum Hardware-Modellrechner:
1.) "W" führt eine komplette Schreiboperation aus, der Speicher braucht nicht wieder geschlossen zu werden.
2.) "R" führt eine komplette Leseoperation aus, der Speicher braucht nicht wieder geschlossen zu werden.
Das Programm ist für Farbdarstellung geschrieben. Wenn es bei einem schwarzweiß-Bildschirm zu Problemen mit
der Darstellung kommt, weil die Farben nicht richtig umgesetzt werden, kann das Programm mit den Parametern
"P" oder "N" gestartet werden. Die Darstellung ist dann schwarzweiß entweder positiv oder negativ. Je nach
Bildschirm ist der Menücursor dann eventuell nicht mehr darstellbar. Die Tasten- und Mausbedienung
funktionierten natürlich unabhängig von den Bildschirmfarben.
30

Anhang
Anhang
Pinbelegungen der Steckerleisten
Datenbus
Die Steckverbinder für den Datenbus sind auf allen Platinen als 10 polige Stiftverbinder ausgeführt. Auf der linken
Seite der Platinen jeweils als Stiftleisten und auf der rechten Seite als Buchsenleisten.
Rechenwerk:
Steuerwerk:
Speicher:
IO-Platine:
Schalterplatine:
Buchsenleiste P1
Steckerleiste P20
Buchsenleiste P21
Steckerleiste P41
Buchsenleiste P42
Steckerleiste P61
Buchsenleiste P62
Steckerleiste P81
Buchsenleiste P82
Pin 10: D7
Pin 9: D6
Pin 8: D5
Pin 7: D4
Pin 6: D3
Pin 5: D2
Pin 4: D1
Pin 3: D0
Pin 2: Betriebsspannung (-)
Pin 1: Betriebsspannung (+8V)
31

Anhang
Adreßbus und Steuerbus
Für den Adreß- und Steuerbus zur Steuerung des Arbeitsspeichers und der Ein- Ausgabeplatine ist jeweils eine 20
polige Stiftverbinderleiste vorgesehen. Wie beim Datenbus ist auf der linken Seite der Platinen eine Stiftleiste
montiert, auf der rechten Seite eine Buchsenleiste.
Steuerwerk:
Speicher:
Schalterplatine:
Buchsenleiste P23
Steckerleiste P43
Buchsenleiste P84
Pin 20: A7
Pin 19: A6
Pin 18: A5
Pin 17: A4
Pin 16: A3
Pin 15: A2
Pin 14: A1
Pin 13: A0
Pin 12: IO-Lesen
Pin 11: IO-Schreiben
Pin 10: Speicher Lesen
Pin 9: Speicher Schreiben
Pin 8: Externer Zugriff
Pin 7: Singlestep
Pin 6: Singlestart
Pin 5: Reset
Pin 4: Betriebsspannung (-)
Pin 3: Betriebsspannung (-)
Pin 2: Betriebsspannung (-)
Pin 1: Betriebsspannung (-)
Speicher
IO-Platine:
Buchsenleiste P44
Steckerleiste P63
Buchsenleiste P64
Pin 10: A7
Pin 9: A6
Pin 8: A5
Pin 7: A4
Pin 6: A3
Pin 5: A2
Pin 4: A1
Pin 3: A0
Pin 2: IO-Lesen
Pin 1: IO-Schreiben
32

Anhang
Steuerbus zwischen Rechenwerk und Steuerwerk
Hier wird ein 14 poliger Stiftverbinder verwendet: Auf der Platine mit dem Rechenwerk auf der rechten Seite und
bei der Platine mit dem Steuerwerk bzw. der Schalterplatine auf der linken Seite.
Steuerwerk:
Rechenwerk:
Schalterplatine:
Steckerleiste P22
Buchsenleiste P2
Steckerleiste P83
Pin 1: Zero-Bit
Pin 2: Carry-Bit
Pin 3: Ausgangstor öffnen
Pin 4: Eingangstor öffnen
Pin 5: Akku öffnen
Pin 6: Register B öffnen
Pin 7: ALU Eingang S0
Pin 8: ALU Eingang S1
Pin 9: ALU Eingang S2
Pin 10: Ergebnisspeicher öffnen
Pin 11: Ergebnistor öffnen
Pin 12: Betriebsspannung (-)
Pin 13: Betriebsspannung (-)
Pin 14: Betriebsspannung (-)
33

Anhang
Blockschaltbilder, Schaltbilder und Bestückungspläne
Blockschaltbilder
• Das Rechenwerk
• Die Steuerschalter
• Der Speicher
Schaltbilder
• Das vollständige Rechenwerk
• Das Rechenwerk ohne Anzeigeleuchtdioden
• Der vollständige Speicher
• Der Speicher ohne Anzeigeleuchtdioden und ohne PC-Anbindung
• Die Schalterplatine
Bestückungspläne
• Das Rechenwerk
• Die Speicherplatine
• Die Schalterplatine
34

Anhang
Interner Datenbus
Rechenwerk
Eing.
Tor
Externenr Datenbus
Register B
Akku
Ausg. Tor
ALU
Carry-Flag
Erg. Register
Zero-Flag
Ergebnistor
Steuerung
35

Anhang
Steuerschalter
Datenbus
Steuerung
Rechenwerk
Steuerschalter
Adressen
Steuerschalter
Steuerung
Adreßbus
36

Anhang
Speicher
Datenbus
MEMWR
Speicher
MEMRD
Adreßbus
37

Anhang
38

Anhang
39

Anhang
40

Anhang
41

Anhang
42

Anhang
43

Anhang
44

Anhang
Index
27C256 16
555 10
6116 16
6216 16, 23
74ALS573 13
74ALS574 13
74LS00 11
74LS04 11
74LS169 15
74LS197 15
74LS27 12
74LS28 12
74LS283 15
74LS32 11
74LS382 14
74LS386 11
74LS540 12
74LS541 13
74LS595 14
74LS597 15
74LS688 14
74LS74 13
7805 10
78S05 25
A
Adressbus 32
Adreßeingabe 20
Akku 17
ALU 14, 18
B
Bestückungspläne 34
Betriebsspannung 25
C
Carry 19
Chips 9
D
D-Flipflop 13
Datenbus 17, 20, 31
DIL 9
DIL-Gehäuse 10
Diode 7
E
EPROM 16
F
Farbencode 7
Flipflop 21
I
IC 9
IC-Fassung 10
integrierte Schaltungen 9
Inverter 11
K
Kondensator 8
L
LED 8
Leitungstreiberstufe 12
Leuchtdiode 8
M
MODELL.EXE 29
N
NAND-Schaltung 11
O
ODER-Schaltung 12
P
Pinbelegungen 31
Platine 7
prellen 21
R
Rechenwerk 34
Register B 17
S
Schaltbilder 34
Schalterplatine 20, 34
Signalanzeige 19
Simulationsprogramm 29
Spannungsregeler 25
Spannungsstabilisator 10
Speicher 16, 23, 34
Speicherplatine 23, 34
Steckverbinder 7
Steuerbus 32, 33
Steuerschalter 21
Steuerwerk 20
Stromversorgung 25
T
Taktgeber 10
Taster 9
Transistor 8
Tri-State-Ausgang 12
TTL-Technik 10
U
Umschalter 9
V
VCC 25
Verpolungsschutz 25
W
Widerstand 7
Widerstandsarray 7
X
XOR-Schaltung 11
Z
Zero 18
45