Hardwareaufbau

Übersicht

 

Der Hardwareaufbau des LC-80ex entspricht größtenteils dem des LC-80. Gemäß dem Konzept als Einplatinenrechner sind alle für den Betrieb notwendigen Komponenten direkt auf der Platine bestückt:

Die Kernelemente des Systems bilden der 8-Bit Mikroprozessor Z80 (U880) und dessen Peripheriebausteine Z80- PIO (U855), Z80- CTC (U857) sowie Z80- SIO (U856). Als Anzeige dient ein 7-Segment-LED-Display, für Eingaben ist die Tastatur mit 16 Hexadezimal- und 9 Funktionstasten vorgesehen, der Lautsprecher ermöglicht die Wiedergabe von Tonsignalen. Für die Kommunikation mit der Außenwelt steht eine serielle Schnittstelle zur Verfügung und über das Tape-Interface können Programme auf Magnetband gespeichert oder davon geladen werden. Benutzerspezifische Hardware kann am User-Bus angeschlossen werden und am CPU-Bus sind  sämtliche Adress-, Daten- und Steuerleitungen herausgeführt. Fünf 28-polige Sockel dienen der Bestückung mit  ROM-Erweiterungen, drei davon können alternativ auch zusätzlichen RAM aufnehmen. Der Systemtakt wird von einem Quarzoszillator mit nachgeschaltetem Frequenzteiler erzeugt.

 

CPU

 

Das Herz des LC-80ex ist der Z80-Prozessor im 40-poligen DIP-Gehäuse. Es eignen sich alle kompatiblen Varianten, die mit 5V Betriebsspannung arbeiten. Zu beachten ist, daß die Prozessoren je nach Typ für eine bestimmte maximale Taktfrequenz ausgelegt sind, die für stabilen Betrieb nicht überschritten werden darf. Außerdem müssen die Peripherie-ICs (PIO/SIO/CTC)  ebenfalls für die vorgesehene Taktfrequenz spezifiziert sein. Der höchste zulässige Systemtakt richtet sich immer nach der langsamsten Einzelkomponente.

Modernere CMOS- Typen sind wesentlich sparsamer bei der Stromaufnahme (typisch 20 mA), sie brauchen nur einen Bruchteil der Energie ihrer älteren NMOS-Kollegen (typ. 200 mA).

 

PIO

 

Der LC-80ex ist mit zwei parallelen Ein-/Ausgabe Bausteinen vom Typ Z80-PIO ausgestattet, die gemäß ihrer vorrangigen Bestimmung als System- bzw. User-PIO bezeichnet werden.

 

Aufgaben der System- PIO :

- Ansteuerung des 7-Segment-Displays (über Treiber-Transistoren)

- Abfrage der Matrixtastatur

- Ausgabe von Tonsignalen zum Lautsprecher und zum Ausgang des Tape-Interface

- Einlesen der Signale vom Eingang des Tape-Interface

 

Aufgaben der User-PIO:

- Port A  ist vollständig auf den User-Bus herausgeführt und kann frei verwendet werden

- die Pins 0,1,2 und 3 des Port B liegen mit Einschränkungen ebenfalls am User-Bus an

- Pin 4,5,6 und 7 des Port B werden vom System für die Tastatur-Abfrage verwendet

 

Während die System-PIO vollständig für interne Prozesse benutzt wird und von außen nicht zugänglich ist, kann über den User-Bus externe Hardware an die User-PIO angebunden werden. Verwendungsmöglichkeiten sind bspw. Steuerungen oder das Einlesen digitaler Signale. Port A steht dem User uneingeschränkt zur Verfügung. Am Port  B werden die Pins

4 bis 7 vom System benutzt, dies muß bei der Programmierung beachtet werden. Mehr Details dazu im Abschnitt "User-Bus".

Bezüglich der Typenauswahl und Taktfrequenzen gilt analog das unter "CPU" gesagte.

 

CTC

 

Der Baustein Z80-CTC besitzt vier unabhängige Kanäle, die vom User für Zähler- und Zeitgeberfunktionen programmiert werden können. Die zugehörigen Ein-/Ausgänge sind außerdem auf den User-Bus herausgeführt. Am LC-80ex können die Ausgänge ZC/TO bei Bedarf über einen Jumper die SIO mit dem Baudratentakt versorgen.

Auch für den CTC gelten die unter "CPU" beschriebenen Bemerkungen zu Taktfrequenz und Typ.

 

SIO (RS232-Interface)

 

Als vierte im Bunde der Z80-Familie übernimmt die Z80-SIO die serielle Kommunikation mit der Außenwelt. Diese Komponente wurde beim LC-80ex nachgerüstet, sie existiert nicht in den Urversionen des LC-80. Die SIO hat zwei Kanäle, welche zum komfortablen Datenaustausch mit anderen Geräten nutzbar sind. Praktische Anwendungen sind bspw. das schnelle Laden und Speichern von Programmen am PC oder eine Schnittstelle zu Terminalprogrammen.

Port  B ist zu diesem Zweck bereits über einen MAX232 auf eine Sub-D-Buchse verlegt und kann über Jumper JP12 den Baudratentakt vom CTC beziehen. Zudem sind die Anschlüsse beider Ports auf Stiftleisten herausgeführt, sodaß mit Hilfe von Zusatzhardware auch Port  A verfügbar wird.

 

Achtung!

Aufgrund des verwendeten Pinouts sind für den LC-80ex nur SIO-ICs vom Typ Z80-SIO/0 oder kompatible (z.B. U856) geeignet! Andere Versionen funktionieren wegen abweichender Pinbelegung nicht!

 

Wie bei CPU, PIO und CTC muß außerdem die für den Typ maximal zulässige Taktfrequenz beachtet werden.

 

RAM-Bänke

 

Der klassische Arbeitsspeicher des LC80 besteht aus aus 8 Steckplätzen für 2114-kompatible SRAMs, von denen jeweils zwei zu einer Bank gehören. Der 2114 besitzt eine Kapazität von 1 KB bei 4 Bit Breite, daher müssen immer zwei paarweise bestückt werden. Die RAM-Bänke werden bei gesetztem Jumper JP7 im Speicherbereich 2000-2FFFH angesprochen. Sie können jedoch bei Bedarf durch Öffnen von JP7 deaktiviert und die Basisadresse 2000H anderweitig zugewiesen werden. Dies macht bspw. Sinn, wenn der RAM alternativ auf den Sockeln 3-5 bestückt werden soll. Siehe dazu die Erklärungen im Abschnitt "Speicherbestückung".

 

ROM/RAM Sockel

 

Für die Aufnahme von EPROMs stehen fünf 28-polige Sockel zur Verfügung. Die Steckplätze 3 bis 5 können alternativ auch mit SRAM bestückt und mittels der Jumper JP2/JP3/JP4 entsprechend konfiguriert werden. Die Zuordnung der Basisadressen ist frei wählbar. Details zu den geeigneten Speichertypen sowie den zugehörigen Einstellungen werden in den Abschnitten "Speicherbestückung" und "Jumper" beschrieben.

Desweiteren ist es möglich, den Inhalt eines auf Sockel 5 gesteckten SRAMs bei fehlender Stromversorgung über eine Stützbatterie zu erhalten (siehe "Batteriebackup").

 

Adressdecoder

 

Die Logik des Adressdecoders sorgt dafür, daß beim Ansprechen einer Speicheradresse der zugehörige physische RAM- bzw. ROM-IC aktiviert wird. Die Regel "Es kann nur einen geben!" gilt nicht nur für den Highlander, sondern trifft auch auf den Datenbus eines Rechners zu. Würden sich mehrere Speicherbausteine gleichzeitig an den Bus schalten, gäbe es erstens Datensalat und zweitens könnten sich die Ausgangstreiber der ICs gegenseitig zerstören. Im Ruhezustand (nicht selektiert) sind die Datenpins D0-D7 daher hochohmig. Sobald der Adressdecoder den Speicher-IC auswählt, indem er dessen Chipselect-Eingang auf LOW zieht, werden die Datenpins aktiv und die CPU kann die von den Adressleitungen gewählte Speicherzelle lesen bzw. schreiben.

Der Adressdecoder des LC80ex besteht aus den ICs AD1 bis AD4 und hat 16 Ausgänge (0-F). Demzufolge kann er die Adressen in Bereiche zu je 4 KB auflösen. Die erste Adresse jedes Bereiches heißt "Basisadresse", z.B. ist 0000H die Basisadresse des Bereiches 0000-0FFFH, 1000H die des Bereiches 1000-1FFFH und so weiter. Die mit den Basisadressen korrespondierenden Decoderausgänge sind mit Ausnahme von "2", "9" und "A" auf den Jumper JP6 herausgeführt und können dort den gewünschten Chipselect-Leitungen der Sockel 1-5 frei zugeordnet werden. Die Decoderausgänge "9" und "A" lassen sich bei Bedarf direkt am IC AD3 abgreifen (Stiftleiste). Eine Besonderheit stellt der Ausgang "2" dar, denn er ist im Normalfall über JP7 den RAM-Bänken zugordnet, wie es der Konfiguration des Ur-LC80 entspricht. Wenn es die Umstände erfordern, kann JP7 aber auch geöffnet werden, sodaß die Basisadresse 2000H anderweitig zur Verfügung steht.

Desweiteren besitzt der Adressdecoder speziell für die RAM-Bänke 1-4 (2114) eine zusätzliche Logik, die in Schritten von 1 K auflöst, damit die jeweils 1 KB großen Bänke korrekt selektiert werden.

Ich habe auf Basis des Logik-Simulators Logisim ein interaktives Modell erstellt, mit dem die Funktionsweise des Adressdecoders anschaulich nachvollzogen werden kann. Siehe Downloads/Sonstiges oder hier klicken.

 

Taktgenerator

 

Der Taktgenerator erzeugt den für das System unentbehrlichen Herzschlag. Die Oszillator-Schaltung ist einfach aufgebaut und besteht neben dem Quarz nur aus zwei Inverter-Gattern, zwei Widerständen und einem Kondensator. Nachgeschaltete D-Flipflops teilen den Takt auf die Hälfte und ein Viertel der Quarzfrequenz herunter. Die Ausgänge des Taktgenerators sind auf den Jumper JP9 geführt, über den das passende Teilerverhältnis eingestellt wird. Für den Betrieb der SIO empfiehlt sich der Einsatz eines Baudraten-Quarzes. Am tauglichsten ist die Frequenz 3,6864 MHz. Auf ein Viertel geteilt ergeben sich ca. 922 KHz, was in etwa der Taktfrequenz von 900 KHz des Ur-LC80 entspricht . Das Magnetbandinterface hat mit dieser leichten Abweichung keine Probleme, seinerzeit mit dem originalen LC80 auf Band gesicherte Programme ließen sich einwandfrei einlesen.

Die Bestückung der ICs CG1 und CG2 ist hingegen leicht kritisch. Nicht jede Kombination aus Inverter und D-Flipflop arbeitet stabil. Schmitt-Trigger Inverter wie der 74LS14 (DL014) haben sich im praktischen Versuch als untauglich erwiesen. Das Taktsignal ist unsauber und verursacht wegen Überschwingern Fehlfunktionen beim nachgeschalteten Frequenzteiler. Normale Inverter (74LS04 bzw. DL004) funktionieren dagegen gut (siehe auch Diskussions-Thread ab Posting #165).

Bei Bedarf kann der Taktgenerator mit einer separaten Sandwichplatine realisiert werden, entsprechende Anschlüsse und mechanische Stützpunkte sind vorbereitet.

 

Tape-Interface / Lautsprecher

 

Das Tape-Interface hat die Aufgabe, Programme auf Magnetband zu speichern oder davon einzulesen. Es ist für den in der DDR üblichen Pegel von 100 mV ausgelegt. Der Sendeteil wurde unverändert vom LC80 übernommen. RC-Glieder bedämpfen vor der DIN-Buchse das von der System-PIO ausgegebene Rechtecksignal, welches über T16 auch den Lautsprecher und die OUT-LED ansteuert. Als Lautsprecher ist im originalen LC80 eine HS77 Telefonkapsel verbaut, die jedoch unproblematisch durch andere Schallgeber, z.B. Klein- oder Piezolautsprecher, ersetzt werden kann. Die Lautstärke läßt sich in gewissen Grenzen mit dem Auskoppelkondensator C44 beeinflussen.

Der Empfangsteil wurde für den LC80ex komplett neu entworfen. Anstelle des B761, der aufgrund seiner 6-poligen Bauform und seiner Eigenschaft als Open-Collector Typ mittlerweile recht exotisch ausfällt, kommt ein gut verfügbarer Dual-OPV im DIP-8 Gehäuse zum Einsatz. Der 100k-Widerstand R45 am Eingang soll hochohmige Einstreuungen unterdrücken. Die erste Stufe des OPV arbeitet als Bandpaß und bevorzugt das interessante Spektrum um 1 bis 2 kHz. Bei sehr pegelschwachen Quellen kann die Verstärkung ggfs. durch einen größeren Wert für R46 erhöht werden. Die zweite Stufe ist als Schmitt-Trigger geschaltet und formt das Signal zu einem sauberen Rechteck, bevor es an die System-PIO geleitet wird. Da für die Stromversorgung lediglich einseitige 5V zur Verfügung stehen, eignen sich als OPV nur für Single-Supply ausgelegte Typen, möglichst Rail2Rail. Im Testaufbau lieferten AD822 und LT1078 die saubersten Signale, in der Praxis tut es aber auch der wesentlich preiswertere LM358.

 

Netzteil

 

Um Platz für die Nachrüstung der SIO zu schaffen, mußte ich das Netzteil gegenüber dem Original wesentlich gedrängter aufbauen. Ermöglicht wurde dies durch einen Inline-Graetzgleichrichter anstelle der diskreten Dioden, eine kleinere Eingangsbuchse, stehende Montage der Ladeelkos und Entstörspulen sowie einen platzsparenden, aber dennoch effektiven Kühlkörper und den Verzicht auf Bestückungsmöglichkeiten für Spannungsregler im TO-3 Gehäuse.

Die Schaltung bedarf kaum der Erklärung. Die Eingangsspannung passiert zunächst den Entstörfilter aus L1/L2/C47 sowie den Brückengleichrichter und wird anschließend vom Längsregler 7805 auf 5 V konstant gehalten. Die Supressor-Diode Z1 soll die Platine vor Überspannungsspitzen schützen.

Das Netzteil kann sowohl mit Gleich- als auch Wechselspannung betrieben werden. Es ist für einen Maximalstrom von 1 Ampere ausgelegt. Im Normalfall genügt das auch bei Bestückung mit stromhungrigen NMOS-ICs. Sollte jedoch am User- oder CPU-Bus betriebene Peripherie über den LC80ex versorgt werden, muß darauf geachtet werden, daß der Maximalstrom nicht überschritten wird. Im Hinblick auf die vom Kühlkörper abzuführende Verlustleistung ist dies besonders wichtig, wenn gleichzeitig mit hoher Eingangsspannung gearbeitet wird. Diese sollte nicht höher als 11 V AC bzw. 12 V DC sein. Die Untergrenze wird vom Typ des Längsreglers bestimmt und liegt bei Bestückung mit einem Standard 7805 um die 7 V AC bzw. 8 V DC. Bitte beachten, daß alternativ zum 7805 verbaute Low-Drop Typen eventuell größere Abblock-Kondensatoren (C25/C26) benötigen.

Dem Anwender steht es natürlich frei, die gesamte Netzteilschaltung wegzulassen und stattdessen extern stabilisierte 5 V einzuspeisen. Dazu muß lediglich eine Drahtbrücke vom Mittenkontakt der Buchse zur Plusschiene eingelötet werden.

 

Display

 

Das Display besteht aus drei zweistelligen 7-Segment-Anzeigen vom Typ VQE23, die per Multiplex angesteuert werden. Port A der System-PIO schaltet über die Transistoren T7-T14 die Segmente und den Dezimalpunkt, während Port B mit Hilfe von T1-T6 die gewünschte Stelle aktiviert. Die Anoden gleichwertiger Segmente hängen zusammen an jeweils einem der "Zeilentreiber" T7-T14, während jede Kathode ihren eigenen "Spaltentreiber" besitzt (T1-T6). Mit dieser Beschaltung ist es möglich, daß alle Segmente einer Stelle gemeinsam leuchten. Es darf jedoch immer nur eine Stelle aktiv sein, weil die Transistoren T7-T14 nicht für den Strom mehrerer Segmente ausgelegt sind und überlastet werden könnten. Darauf muß bei der Programmierung eigener Anzeigeroutinen geachtet werden. Außerdem gilt es zu berücksichtigen, daß Port B auch für die Abfrage der Tastatur mit zuständig ist und daher die Leitungen der Bits PB2 bis PB7 dort ebenfalls anliegen.

 

Tastatur

 

Am originalen LC80 kam eine modifizierte Taschenrechner-Tastatur zum Einsatz, die mit der Platine fest verlötet war. Das Keyboard des LC80ex besteht zwecks einfachem Nachbau aus einer einlagigen Platine, die mit handelsüblichen SMD-Mikroschaltern bestückbar ist und per Stiftleiste auf die Hauptplatine gesteckt wird. Die Zeichnungen des Layouts, der Bohrplan für die Deckplatte sowie die Beschriftungsvorlage sind unter DOWNLOADS/PDF-Doku zu finden. Zum Öffnen und Drucken der Sprintlayout-Dateien kann der kostenlos von Abacom bereitgestellte Viewer benutzt werden. Stiftleistenbelegung und Matrix-Schema finden sich im Schaltplan.

Die 16 Hexadezimal- und 7 Funktionstasten sind als Matrix verschaltet. Deren Abfrage erfolgt in Kooperation von System- und User-PIO. Die Tasten "RESET" und "NMI" gehören nicht zur Matrix, sondern werden von Invertern des IC CG1 gepuffert und wirken danach direkt auf die entsprechenden Pins der CPU. Zusätzlich sorgt eine aus zwei Gattern des IC AD2 bestehende RESET-Logik für das korrekte Rücksetzen der Peripherie-Bausteine (PIO, SIO, CTC).

 

Batteriebackup

 

Sofern der Sockel Nr.5 mit einem SRAM bestückt ist, kann dessen Inhalt bei Abschalten oder Ausfall der Stromversorgung mit einer Batterie gepuffert werden. Die Batterie ist in Form einer CR2032 Knopfzelle im dafür vorgesehenen Halter bestückbar (Achtung! Unbedingt Hinweise unter "Errata" lesen!) oder wird alternativ am Jumper JP1  angeschlossen. Die Entkopplungsdioden müssen Typen mit möglichst niedriger Flußspannung sein, um den Spannungsabfall gering zu halten. Siehe auch "Bestückungshinweise".

 

User-Bus

 

Zum Anschluß externer Peripherie sind die Ports der User-PIO und der CTC auf den User-Bus herausgeführt. Alle Funktionen der CTC, Port A der User-PIO sowie die Steuerleitungen ASTB, BSTB, ARDY und BRDY stehen vollständig zur Verfügung. Von Port B der User-PIO sind nur die Pins PB0 bis PB3 nutzbar, weil PB4 bis PB7 intern zur Abfrage der Tastatur-Matrix dienen. Dies muß auch programmtechnisch berücksichtigt werden, sofern Port B für eigene Funktionen zur Anwendung kommt.

Unter Beachtung der zulässigen Gesamtstromaufnahme von 1 Ampere kann angeschlossene Peripherie aus dem Netzteil des LC80ex versorgt werden, die 5V-Schiene liegt am Connector an. Details zur Anschlußbelegung der Steckverbinder verrät der Schaltplan. Der User-Bus des LC80ex ist 100% kompatibel zu dem des originalen LC80.

 

CPU-Bus

 

Der CPU-Bus ist für Hardware-Erweiterungen vorgesehen. Hier liegen sämtliche Adress-, Daten-, und Steuerleitungen der CPU an. Außerdem kann der interne Speicher (RAM und ROM) komplett deaktiviert werden, indem der Anschluß MEDI (Memory Disable) auf "LOW" gezogen wird. Auch am CPU-Bus liegen die internen 5V an, um Erweiterungen zu versorgen. Die vollständige Anschlußbelegung ist im Schaltplan dokumentiert.

Achtung, der CPU-Bus des LC80ex ist NICHT mit dem des originalen LC80 kompatibel! Aus layouttechnischen Gründen weicht die Belegung der Steckverbinder zum Teil ab.