Der Arbeitsregistersatz der CPU

Schaltungs- und Funktionsprinzip

  1. Einleitung

    Die CPU des Relaisrechners verfügt über einen Satz von 8 Registern mit einer Wortbreite von 8bit. Der komplette Registerblock besitzt also eine Speicherkapazität von 64bit. Die Registerschaltung ist über ein 40-poliges Flachbandkabel mit dem internen CPU-Bus verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über einen 5¼ Zoll Powerconnector mit dem Netzteil verbunden.


  2. Das Blockschaltbild

    Im Blockschaltbild sind die wesentlichen Komponenten zu erkennen. Der Registerblock besteht aus den 8 Einzelregistern mit parallelem Datenbus und parallelen Steuerleitungen READ, WRITE und CLEAR. Das Chip-Enable Signal der einzelnen Register wird aus einem 1-aus-8-Decoder gewonnen, der je nach angelegter Binäradresse an den Adressleitungen ADR0, ADR1 und ADR2 eins der acht Chip-Enable-Signale der Register aktiviert, wenn das SELECT-Signal aktiv ist. Der Adressdekoder befindet sich zusammen mit einigen anderen Steuerelementen im Register-Controller auf einer separaten Platine. Damit kann jedes Register einzeln über drei Adressleitungen binär adressiert werden. Die Steuerleitungen WRITE, READ, CLEAR und SELECT steuern die Registeroperation und die Richtung der Datentreiber auf dem Datenbus DB0..7. Die Datenbusleitungen des Registersatzes zeigen tri-state-Verhalten und können sowohl als Eingänge oder Ausgänge fungieren oder sich im hochohmigen Zustand befinden. Zur Stromversorgung werden +12V als Betriebsspannung und +24V als Haltespannung für die Speicherzellen benötigt. Die Haltespannung wird durch eine weitere 12V Spannungsquelle erzeugt, deren Spannung auf die +12V Betriebsspannung aufgesetzt wird. Wird die Betriebsspannung des Rechners abgeschaltet, so bleiben die Registerinhalte bei eingeschalteter Haltespannung weiter erhalten.

  3. Funktionsweise

    Die Registerbaugruppe kann verschiedene Operationen ausführen. Um die Funktionsweise zu garantieren, ist eine bestimmte Signalabfolge und der zeitliche Ablauf zu beachten. Die Schaltzeiten des Registersatzes richten sich nach der Schaltzeit T eines einzelnen Relais. Zur Vereinfachung der Darstellung werden die Zeiten zum Anziehen und Abfallen der Relais beide mit T gleichgesetzt. Der Wert T soll damit die längste Reaktionszeit aller Relais sein. Die Schaltzeiten selbst werden in Vielfachen des Wertes T angegeben, da bei einigen Operationen mehrere Relais nacheinander reagieren müssen und sich die Schaltzeiten dadurch addieren.
    Zur Signalabfolge ist zu beachten, dass zuerst die Adressleitungen und die Steuersignale WRITE, READ und CLEAR mit stabilen Pegeln belegt werden. Der Datenbus ist ebenfalls für den Registersatz frei zu schalten. Mit der Aktivierung des SELECT-Signals wird die entsprechende Registeroperation dann ausgeführt. Die Aktivierung soll generell erst nach 3T, nachdem die anderen Leitungen angesteuert wurden, erfolgen und selbst 2T andauern.


  4. Wahrheitstabelle

    In der Wahrheitstabelle sind nun die einzelnen Pegel zur Umsetzung der Registersteuerung aufgelistet. Durch die Programmsteuerung müssen also, je nach den Vorgaben der Befehlsdecodierung, diese Pegel an den Eingangsleitungen des Registers erzeugt werden.
    0=logisch 0-Pegel, entspricht 0V
    1=logisch 1-Pegel, entspricht 12V
    H=hochohmiger Zustand
    X=beliebiger Zustand
    ABC=Binäradresse für das gewählte Register an den Eingängen ADR2,ADR1,ADR0
    000=Register0 (A)
    001=Register1 (B)
    010=Register2 (C)
    011=Register3 (D)
    100=Register4 (E)
    101=Register5 (F)
    110=Register6 (G)
    111=Register7 (H)
    SELECTREADWRITECLEARDB0..DB7ADR0..2Erläuterung
    0,H X X X DB=H XDas Register ist vom Datenbus abgekoppelt, der Registerinhalt bleibt erhalten, die Ausgänge sind hochohmig
    1 0 0 1 DB=H ABCDer Registerinhalt wird auf 0 zurückgesetzt (gelöscht), das Register selbst ist vom Datenbus abgekoppelt
    1 1 0 0DB=OUT ABCDer Registerinhalt wird am Datenbus ausgegeben, die Datenleitungen sind als Ausgänge geschaltet
    1 0 1 0DB=IN ABCDer Inhalt des Datenbusses wird mit dem Registerinhalt ODER-Verknüpft, die Datenleitungen sind als Eingänge geschaltet


  5. Anschlussbelegung

    Der Stecker P1 ist ein 40-poliger Pfostenstecker und stellt das Interface zum internen CPU-Bus.
    Die Belegung des Steckverbinders ist:
    PinnummerNameFunktionPegel
    39DB0Dateneingang/ausgang 00V,12V,H
    37DB1Dateneingang/ausgang 10V,12V,H
    35DB2Dateneingang/ausgang 20V,12V,H
    33DB3Dateneingang/ausgang 30V,12V,H
    31DB4Dateneingang/ausgang 40V,12V,H
    29DB5Dateneingang/ausgang 50V,12V,H
    27DB6Dateneingang/ausgang 60V,12V,H
    25DB7Dateneingang/ausgang 70V,12V,H
    23ADDR0Adressleitung 00V,12V,H
    21ADDR1Adressleitung 10V,12V,H
    19ADDR2Adressleitung 20V,12V,H
    17freikeine BelegungH
    15freikeine BelegungH
    13freikeine BelegungH
    11freikeine BelegungH
    9freikeine BelegungH
    7SELECTSteuereingang SELECT0V,12V,H
    5CLEARSteuereingang CLEAR0V,12V,H
    3WRITESteuereingang WRITE0V,12V,H
    1READSteuereingang READ0V,12V,H
    2..40GNDMasse 0V0V
    Der Stecker P2 ist ein 4-poliger 5¼Zoll PC-Stromversorgungsstecker.
    Die Belegung ist:
    PinnummerNameFunktionPegel
    1+12VVersorgungsspannung +12V12V
    2GNDMasse 0V0V
    3GNDMasse 0V0V
    4+24VVersorgungsspannung +24V+24V


  6. Ersatzschaltbild

    Da der Registerblock eine wichtige und in sich abgeschlossene Funktionseinheit darstellt, wird er in den Übersichtsschaltplänen der CPU durch ein Ersatzschaltbild dargestellt. Da es für das Verständnis der Funktionsweise der CPU insgasamt nicht von entscheidender Bedeutung ist, wie die Register im einzelnen funktionieren und wie sie im Innern aufgebaut sind, ist die Erfassung als Funktionsblock ausreichend. Wichtig für die weitere Verschaltung sind daher nur die Anschlussleitungen des Register-Controllers, die die Verbindung zur CPU herstellen.

  7. Schluss

    Um ein neues Datenwort in das Register zu übernehmen ist leider eine vorherige Löschung des Registerinhaltes notwendig, was zusätzlich Zeit kostet. Durch geschicktes Design der Ablaufsteuerung sollte es jedoch gelingen, diesen Makel wieder auszubügeln.
    Die Schaltung des Registersatzes ist auf 9 Platinen im Format 160mmx100mm untergebracht und durch Abstandshalter zu einem Turm verschraubt.
    Registerblock von vorn
    Oben befindet sich der Register-Controller mit dem Steckverbinder zum CPU-Bus.
    Registerblock von hinten
    An der Rückseite ist die Verkabelung des internen Registerbusses zu erkennen. Alle Registerplatinen sind über ein 40-poliges Kabel parallel geschaltet und mit der Controllerplatine an der Oberseite verbunden.





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