Allen Stimmen zum Trotz, die die 8-Bit-Ära zu Ende gehen sehen wollen, hat sich die gute alte Z80-CPU 1987 mit über 50 Millionen Stück zum meistverkauften Mikroprozessor gemausert. Diese Tatsache hat in jüngster Zeit einige Chiphersteller zu Neuentwicklungen rund um den Z80 ermutigt. So hat zum Beispiel Toshiba eine ganze Chipfamilie vorgestellt, die jeweils aus einer Z80-CPU mit einem Taktgenerator sowie einer ganzen Menge von Peripheriefunktionen besteht:

Da wäre zunächst der TMPZ84C011. Er sitzt in einem 100-Pin-SO-Gehäuse (SO steht für ,Small Outline' und ist ein Sammelbegriff für die SMD-Gehäuse außer LCC) und bietet vier 8-Bit-Timer/Counter (Z80-CTC) sowie fünf (!) 8-Bit-Parallelports.

Dann gibt es den TMPZ84C013 mit vier Timern (CTC) und zwei Seriellschnittstellen (SIO) mit allen Finessen. Zusätzlich ist noch ein Watchdog-Timer mit in das 84polige PLCC-Gehäuse eingebaut.

Zu guter Letzt ist noch der TMPZ84C015 zu nennen, der mit vier Timern (CTC), zwei Parallelschnittstellen (PIO), zwei Seriellschnittstellen (SIO) und einem Watchdog aufwarten kann. Dieser Chip besitzt wieder ein 100poliges SO-Gehäuse.

Alle drei Bausteine werden in stromsparender CMOS-Technologie gefertigt und eignen sich daher auch für batteriegestützte Anwendungen.

Die Beschreibung des Chips kann recht knapp bleiben, da CPU, Timer, Parallel- und Serienschnittstellen durch die entsprechenden Z80-Standardbausteine realisiert sind. Sie gehören zum Allgemeingut der Z80-Hardwerkerei, so daß auf diesbezügliche Veröffentlichungen [2, 31 und/oder die Datenblätter verwiesen werden kann. Besondere Erwähnung verdient vielleicht, daß aufgrund der großzügigen 100 Gehäuse-Pins auch die den CTC- und SIO-Originalen fehlenden Anschlüsse (daher die SIO-Versionen 0/1/2) herausgeführt werden konnten.

Neu und deshalb einer genaueren Betrachtung würdig ist der Clock-Generator/Controller (CGC). Für seine Hauptaufgabe, die Takterzeugung, benötigt er einen Quarz oder Keramikresonator mit der doppelten CPU-Frequenz. Über etliche Signale mit der CPU verflochten, besitzt der CGC verschiedene Betriebsmodi, die den HALT-Zustand der CPU mit Stromsparmaßnahmen koppeln können. Je nach der externen Beschaltung braucht der Takt bei angehaltener CPU ja nicht unbedingt weiterzulaufen. Welche Möglichkeiten zur Wahl stehen und wie sie im zugehörigen Steuerport (Adresse F0h) programmiert werden, entnehmen Sie bitte den Tabellen.

Ebenfalls neu ist der eingebaute Watchdog-Timer. Eine solche Schaltung soll die Systemsicherheit vergrößern: Einmal aktiviert, muß der Watchdog-Timer durch zyklische Zugriffe am Ablaufen gehindert werden, sonst löst er einen Reset oder (nichtmaskierbaren) Interrupt aus. Der Sicherheitsgewinn besteht darin, daß ein durch Störimpulse oder ähnliches ,abgeschossener' Rechner nach eine definierten Zeit automatisch wieder zum programmgemäßer Arbeiten bewegt wird.

Der Watchdog des TMPZ84C015 läßt sich auf verschiedene Ablaufzeiten einstellen (WDTPR-Bits im Steuer-port F0h). Er wird aktiv, wenn man das WDTPR-Bit desselben Ports auf 1 setzt und durch Schreiben von 4Eh nach Port F1h auf den Anfangswert zurückstellt (,beruhigt'). Man kann ihn auch programmgesteuert abschalten, was allerdings bewußt etwas komplizierter gestaltet ist, damit ein abgestürzter Prozessor sich nicht versehentlich seinen Notanker kappt: Erst muß WDTPR in F0h zurückgesetzt und dann der Wert B1h nach F1h geschrieben werden.

Der Port F4h schließt die Liste der Neuerungen ab. Seine Funktion ist es, die Interrupt-Daisy-Chain zu konfigurieren, denn abhängig von der Anwendung kann die Wichtigkeit der Interrupt-Quellen ja durchaus wechseln. Nach dem Reset ist die Reihenfolge CTC-SIO-PIO vorgegeben. Durch die externen IEI- und IEO-Anschlüsse kann der Block der chipeigenen I/O-Einheiten an beliebiger Stelle in die Daisy-Chain eines größeren Systems eingebaut werden.

Eine Übersicht über alle internen Ports des TMPZ84C0l5 finden Sie in einer der Tabellen.

- je 32 KByte EPROM und RAM
- Akku für Batteriebetrieb und/oder RRAM-Pufferung auf der Platine
- alle Port- und Timer-Anschlüsse auff Steckerleisten herausgeführt
- programmgesteuert ein-/ ausschaltbare V..24-Treiber/Empfänger für eine serielle Schnittstelle
- Erweiterungsstecker mit allen CPU-Signallen

Wie angesichts der eingebauten ,Power' des TMPZ84COl 5 nicht anders zu erwarten, ist es recht einfach, damit einen schicken Einplatinencomputer zu bauen. Das Schaltbild zeigt, wie wenig zusätzliche Bausteine man noch braucht.

Zunächst einmal sorgt der TL7705 (IC6) für ein geordnetes Hochfahren nach dem Einschalten. Er stoppt die CPU auch wieder, wenn die Versorgungsspannung auf kritische Werte (unter 4,6 V) absinkt oder Störimpulse zu einem Spannungseinbruch führen.

Die beiden Speicherbausteine IC2 und IC3 und ihr Adreßdecoder (IC4) vervollständigen den ,lebensnotwendigen' Teil der Schaltung. Der Decoder unterteilt den Adreßraum der CPU einfach in zwei 32K-Blöcke, von denen der untere dem EPROM und der obere dem RAM zugeordnet ist. Nichtsdestoweniger können Typen verschiedener Größe eingesetzt werden, für die notwendigen Änderungen der Beschaltung sind die (Löt-)Jumper A-F und L vorgesehen. Sogar eine ROM-lose Variante ist möglich. In diesem Fall nimmt der EPROM-Sockel ein zweites RAM auf; die Lötbrücken M und N legen dabei fest, ob der gesockelte Baustein von der geschalteten Versorgungsspannung (Vcc) oder vom Pufferakku (V_CMOS) gespeist wird. Die durch das Layout gegebene Default-Einstellung sieht zwei XX256-Bausteine und Vcc zur EPROM-Versorgung vor.

Eine andere Anwendung des Erweiterungsbus hat mit der Entwicklung von Software für den CEPAC-80-SMD zu tun. Man kann dem TMPZ84C015 nämlich auch seine CPU ,wegnehmen' und die Ports von der CPU des Entwicklungsrechners ansteuern lassen. Dies geschieht mit den Lötbrücken an den Pins EV (wie evaluation', auf deutsch Bewertung') und /BUSREQ, die ersteren mit Dauer-High und letzteren mit Dauer-Low versorgen. (/BUSREQ und /BUSACK dürfen dann keine Verbindung zum externen System haben!) Außerdem muß die vorverdrahtete Brücke zwischen CLKOUT und CLKIN geöffnet werden, um den Systemtakt des Entwicklungsrechners einspeisen zu können. Für den High-Pegel des externen Taktsignals gelten dabei Z80-Maßstäbe.

Alle I/O-Signale von PIO, SIO und CTC sind ungepuffert an entsprechend benannte Pfostenstecker geführt. Die PIO- und SIO-Stecker stellen neben den Port-Signalen auch die Versorgunsspannung zur Verfügung, aus der man externe Treiber oder kleine Interface-Logiken speisen kann. Die Steckerbelegung ist dabei so gestaltet, daß für die Grundfunktion der Portsbereits l0-polige Steckverbinder ausreichen - alle 14 Pole werden nur benötigt, wenn die Handshake-Leitungen der Parallelports beziehungsweise die SYNC- und W/RDY-Anschlüsse der seriellen Ports und/oder die Vcc-Leitungen zum Einsatz kommen.

Als weiteres Hardware-Utility teilt der Zähler IC5 den 4-MHz-Systemtakt durch 13 und dient als Vorteiler für die Timer im CTC. Zusammen mit dem Vorteiler der SIO kann man so alle gängigen Baudraten von 50 bis 19200 Baud einstellen. Die Steck-Jumper JI bis J3 sowie die Lötbrücken Q und R erlauben, für jeden Timer des CTC getrennt zwischen extern zugeführtem und auf der Platine erzeugtem Takt zu wählen. Als Quelle für die Sende- und Empfangstakte der SIO können mit den Jumpern J4 und J5 (für Kanal A) und mit den Lötjumpern G und H (für Kanal B) die CTC-Kanäle 1 bis 3 herangezogen werden. Per Default-Einstellung sind beide Takteingänge von Kanal B mit dem ZC/T03-Ausgang des CTC verschaltet.

Und wo schon eine SIO im System steckt, ist ein RS-232-Anschluß für einen Host-Rechner oder ein Terminal ganz praktisch. Mit IC7 wird die Pegelwandlung vorgenommen. Der vorgesehene l8polige Sockel erlaubt den wahlweisen Einsatz eines MAX232, 1CL232, LT1081 oder LTIO8O. Die ersten drei sind pinkompatibel, der letztere verfügt zusätzlich über einen Enable-Pin (Pin 18), mit dem der Spannungswandler zwecks Batterieschonung abgeschaltet werden kann. Der Transistor TI ermöglicht dieses Feature aber auch mit den normalen' Treibern.

Doch das ganze hat seinen Preis: die Lötarbeit ist nicht die einfachste. Eigene Erfahrungen im Bestücken von SO-Bauteilen sind von Vorteil, wenn auch nicht unbedingt erforderlich. In jedem Fall sollten Sie aber den Umgang mit Kolben und Zinn aus dem Effeff beherrschen. Anfängern ist vom Selbstlöten des CEPAC-80-SMD dringend abzuraten.

Als Werkzeug wird ein Lötkolben nicht zu großer (aber auch nicht zu kleiner) Wattzahl mit wirklich sehr feiner Bleistift-Lötspitze sowie Multicore-Lötzinn von maximal 0,5 mm Durchmesser benötigt. (Bei der SMD-Löterei kommt es weniger auf die Zinnmenge als auf das Flußmittel an.) Feine Entlötlitze ist auch nicht zu verachten. Des weiteren sollten Sie über eine möglichst feine Pinzette, eine Stecknadel, eine gute Lampe und möglichst auch über eine gute Lupe verfügen. Um das Mini-Platinchen bei der SMD-Bestückung besser handhaben zu können, können Sie es mit einigen Stecknadeln auf ein Stück Holz pinnen (Brotzeitbrettchen oder ähnliches).

Man beginnt die Bestückung am besten mit den beiden HC-Bausteinen - sie sind zum Eingewöhnen besser geeignet als gerade der TMPZ. Zunächst wird einer der Eck-Lötpads, vorzugsweise der Vcc- oder der Massepad, vorsichtig mit ganz wenig Zinn versehen, dann der Baustein aufgelegt und ausgerichtet. (Achtung! Die unübersehbare Kerbe zur Richtungsmarkierung gibt es bei den SMD-Bauteilen gewöhnlich nicht, statt dessen richtet man sich nach der Beschriftung des IC: Ist sie normal zu lesen - sie steht also nicht auf dem Kopf - so ist links unten der Pin 1.) Nun wird der Pin auf dem vorbereiteten Pad mit dem Lötkolben kurz erwärmt, und das IC ist fixiert. Es folgt die Kontrolle, ob die Anschlußbeinchen mittig auf den Pads liegen; gegebenenfalls ist die Position des IC durch leichtes Zurechtbiegen zu korrigieren, aber nur im Zehntel-Millimeter-Bereich, da sonst die Scherkräfte den einen gelöteten Pad abreißen. Helfen Sie im Zweifelsfall lieber mit dem Lötkolben nach. Ist dann auch der diagonal gegenüberliegende Pin befestigt, kann der Rest der Pins normal verlötet werden.

Nach den beiden kleinen ICs wird mit dem RAM ebenso verfahren. Anschließend ist der Hauptchip dran und hier zeigt sich, wer eine ruhige Hand hat. Die Pins haben nämlich nur eine Breite von 0,3 mm und einen Abstand von 0,35 mm (etwa halb so viel wie bei den anderen SO-Bausteinen). Nach dem Ausrichten und Fixieren des TMPZ muß man im Rösselsprung-Verfahren' löten, das heißt, auf jeder der vier Seiten einen Pin zur Zeit und das ganze immer reihum. Wird diese Reihenfolge nicht eingehalten, bekommt man Schwierigkeiten mit dem thermischen Verzug des Platinenmatenals; irgendwann hängen die Beinchen halb neben den Pads, und Lötbrücken sind unvermeidbar. Hier gilt im besonderen Maße: Nur ein Hauch von Zinn(lichkeit)!

Sind alle Prozessorpins verlötet, werden mit der Stecknadel vorsichtig die Flußmittelreste zwischen den Pads entfernt, da darin oft kleine Lotspritzer enthalten sind, die zu allerlei Ärger führen können (besonders wenn sie unter den Chip gelangen). Eine abschließende Kontrolle vor der Lampe - und das Schlimmste ist geschafft.

Der Rest ist einfach: Beginnend mit den liegend eingebauten Teilen werden die Widerstände/Widerstandsnetzwerke, die Kondensatoren und gegebenenfalls die Teile der ,Notstromversorgung' eingebaut (außer den Akkus, siehe nächsten Abschnitt), danach der Quarz, der 7705 und die EPROM-Fassung (ohne Mittelsteg). Die letzten Lötarbeiten am eigentlichen Rechner betreffen Pfostenstecker und Jumper. Wird der Teil mit dem RS-232-Treiber bestückt, empfiehlt es sich, für das IC eine l8polige Fassung einzulöten

es kostet nur Pfennige mehr, läßt aber alle Optionen offen. Beim Festschrauben des Subminiatur-D-Steckers muß die Schraube neben den Widerständen auf der Lötseite eine Unterlegscheibe aus Kunststoff erhalten, um Kurzschlüsse oder eine Beschädigung der Leiterbahnen zu vermeiden. (Nebenbei: Das PVC-Material alter Diskettenhüllen eignet sich dafür hervorragend.) Dasselbe gilt, wenn die Platine irgendwo festgeschraubt werden soll.

Bis dahin können Sie sich auch noch überlegen, welche Variante der Akkuschaltung verwendet werden soll, die mit drei oder die mit vier Zellen. Erstere puffert lediglich das RAM, während letztere den ganzen CEPAC netzunabhängig macht, allerdings ein kleines Problem mit sich bringt:

Laut Datenblatt liegt die Entladespannung eines NC-Akkus zwischen 1,2 und 1,3 V; beim Laden in einer 25 Grad Celsius warmen Umgebung werden Werte bis zu 1,48V erreicht (Ladeschlußspannung), bei niedrigeren Temperaturen auch noch mehr. Vier Zellen ergeben also eine Entladespannung von 4,8-5,2 V, die voll in dem von den IC-Herstellern empfohlenen Betriebsspannungsbereich liegt (5 V +/- 10%), aber eine Ladeschlußspannung, die mit knapp 6 V eigentlich schon in den ,roten Bereich' gehört. Zum Glück vertragen der TMPZ84C015, das RAM und die HC-Chips Betriebsspannungen von maximal 7,0 V (nur die EPROMs sind da manchmal etwas kritisch), so daß beim Rechnerbetrieb mit gleichzeitigem Laden der Akkus zwar nichts ,abrauchen' dürfte. Trotzdem ist aber größte Vorsicht bei der Wahl der Ladeschaltung angebracht, denn viele der üblichen Konstantstrom-Lader verfügen über keine Spannungsüberwachung, die im Notfall die Zerstörung des CEPAC verhindern könnte.

Den Notfall kann der gleichzeitige Rechner- und Ladebetrieb durchaus selbst heraufbeschwören. Der Begrenzungswiderstand R6 muß dann auf die Summe von Akkulade- und Rechnerversorgungsstrom abgestimmt sein; dieser Summenstrom fließt bei abgeschaltetem Rechner voll in die Akkus. Mit einer Größenordnung von 30... 50 mA liegt er bereits weit über dem zulässigen Dauerladestrom der Akkus (maximal 15 mA für 150-mAh-Zellen), so daß in der Praxis nur eine elektronische Ladeautomatik wirksam gegen Überladen schützt - ein Mensch verhilft den Akkus halt doch immer wieder zu einer durchgeladenen Nacht oder auch mal einem längeren Zeitraum (Urlaub), was über kurz oder lang jeden Akku ,schafft'.

Netzgeräte mit niedrigerer Ausgangsspannung sind demgegenüber keine Alternative. Die Akkus sollten die Ladeschlußspannung wenigstens annähernd erreichen können, sonst speichern sie nur einen Bruchteil ihrer Kapazität, und oft leidet auch ihre Lebensdauer unter einer solchen Behandlung. Man sieht: die Sache ist gar nicht so einfach

Die Möglichkeit, den CEPAC stationär an einem 5V-Netzteil zu betreiben, ist davon unbenommen. Das Netzteil wird einfach direkt an Vcc angeschlossen; allerdings sollte man verhindern, daß Akkus und Netzteil gleichzeitig den Rechner speisen wollen. Dazu reicht jedoch eine simple Schaltbuchse als 5-V-Anschluß.

Bei der Pufferung des RAM gibt es diese ganzen Schwierigkeiten nicht. Da hierfür in jedem Fall nur drei Zellen zuständig sind, ist die Gefahr zu hoher Spannungen von vornherein gebannt. Zu beachten ist lediglich die unterschiedliche Bestückung des Kombielements R7/D3: Bei insgesamt vier Akkus muß das Bauteil eine Diode sein, bei drei Akkus stehen eine Diode (D3) und ein Widerstand (R7) zur Auswahl. Wird im zweiten Fall ein Widerstand bestückt, entspringt der Ladestrom für die Akkus der 5V-Versorgung, das heißt, immer wenn der Rechner läuft, werden auch die Akkus geladen. Mit einer Diode in der Leitung muß der Ladestrom anderswo herkommen, zum Beispiel aus einem externen Ladegerät über R6 und Dl sowie über je eine Brücke am POWER-Stecker und anstelle des fehlenden Akkus.

(Sie brauchen übrigens bei vier Akkus keine Bedenken - wegen einer ungleichmäßigen Entladung der Zellen durch die Anzapfung hinter Zelle drei zu haben. Theoretisch tritt sie zwar auf, praktisch überwiegt die Selbstentladung der Akkus aber die Entladung durch den Stand-By~Strom des RAM, der nur wenige Mikroampere beträgt, bei weitem.)

Der Ladewiderstand (R6 beziehungsweise R7) muß natürlich in allen Fällen der jeweiligen Differenzspannung und dem Ladestrom angepaßt werden, es sei denn, die Akkus entfallen. Dann erübrigt sich logischerweise auch die Ladeschaltung aus Dl, R6 und D3/R7, und statt D2 kommt eine Drahtbrücke auf die Platine. Wenn Sie sich jedoch die Option auf RAM-Pufferung offen halten wollen, sollten Sie D2 ruhig wie angegeben bestücken - schaden kann die Diode nicht, aber Sie brauchen beim späteren Nachrüsten der Pufferung nicht mehr an die Drahtbrücke zu denken ...

Bei der Maskenrevision A läuft der IdIe-2-Mode des CGC noch nicht und soll deshalb auch nicht programmiert werden. Schade, gerade dieser Modus wäre interessant gewesen. Demgegenüber noch eher zu verkraften ist, daß die Pins IEI und INT einen High-Pegel eigentlich schon ab 2,2Verkennen sollten, nun sind aber mindestens 4,2V dafür nötig. Da Toshiba das schon weiß, ist wohl bald mit einer neuen Maske zu rechnen (hoffentlich).

Eine andere, nicht dokumentierte Unschönheit ist uns beim ,Herumspielen' mit den Labormustern aufgefallen. Zumindest bei unseren TMPZs läßt sich der PIO-Port B nur sehr widerwillig programmieren. In der Befehlssequenz 0CFh (Bitport), 00h (alles Ausgang), 07h (keine Interrupts) zum Beispiel muß zwischen der Ausgabe der einzelnen Bytes eine Pause von etlichen Mikrosekunden (um die 20!) eingelegt werden, sonst spielt die PIO nicht mit. Hat man den Port aber erst einmal überredet', können die Ausgabewerte mit voller Geschwindigkeit 'rausgejagt' werden. Bei Port A läuft dagegen alles normal.

Zu guter Letzt aber auch noch eine angenehme Überraschung: Die gemessene Stromaufnahme betrug 10-15mA für einen kompletten Rechner mit NMOS-EPROM und V.24-Treiber-IC. Unsere Prozessoren konnten also den im Datenbuch als typisch genannten Wert von 15mA glatt unterbieten.

Zu guter Letzt sind noch einige Layoutänderungen erfolgt, die auch die Pinbelegung des Erweiterungsbus betreffen. Der Platz für die Akkuladeschaltung D1/R6 kann nun alternativ mit einem 5V-Regler 78L05 nebst zwei Kondensatoren bestückt werden (auf dem Bestückungsplan gestrichelt), wobei die Ein- und Ausgangspins am POWER-Stecker dieselben sind wie für die Ladeschaltung.

Stromversorgungsstecker (POWER):

1 Power-Fail-Eingang (NMI)
2 Eingang Ladeschaltung/ Regler
3 Ausgang Ladeschaltung/ Regler
4 Gnd
5 Vcc
6 +-Anschluß von Akku 4

In dieser neuen Bestückungsvariante liefert der POWER-Pin 3 somit geregelte + 5 Volt. (Die Belegung des POWER-Steckers ist im Artikel nur dem Schaltbild zu entnehmen; daher finden Sie hier noch eine POWER-Tabelle.)

Erweiterungsbus (XPAN):
[Scan will be added later]

Die angegebene Stromaufnahme von 10-15mA beruhte leider auf einem Meßfehler. Aber mit (korrekten) 30mA (CMOS-EPROM) oder 40mA (NMOS-EPROM) demonstriert der CEPAC-80 nichtsdestotrotz seine Sparsamkeit.