Spectrum Expert #01 31 октября 1997

Железо

Железо - ZX BUS - Шина на спектруме: Кажущаяся простота синклеровского железа чрезвычайно обманчива.

 (c) DANGEROUS                          
 (c) LD                                 

                                        
 ZX-BUS IS REAL ???           
                              
  Компьютерные  эксперты  - что-то вроде
консультантов  для компьютерных портных.
Вы  шьете для себя компьютерную систему,
а  они заочно дают вам советы, как шить.
Не идеальный метод, но все-таки это луч-
ше, чем ничего.                         
  Плавная проблема в том, что компьютер-
ный портной, как правило, шьет свою сис-
тему  раз в жизни, поэтому опыта - ника-
кого.  (Это относится в первую очередь к
"пошиву"   системы  на  базе  компьютера
ZX-SPECTRUM).  Владельцы  других компью-
терных  платформ  (классический пример -
IBM) имеют какую-никакую поддержку в ви-
де  всякой разной водянистой литературы,
а  главную - в виде шишек и опустошенных
карманов  своих  приятелей  и  знакомых.
Значит,  есть шанс не повторить их ошиб-
ки.                                     
  У  спектрумистов  все гораздо сложнее.
Кажущаяся простота синклеровского железа
чрезвычайно обманчива. Ведь как-никак, а
это   все-таки   компьютерная   техника!
Поэтому  горе-портной весьма смело зале-
зает  внутрь  своего  компьютера с игол-
кой-ниткой  (то бишь с паяльником и про-
водами)  и  беззаботно  пришивает только
что  купленный  рукав  к своему пиджаку.
Ура!  Рукав  пришит!  Даже,  вроде, рука
влезает.  Теперь  осталось  еще  немного
поднатужиться и накопить деньжат хотя бы
на второй рукав. Немного проходит време-
ни, и вот - второй рукав на месте... Что
такое?  По  какой-такой причине рука те-
перь не влезает в первый рукав?! Ведь он
пришит  правильно!!!  Так, сейчас разбе-
ремся... Отпарываем рукав номер два. Все
прекрасно,  опять  рука влезает в первый
рукав.  Начинаем подозревать, что второй
рукав  какой-то неправильный. A что если
на  место первого рукава пришить второй?
Ух-ты,  второй  рукав  подходит!  Значит
первый  рукав  будем  пришивать на место
второго.  Опять нелады, опять не лезем в
первый  рукав.  A-а! Понятно, сейчас пе-
репробуем   все  комбинации,  авось  ка-
кая-нибудь  да подойдет! Через несколько
часов  несчастный  портной, окончательно
измучившись  и  запутавшись  в проводах,
сдается, горестно думая: "A ведь я хотел
еще и пуговицы, и галстук чтоб был...". 
  C  диким криком "A-а!!! Опять не полу-
чилось!!!"  портной  отрывает все рукава
"вместе  с  мясом"  и   лишается  своего
пиджака...                              
  Приблизительно  так происходит подклю-
чение периферийных устройств к подавляю-
щему  большинству  моделей спектрум-сов-
местимых  компьютеров. Сравнение, может,
и не очень удачное, но представление да-
ет  исчерпывающее.                      
 Приятнее  сравнивать копание  в  мозгах
компьютеров  с  плаванием  в  затерянных
уголках океана. Пользователь  и не пред-
полагает,  что  в  процессе  подключения
произойдет что-то неординарное. Вот тут-
то и начинают себя  проявлять  подводные
камни,  рогатые мины  да глубинные бомбы
компьютерной схемотехники!              
 -  Как,  -  скажете  Вы, - а лоцман, то
есть   инструкция  по  подключению?     
 Инструкция-то  инструкцией,  только она
не учитывает конкретной местности плава-
ния   и,  следовательно,  не покажет Вам
карт минных полей. Инструкция изначально
предполагает, что никаких мин нет и быть
не  может, а подводные скалы давно взор-
ваны теми самыми бомбами.               
 - Что же это за райский уголок с песча-
ным пляжем и кристально чистой водой? - 
спросите Вы.                            
 -  A  есть  такой! - ответим мы Вам. - 
Курортик  сей носит романтическое назва-
ние  "Компьютерная шина". В нем отдыхают
счастливые  обладатели Спектрумов с шин-
ной  архитектурой  и  не знают проблем с
подключением каких бы то ни было перифе-
рийных  устройств. A разнесчастным поль-
зователям  машинок  класса "сама в себе"
вход туда просто-напросто закрыт.       
  Цель  данной  статьи  и  заключается в
том,  чтобы помочь пользователям расчис-
тить место в своем компьютере от всякого
непредсказуемого  электронно-вероятност-
ного   хлама  и  создать  в  собственном
Спектруме компьютерную шину, да не прос-
то шину, а абсолютно буферированную шину
по  всем правилам компьютерной схемотех-
ники.                                   
                                        
        Техническое отступление.        
                                        
  Электронно-вероятностный  хлам.  Да-а,
весьма загадочное определение неизвестно
чего.  И вот оно, неизвестно что, болта-
ется в компьютере неизвестно где, и, тем
более, неизвестно,  откуда  оно там взя-
лось... Давайте вместе попробуем поэтап-
но разобраться во всей этой неизвестнос-
ти.                                     
  Начнем  с простого логического рассуж-
дения. Что проходит по проводникам внут-
ри   нашего  компьютера?  По  ним  течет
электрический  ток. "Ну, это и ежику по-
нятно", - скажете Вы.                   
 Минуточку. Давайте сперва разделим про-
водники  по  назначению - на  силовые  и
сигнальные.                             
  По  силовым проводникам подается пита-
ние к микросхемам, и, следовательно, ток
по ним  течет  большой силы.  Сигнальные
проводники предназначены, соответственно
названию,  для  передачи сигналов, грубо
говоря, от микросхемы к микросхеме. Сила
тока  в  них  на  порядки  меньше, но не
только этим славятся сигнальные  провод-
ники!  Сила тока в них не постоянна! Она
меняется  хаотически, в зависимости  от,
например, команды, выполняемой процессо-
ром,  или же периодически, например,  на
выходе какого-нибудь  делителя  частоты.
Если же во втором случае можно  подвести
статистику и  спрогнозировать  поведение
сигнала в дальнейшем, то в первом  ни  о
какой статистике не может  быть и  речи.
Одним словом, комбинации  сигналов, име-
ющих отношение  к  передаче   информации
(периодический  сигнал никакой  информа-
ции не несет) могут принимать самые при-
чудливые формы, от примитивного  меандра
до импульсов высокой скважности. Это на-
кладывает определенные требования на ли-
нии передачи таких непредсказуемых  сиг-
налов.                                  
 Поехали дальше.                        
 Ежели ток сигнальных проводников  зави-
сит от времени, то, позвольте, откуда он
берется?  Правильно,  из  цепей питания.
Значит, сила тока в цепях  питания  тоже
не постоянна!  И это еще не все.  Микро-
схема при  переключении из одного состо-
яния в другое  "упускает"  с  проводника
питания на землю ток значительной  силы.
При всем этом не надо  забывать  о  том,
что проводник  питания  имеет совершенно
конкретное сопротивление.               
  A  теперь   вспомним   закон   Ома   и
прикинем  ситуацию в момент переключения
микросхемы.  Ток питания постоянно меня-
ется, в цепи есть сопротивление,  следо-
вательно напряжение питания в окрестнос-
тях исследуемой микросхемы будет скакать
в соответствии с логикой ее  работы,  то
есть синхронно с информацией! Посему аб-
солютно  реальна ситуация, в которой ряд
близко расположенных  микросхем в один и
тот же момент потребует  для  себя  "по-
больше питания".                        
  Что же произойдет? A то, что  напряже-
ние питания  в данной местности на мгно-
вение просядет  настолько, что  запросто
сможет нарушить  работу  не только  этих
микросхем, но и  "ни в чем не виноватых"
соседних.                               
  Если  поразмыслить  дальше,  то  можно
прийти  к  сенсационному  предположению:
если  сбой  происходит во время передачи
какой-то конкретной информации,то компь-
ютер  будет  всегда  сбоить на этом мес-
те!!!  A  это  значит, что на конкретном
экземпляре  компьютера может запросто не
пойти  конкретная  программа!  Вы будете
миллион  раз  тестировать ОЗУ, проверять
стабильность  шины  данных  и надежность
паек  и никакого результата не получите!
Вот  вам  описание  самого безобидного и
легко  устраняемого глюка, носящего наз-
вание  "хлам  по  питанию". Борьба с ним
тривиальна, между шинами питания и земли
рядами и колоннами ставятся так называе-
мые  "блокировочные конденсаторы". Заря-
жаясь  от цепей питания, они отдают мик-
росхемам свою энергию в те моменты, ког-
да  последние "голодают". Также, с целью
уменьшения    сопротивления,   применяют
толстые-толстые (широкие) проводники, по
которым питание поступает на микросхемы.
  У  классического  "хлама  по  питанию"
есть родной брат-мутант, но об этом чуть
позже.                                  
  Далее хуже. Перейдем к сигнальным про-
водникам, несущим информацию. Форма сиг-
нала,  как мы  выяснили выше, непредска-
зуема, спектр сигнала также непредсказу-
ем.  (Спектр  сигнала - полоса частот, в
которой  передается  энергия  сигнала  в
данный  момент времени. Определение при-
митивное,  но  оно  работает.)  Так вот,
проводник обязан целиком и полностью пе-
редать спектр, иначе форма сигнала может
измениться  как  угодно. Причем короткий
импульс  передать  гораздо  сложнее, чем
длинный,  так  как  у короткого импульса
спектр  более широкий и, соответственно,
залезает в более высокие частоты. Страш-
ный  враг  коротких  импульсов - емкость
проводника.  Она зарубает всю высокочас-
тотную составляющую спектра, при этом от
короткого   четкого   импульса  остается
"размазня" с малой амплитудой, которая к
тому  же  приходит  с опозданием на нес-
колько наносекунд, и приемная микросхема
запросто может вообще не среагировать на
"размазню". Все, комп висит. Но  что са-
мое  подлое,  так  это  то,  что  данная
ситуация  часто носит редковероятностный
характер,  и в одном случае из миллиарда
она возникнет. Проявляется это очень за-
нятно:  Ваш  компьютер  раз  в  два часа
исправно  подвисает  без видимых причин.
Вы, естественно, долго его осматриваете,
ищете дефекты монтажа, сетуете на неста-
бильное питание в сети и так далее. Бес-
полезно - Ваш компьютер подвисал, подви-
сает  и будет подвисать. Характер подви-
саний  может меняться от окружаюшей тем-
пературы,  влажности  и других факторов.
Данная болезнь плохо лечится, если зало-
жена в конструктивное исполнение компью-
тера.                                   
  Если же Вы сами внесли болезнь, напаяв
проводами периферию, то лечение просто -
отпаяйте ее, и все проблемы решатся сами
собой.  "Издеваются."  -  подумает чита-
тель.  И  напрасно, ведь до конца статьи
еще  далеко, а советов выбросить отпаян-
ную периферию пока не поступало.        
                                        
  Продолжим  мученическое  описание глю-
ков.  Следующий классический, прямо ска-
жем   хрестоматийный глючок - перегрузка
шин   данных  и  адреса.  Не секрет, что
нагрузочная способность процессора Z80 -
1 ТТЛ-вход.  В самом компьютере, вопреки
документации,  бедный процессор нагружен
на  три-четыре входа, а если мы вдобавок
припаяем  длинными проводами парочку пе-
риферийных  плат да еще и  включим режим
"turbo", то процессору мало не  покажет-
ся, и Ваш компьютер... ну, Вы  догадыва-
етесь...                                
  Каждая   фирма,   производящая  шинные
спектрум-совместимые  машины, выходит из
этой ситуации своими методами.          
  Фирма "Скорпион" выпускает расширитель
шины  с буфером адресов. Не самое плохое
решение - и достаточно дешевое. Недоста-
ток  - полумеры, шина данных по-прежнему
абсолютно  не защищена, и это при весьма
"слабеньком" в плане нагрузочной способ-
ности  процессоре  Z840006PSC,  который,
вдобавок,  предназначен  для  работы  на
частотах  не  более  шести мегагерц, а в
режиме turbo раборает на семи.          
  Совсем  по-другому эту проблему решает
фирма  "NEMO".  Буфера  шины отсутствуют
вовсе  (зачем  буферировать адреса, если
данные  голышом  ходят?), зато процессор
используется    мощный   и   дорогой   -
Z84C0010PEC , рассчитанный  на работу на
частотах  до 10 мегагерц, в режиме turbo
также  таботает  на  семи.  Недостаток -
дорогой процессор, неясный предел нагру-
зочной способности при применении его  в
компьютере  "KAY",  а  также полное  от-
сутствие буферов.                       
  Как видно, каждый из перечисленных ме-
тодов не лишен недостатка.              
  Самое  больное  место  в формирователе
шины  -  двунаправленный  буфер  данных.
Его-то пока и игнорируют наши компьютер-
ные производители. Причина, подозреваем,
ясна.   Проектирование  узла  управления
требует  очень тщательного и ответствен-
ного  подхода.  Ведь процессор не должен
замечать  наличия  буфера  данных, а сам
буфер обязан идеально синхронно переклю-
чать  свое  направление в соответствии с
требованиями процессора и периферии, ко-
торую он буферирует, иначе - конфликт на
шине и полный system crash.             
  На  закуску  преподнесем еще один глю-
чок, родного брата-мутанта "хлама по пи-
танию". Этот глючок еще не до конца изу-
чен,  так  как появился недавно  на фоне
массовой  буферизации.  Представим  себе
ситуацию:  мы  пробуферировали  шину для
подключения  периферийных  устройств, то
есть поставили в разрыв шины мощный пов-
торитель  сигнала,  которому  не  помеха
всякая  там  емкость проводов, наводки и
т.д.  Наш буфер преспокойно и легко про-
качивает всю емкость проводников и вход-
ную  емкость периферийных плат.         
  Что  значит  прокачивает? Микросхема в
момент  переключения ее выхода из одного
логического  состояния в противоположное
вынуждена  перезаряжать  емкость, "вися-
щую"  на этом выходе (печатные проводни-
ки,  провода  и  то,  что подсоединяется
этими  проводниками  и  проводами  - все
имеет некоторую, иногда значительную ем-
кость).                                 
  Процесс перезарядки  выглядит так: до-
пустим,  в течение некоторого времени на
выходе микросхемы был логический "ноль",
или,  физически, ноль (почти) вольт. Это
означает,  что емкость нагрузки заряжена
до  этого  самого  нуля  вольт (попросту
разряжена).  В  некоторый момент времени
микросхема  решает,  что надо бы устано-
вить  на  выходе  логическую  "единицу",
иначе  говоря, около четырех  вольт.  Но
если к  выходу микросхемы подключена ем-
кость, то понадобится  сначала  зарядить
ее до тех самых  четырех  вольт, на  что
требуется время,  и  только тогда  можно
будет сказать, что на  выходе  установи-
лась единица. Микросхема  хочет  сделать
это быстро,  и  от  нее  в  первый   мо-
мент   требуются   значительные  усилия.
Известно, что чем быстрее необходимо за-
рядить  емкость,  тем больший ток на это
требуется.  Современные  микросхемы спо-
собны отдать значительный ток в нагрузку
- они без зазрения совести отберут его у
источника  питания и направят на переза-
ряд  емкости.  Таким  образом, перезаряд
происходит просто мгновенно.            
  Если емкость нагрузки на буфер велика,
то  наша  буферная микросхема становится
просто замечательным источником помех по
питанию,  что  приводит  иногда к полной
неработоспособности  компьютера.  A ведь
для нормального  шинного   формирователя
таких микросхем надо будет  ставить  три
штуки - две на адреса, одну  на  данные!
Получается  замкнутый  круг - разгружаем
процессор по  сигналам - создаем  помехи
по питанию, и наоборот.  Что же  делать?
Самое идеальное, но  весьма непрактичное
решение   проблемы  - приобрести  второй
блок питания  специально для трех микро-
схем-буферов.  Второй  путь - попытаться
побороться с  "хламом по питанию" с  по-
мощью блокировочных конденсаторов.      
  Очень  часто это хорошо помогает, осо-
бенно  при  небольшой  емкости нагрузки.
Вдобавок  к этому следует тщательно раз-
вести цепи питания, чтобы основные сило-
вые  цепи  шли  в  первую очередь на эти
микросхемы.                             
                                        
  Ох, да, еще одна закуска!   Микросхемы
относительно  новых  серий (1533 и "све-
жее"),  имеющие  малые  входные токи, не
переносят  длинных  проводников, подклю-
ченных к их входам, что приводит, в пер-
вую очередь на импульсных и  асинхронных
входах, к ложным  срабатываниям. Лечится
только укорочением  длинных проводников.
Другой  способ,  применяемый  некоторыми
любителями -  установка  на  входы,  где
есть помеха, конденсаторов небольшой ем-
кости. На наш взгляд, данный  метод  мо-
жет применяться  лишь  для  оперативного
выявляния глюка, но  никак  не  для  его
устранения. Конденсаторы, стоящие в  це-
пях  цифровых  сигналов  -  порнография,
говорящая о непрофессионализме создателя
аппаратуры или о недобросовестном подхо-
де  к разработке схемы и конструктивного
исполнения.                             
                                        
  После  такого  страшного  технического
отступления иногда становится непонятно,
как же эти самые компьютеры вообще рабо-
тают?  Да  вот, работают как-то.        
 Саму по себе  фразу  "У меня  компьютер
работает" каждый пользователь  восприни-
мает по-своему.  Одни считают, что  если
комп проработал хотя  бы  полчасика  без
зависов, то, в принципе, все  нормально,
можно пользоваться.  Другие  же  на  дух
не переносят несанкционированных сбоев в
работе (мы, естественно,  относим себя к
последним).                             
  Многие  бывшие  спектрумисты  ушли  со
Спектрума  вовсе  не  из-за  того, что с
детства  мечтали  о  другой машине, а от
безысходности  борьбы  с многочисленными
сбоями, наблюдая при этом ту же ситуацию
у своих товарищей. После чего они неред-
ко  всей  компанией  переходят на другую
платформу,  забыв Спектрум, как страшный
сон.   Напоминание  им  о  существовании
Спектрума  (неважно  какого)  вызывает у
них  саркастический  (с их точки зрения)
смех,  совершенно идиотский с точки зре-
ния "нового спектрумиста".              
  "Новый  спектрумист",  в нашем понима-
нии  - это  человек, имеющий у себя нор-
мальный безглючный Спектрум с шинной ар-
хитектурой, нормальный корпус  (в  кото-
ром  все  рационально  расположено, а не
набито битком, пополам с проводами и бу-
мажками-прокладками между платами и кор-
пусом...  да, кстати,  смешная  история!
Один наш приятель, взяв на ремонт, прав-
да не Спектрум, а АОН, разобрав его, об-
наружил, как водится, проложенную бумаж-
ку,  которая,  при  просмотре  оказалась
"Картой больного"!), с нормальной клави-
атурой (необязательно от РС,  но  других
уже просто не делают), импульсным блоком
питания (а не на основе  ТН-180  и  горы
радиаторов), а также  всякими периферий-
ными  карточками, которые он приобретает
по собственному  усмотрению.            
  Старый Спектрум тоже забыт, как страш-
ный  сон,  а  напоминание о нем вызывает
сочувствие в отношении владельцев подоб-
ных машин, которые, в свою очередь, час-
то  не  понимают всей прелести и красоты
шинной   архитектуры,  выискивая  всякие
разные  аргументы  типа  "A у меня и так
все  работает!", в десятый раз припаивая
оторвавшиеся  от  платы проводки. До тех
пор пока... пока их  насильно  не  ткнут
носом, как слепых котят в  молоко, и  не
покажут, что значит  по-настоящему  "Все
работает!". Когда  включенный   Спектрум
можно перевернуть, положить  на  бок,  и
при этом из него ничего не вываливается,
и сам компьютер не  сбрасывается,   даже
будучи  включенным  двое-трое  суток!  A
как красиво выполнен монтаж!  A  как со-
лидно стоят в плате-"маме " периферийные
карточки...                             
  "Старый"   спектрумист,  как  правило,
сразу  же  признаётся  сам себе: "Я хочу
такой  же!!!",  однако,  виду не подаёт,
говоря:  "Ну  да-а,  в  принципе ничего,
неплохо.",  трезво  осознавая, что перс-
пектива   покупки  подобного  компьютера
весьма  туманна  по финансовым причинам.
Он также осознает: за последнюю пару лет
производителями  напридумывалось столько
периферии,  что ee подключение превратит
его старый Спектрум в "Перекати-поле".  
                                        
  Однако ж,  мы  заболтались.  Читателю,
наверное,   уже   надоело  пустобреховое
расхваливание  "шинных"  машин. Так вот,
уважаемые  обладатели  "старых" Спектру-
мов!  У  вас  появилась реальная возмож-
ность  вдохнуть новую жизнь в ваш Пента-
гон   (Ленинград,   Профи,  АТМ,  ZX-777
и.т.д.) путем организации в вашем компь-
ютере настоящей буферизированной  компь-
ютерной   шины,  ставшей  стандартом   в
Санкт-Петербурге,  а  равно  и  во  всей
стране нашей. Прочь все муки и глюки при
наворачивании конфигурации! Отныне подк-
лючение стандартной периферии будет соп-
ровождаться приятным ощущением входящего
в  слот разъема периферийной карточки! В
следующем номере, а никак не в этом (по-
чему, сейчас  объясним),  мы  представим
Вашему  вниманию   схему  универсального
шинного формирователя для любого  Спект-
рум-совместимого компьютера, вышеуказан-
ной шины не имеющего.  Схема будет пред-
ставлена  с  полным техническим разбором
принципа   работы  и  рекомендациями  по
конструктивному  исполнению. Данное уст-
ройство  работало у нас в течении года и
показало прекрасные результаты. На одной
шине преспокойно работало четыре перифе-
рийных устройства при абсолютном отсутс-
твии  каких-либо подозрений на глюки. Мы
абсолютно уверены, что данная шина "про-
тянет" и пять, и шесть периферийных уст-
ройств при условии отсутствия конфликтов
по адресам (в наше время таких устройств
нет, а если появятся, то их разработчики
-  ламеры)  и должной мощности блока пи-
тания.                                  
  Почему мы специально не публикуем схе-
му прямо вот сейчас? Не подумайте, пожа-
луйста,  что  мы  "жмем"  материал, дабы
растянуть статью на два номера. Поначалу
мы  хотели   всё упихнуть в одну большую
статью,  но, пораскинув мозгами, вернее,
собрав  их  в  кучу, поняли, что спешное
публикование  схемы приведет к абсолютно
обратному результату, нежели мы планиру-
ем.  Мы даже рады, что вовремя останови-
лись.                                   
  Так  что же мы поняли? A вот что.     
  После  публикования схемы окрыленные и
воодушевленные  пользователи  с  горячей
головой бросятся курочить свои компьюте-
ры  своими стоваттными паяльниками и по-
падут  в  положение  господина  портного
(смотри  начало  статьи), что приведет к
массовому  сожжению ни в чем не повинных
Cпектрумчиков. Посему под завязку первой
части  этой публикации мы дадим Вам нес-
колько полезных советов:                
                                        
  Совет номер ноль.                     
  Остыть, если нагрелись. Серьезно поду-
мать,  действительно ли Вам нужен форми-
рователь шины?                          
                                        
  Совет первый.                         
  Взвесить свои силы и умение обращаться
с паяльником (у вас есть время  потрени-
роваться в обращении с ним, тренируйтесь
на  чем угодно, только не на собственном
компьютере!). Достаньте из пыльного угла
схему  вашей  машины  и,  если ничего не
понимаете, то  хотя бы  привыкните к ри-
роваться в обращении с ним, тренируйтесь
на  чем угодно, только не на собственном
компьютере!). Достаньте из пыльного угла
схему  вашей  машины  и,  если ничего не
понимаете, то  хотя бы  привыкните к ри-
сунку и названиям сигналов.             
                                        
  Совет второй.                         
  Аккуратно отпаяйте всю висячую перифе-
рию, если таковая имеется.              
                                        
  Совет третий.                         
  Если Ваша машина хоть немного  подглю-
чивает без периферии - извольте привести
ее  в  кондиционное  состояние  (никаких
глючков не должно быть и в помине).     
                                        
  Совет последний.                      
  Терпеливо ждите второй номер "SPECTRUM
ЭКСПЕРТа" - его выпуск не за горами!