[Перевод] SB181: логический вычислитель на базе АЛУ 74LS181
Уже какое-то время в моей мастерской дожидаются своего проекта пара микросхем АЛУ 74LS181. Но так как мысль о создании на их базе целого процессора была несколько пугающей, я решил задействовать эти чипы в роли «логического вычислителя»: своеобразного 8-битного калькулятора, который получает шестнадцатеричные входные данные и отображает результаты различных логических операций в двоичном и hex-форматах. Будучи собранным исключительно на базе логики микросхем 74-й серии без какого-либо микроконтроллера или ЦПУ, такое устройство оказывается удобным помощником в 8-битном программировании.
Описание схемы
Микросхема шифратора 74C923 на 20 клавиш (хотя подключена она только к 16) получает пользовательский ввод. В зависимости от положения движкового переключателя вводимое число сохраняется в регистре А, регистре В или функциональном регистре. Переключатель просто перенаправляет стробирующий импульс
Data Available из 74С923 на вход синхронизации соответствующего регистра. Резистор подтягивает входы синхронизации каждого регистра на высокий уровень, исключая их произвольное срабатывание в пассивном состоянии. Этот импульс срабатывает до появления на выходе фактических данных, поэтому я просто инвертировал данный сигнал через элемент И-НЕ, чтобы регистры защелкивались на заднем фронте. В противном случае защелки всегда сохраняли бы предыдущую введенную цифру.
Небрежно проложенные провода
Регистры А и В являются 8-битными защелками, использующими 74HC273. Каждое нажатие кнопки сдвигает 4 нижних бита регистра в 4 верхних, и в то же время значение кнопки загружается в нижние 4. Это позволяет вводить 2 шестнадцатеричные цифры одну за другой, как это делается на калькуляторе. Затем содержимое этих двух регистров передается на входы операндов А и В АЛУ 74LS181. Эти сохраненные значения регистров также отправляются на дисплейную плату, где hex-значение отображается двумя TIL311, а двоичное при помощи светодиодной гистограммы.
Функциональный регистр — это 4-битный 74HC175. Несмотря на то, что АЛУ 74LS181 поддерживает множество функций, практическое применение имеет лишь их ограниченное число. Поэтому в данном случае я выбрал те же 16 функций, что и agp.cooper. Отображение вывода кнопочной панели 0–15 в разные значения, требуемые на входах S-функции микросхемы 74LS181, реализуется с помощью EEPROM. Это также означает, что можно выбирать различные функции или их порядок на кнопочной панели просто перепрограммируя ее. То есть я могу приблизительно сгруппировать функции каждой кнопки, расположив простые внизу, а более сложные сверху. В таком случае EEPROM просто обработает этот перенос.
4-битный вывод функционального регистра отправляется обратно на плату клавишного блока. Затем дешифратор 74HC4514, подключенный к светодиодам в каждом переключателе блока клавиш, подсвечивает текущую выбранную функцию.
Логическая плата с тремя регистрами-защелками, EEPROM и двойной 74LS181
Другая кнопка подключена к схеме защелки, основанной на логическом элементе И-НЕ. Это позволяет устанавливать входной сигнал переноса для нижнего 74LS181. Ширина каждого из этих двух чипов АЛУ составляет всего 4 бита, но подключение выхода переноса нижнего к входу верхнего дает уже 8-битное АЛУ. Здесь мне не нужно озадачиваться схемой ускоренного переноса, поскольку это полностью статичная настройка, где не требуется отслеживать синхронизацию или другие тайминги.
Затем сигналы выхода F АЛУ отправляются на плату дисплея, где снова отображаются в hex- и двоичном форматах. Дополнительный светодиод показывает, был ли сгенерирован верхним 74LS181 выход переноса.
Дисплейная плата
Сборка
SB181 состоит из 3 отдельных печатных плат. Это позволило добиться относительно компактного размера корпуса, а также вписаться в стоимость по $2 за JLCPCB.
На плате панели клавиш находятся все кнопки ввода, а также движковый переключатель регистров. Я использовал свичи с подсветкой, купленные на eBay много лет назад, так что производителя или партномер уже не вспомню. Благодаря прозрачности колпачков я смог прямо на кнопки наклеить бумажные этикетки с hex-числом, его двоичным эквивалентом, а также выполняемой функцией. Кнопка, представляющая выбранную в данный момент функцию, подсвечивается постоянно, так что удерживать в памяти ее не нужно.
Используя 3-позиционный движковый переключатель, те же 16 кнопок можно задействовать для ввода различных операндов или применяемой к этим операндам функции.
Основная логическая плата содержит всего 3 регистра-защелки, функциональную EEPROM и пару АЛУ 74LS181. Вывод этих компонентов передается на плату дисплея через шлейф.
Дисплей постоянно показывает значения двух операндов в регистрах А и В, а также вывод текущей функции АЛУ.
Микросхемы TIL311 представляют красивый шестнадцатеричный дисплей. Расстроила меня лишь их стоимость, а также характеристики энергопотребления, которые не позволили запитать устройство по USB. В результате я использовал стандартную схему импульсного источника питания, которая получает 12В при 750 мА и понижает их до 5В. Гистограммные дисплеи тоже отлично справляются с отображением двоичных данных, для чего задействуют 8 из 10 доступных светодиодов. Один из оставшихся при этом используется для индикации выхода переноса.
Для придания светодиодной подсветке приятной цветовой согласованности я использовал красную акриловую краску. Далее на кнопки были наклеены этикетки, наглядно представляющие их назначения. Финишно для защиты от повреждений я покрыл этикетки прозрачным акрилом.
В своей схеме я смешал оси X и Y шифратора клавиш, поэтому для обеспечения правильного расположения чисел пришлось проложить несколько проводов. Я также забыл, что выход переноса 74LS181 активируется низким уровнем сигнала, в связи с чем пришлось сделать перенаправление, пробросив на плате отдельный провод.
Детали корпуса сделаны из алюминия, а в качестве крепежей использованы самозажимные гайки. Боковые стенки я изготовил из ламинированного под дуб МДФ, что придало устройству ретро-подобный облик.
Внутренняя компоновка плат. Импульсный источник питания скрыт за угловым алюминиевым сегментом, расположенным справа
Схемы
Плата клавишного блока
Логическая плата
Дисплейная плата
