Ako vznikol prvý integrovaný obvod UART za Železnou oponou

Úvod

V rámci spolupráce krajín RVHP (Rada vzájomnej hospodárskej pomoci) sa dohodlo, že vzorovým počítačom pre SMEP (Systém Malých Elektronických Počítačov) budú minipočítače1 americkej firmy Digital Equipment (DEC) – PDP 11. Jedného dňa v roku 1975 som dostal zoznam súčiastok, ktoré sa používali v počítači PDP 11/40. V zozname integrovaných obvodov2 (IO) väčšinou SSI, MSI (Small and Medium Scale Integration), ktoré sa v tomto počítači používali bol aj jeden IO LSI (Large Scale Integration) UART. Pre zaujímavosť autor originálneho zoznamu súčiastok použitých v počítači PDP11 uviedol, že sa jedná o LSI s neznámou funkciou. V tom čase nebol internet a nedalo sa to jednoducho vygúgliť tak ako dnes. Ja som však vedel o čo sa jedná, lebo som mal katalógový list tejto súčiastky od firmy AMI (Americal Micro System Inc.). Ten som dostal keď sme sa spolu s Ivanom Kočišom zúčastnili rokovania na Generálnom riaditeľstve TESLA v Prahe o licencii pre Piešťany so zástupcami tejto kalifornskej firmy.

Čo je to UART

UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) [1], [4], [5] – univerzálny asynchrónny prijímač a vysielač je integrovaný obvod slúžiaci k seralizácii a deserializácii dát pri komunikácii medzi vzdialenými zariadeniami napríklad počítačom a terminálom (zariadenie pre vstup a výstup údajov) a medzi počítačmi v rámci lokálnej alebo globálnej počítačovej siete. Pri vysielaní sa doň z koncového zariadenia zapíše paralelne viac bitov (napr. 8), ktoré potom sériovo vysiela (ako sekvenciu impulzov). Pri prijímaní dostáva dáta vo forme postupnosti impulzov, ktoré zhromažďuje v posúvacom registri a po prijatí posledného bitu sekvencie prepíše obsah do registra dát z ktorého si ich prečíta koncové zariadenie.

V počítačoch SMEP (v podstate vo všetkých počítačoch s terminálmi) sa používal pre sériové spojenie centrálnej jednotky namiesto paralelného kde je potrebné osem a viac vodičov. Bez sériového prenosu by sme nemali drôtové a bezdrôtové počítačové siete a teda ani internet.

Pôvodne sa používal v ďalekopisoch, ktoré využívali 5 bitové znaky bez alebo s jedným paritným bitom (informácia navyše, ktorá dopĺňa údaj o jeden bit tak aby ich počet bol párny (párna parita) alebo nepárny (nepárna parita). Neskoršie sa používalo 6, 7 až 8 bitov. UART je univerzálny obvod a počet bitov alebo parita sa môže nastaviť. V tej dobe to bol pomerne zložitý obvod a na začiatku výroby bol najzložitejším IO v ČSSR s nepravidelnou štruktúrou (približne 1100 tranzistorov), to znamená že jednotlivé časti sa opakujú len v malom počte na rozdiel od pamätí, kde sa pamäťová bunka pre jeden bit opakuje mnohokrát.

Ako to celé začalo

Zhodou okolností sme na ústave mali dva mikropočítače francúzskej výroby Micral N (podľa Múzea počítačovej histórie v Mountain View v Kalifornii, to bol prvý komerčný, nestavebnicový mikropočítač na svete) s prvým osem bitovým mikroprocesorom Intel 8008. Tento sme tiež analyzovali s cieľom navrhnúť jeho ekvivalent a tak som vedel, že počítač obsahuje aj UART. Zašiel som za kolegom Jánom Langošom s tým, že by sme sa mohli naň bližšie pozrieť. Oslovili sme I. Kočiša, či by sme ho nemohli vymontovať z počítača, lebo tento bol bez mikroprocesora i8008 aj tak nefunkčný a používal sa len ako sedačka v prípade, že sa v jeho pracovni zišlo viac ľudí ako bolo stoličiek. Nakoľko firma Intel medzitým uviedla na trh n-kanálový mikroprocesor i8080, tak počítač s ním nebol  perspektívny. Jeden z technikov ústavu pán Cvečko, ktorý mal výkonnú spájkovačku odstránil kovový kryt na keramickom púzdre IO (dnes sú mnohé IO zaliate v hmote, ktorá sa nedá od čipu oddeliť bez jeho deštrukcie). Okamžite sme zamierili do laboratória elektrónovej litografie, kde bol japonský elektrónový mikroskop JEOL, a kde nám kolegovia Ján Andrík a Miroslav Kováč urobil fotografie čipu. V čase keď sme analyzovali i8008, tak sme s Janom Langošom chodili na elektrónový mikroskop do atómovej elektrárne v Jaslovských Bohuniciach a neskôr do Výskumného ústavu zváračského, pretože snímky z polarizačného mikroskopu vo Fyzikálnom ústave SAV, kde sme pôvodne i8008 fotografovali, neposkytovali dostatočnú hĺbku ostrosti pre rozpoznanie morfológie4 čipu. Vo fotokomore som vyvolal film, exponoval a vyvolal zväčšeniny. Pri ustaľovaní a praní zväčšenín som odišiel z tmavej komory, zabudol som na pustenú vodu, umývadlo sa upchalo a tmavú komoru som vytopil. To bol dôvod aby sme na ústav prijali profesionálneho fotografa Juraja Liptáka (ktorý neskôr emigroval do Nemecka a dnes je uznávaným fotografom a filmárom).

Model UART, ktorý sme mali k dispozícii bol od firmy General Instruments s technológiou kovového hradla MNOS (Metal Nitrid Oxyd Silicon), ktorú v TESLA VÚST Praha a v  závode TESLA Piešťany ovládali). Okrem tejto firmy, vyrábali kompatibilné IO UART aj firmy AMI, Intersil, Signetics, Solid State Data Science, Texas Instruments a Western Digital.

Elektrická a logická schéma obvodu UART – reverzné inžinierstvo

S nedočkavosťou som začal lúštiť elektrickú (prepojenie tranzistorov) a logickú schému (prepojenie logických obvodov), ktorej cieľom bolo zdokumentovať a pochopiť funkciu tohto LSI obvodu. Bol to proces pripomínajúci skladanie veľkej abstraktnej mozaiky. Z konkrétnej morfológie4 čipu bolo treba rekonštruovať symbolickú reprezentáciu jeho funkčných častí (inverzia k originálnemu návrhu).Tranzistor MOS s kovovým hradlom má tri elektródy. Dve z nich tvoria difúzne oblasti s kremíkom obohateným alebo ochudobneným o jeden elektrón difúziou atómov prvku, ktorý má o jeden elektrón menej alebo viac ako čistý kremík. Tieto difúzne oblasti sú pod mikroskopom rozpoznateľné od iných vrstiev. Medzi týmito elektródami je tretia elektróda tvorená hliníkovou vrstvou nad tenkou vrstvou kysličníku kremíka.


Obr. 1: Detail kresby morfológie s vyznačenými tranzistormi, vodičami a kontaktami

Tieto vrstvy môžu mať rôzne tvary – od obdĺžnika alebo štvorca až po zložité mnohouholníky reprezentujúce spoje medzi jednotlivými tranzistormi. Spoj v jednej vrstve (hliník alebo difúzna oblasť) môže viesť z jednej strany čipu na jeho druhý koniec, pritom sa musí križovať s inými spojmi v tej istej vrstve (pomocou kontaktov a mostíku v druhej vrstve). V skutočnosti vidíme obraz tisícok čiar spájajúcich tranzistory. Aby človek pochopil funkciu, musí začať sledovať cesty elektrických signálov pricházajúcich cez vonkajšie kontakty a ich účinok na výstupné vonkajšie kontakty. V digitálnej elektronike nie sú zaujímavé spojité úrovne napätia alebo prúdu ako v analógových obvodoch ale len ich maximá a minimá – logické úrovne 1 a 0. Z jednotlivých identifikovaných tranzistorov a ich prepojení bolo treba zostaviť logické obvody NOT, NAND alebo NOR a zosilňovače pre výstupné kontakty. Z logických obvodov a ich prepojení sa potom skladali jednotlivé funkčné moduly integrovaného obvodu (registere, dekodéry, multiplexory, počítadlá, …).


Obr. 2: Fotografia časti čipu a kresba tej istej časti po digitalizácii

Tieto moduly sa dali identifikovať aj z architektúry čipu v katalógovom liste, umiestnenia kontaktov a vizuálnej reprezentácii na fotografii. Takže namiesto neprehľadnej kresby tranzistorov a ich prepojení celého čipu som problém dekomponoval na kreslenie jednotlivých funkčných modulov. Z kresieb prepojenia tranzistorov som rekonštruoval ich logické schémy a kreslil na veľkú papierovú plachtu. Kresba logickej schémy celého čipu na jednu plachtu papiera umožnila lepšiu orientáciu a pochopenie častí v kontexte fungovania celku.

Obr. 3: Výrez kresby logickej schémy celého čipu


Obr. 4: Elektrická schéma riadiaceho dekodéru


Obr. 5: Vizuálne upravená kresba logickej a blokovej schémy riadiaceho dekodéru

Výsledkom prvej etapy bola táto plachta a množstvo kresieb zapojení tranzistorov jednotlivých funkčných celkov.

Obr. 6: Bloková schéma prijímača

Z opisu funkcie systému (priebehy signálov na vstupoch a výstupoch v katalógovom liste) som dedukoval a kreslil priebeh signálov vo vnútri čipu. Môj diplomant z Elektrotechnickej fakulty Stanislav Labjak naprogramoval simulátor logických funkcií, ktorý som použil na simulovanie komplikovanejších logických schém (napríklad dekodér nastavenia dĺžky bajtu, parity a počtu stop bitov).

Počas prác na projekte sa stala jedna nepríjemná príhoda. Papierovú plachtu som vkladal zrolovanú do kartónovej krabice. Pani upratovačka si myslela, že to patrí do smetí tak to vyhodila. Keď som prišiel ráno do práce neveril som vlastným očiam – moja dvojmesačná práca vyšla navnivoč. Našťastie papierové smeti si pred odnesením do kontajneru „uskladňovala“ blízko unimo buniek, kde sme vtedy sídlili a tak som ju tam našiel. V noci mierne pršalo, takže plachta bola mokrá, ale nepoškodená a čitateľná. Prvým výsledkom mojej práce bola elektrická a logická schéma IO UART. Pre pochopenie funkcionality a jej dokumentovanie bolo potrebné zistiť časovanie hlavných signálov.


Obr. 7: Priebeh signálov riadenia vysielača

 Úplné pochopenie štruktúry a jej fungovania obvodu je dôležité pri jeho testovaní. Okrem toho tieto vedomosti sa môžu využiť v prípade modifikácie alebo originálnom návrhu obvodov, kde je možné znovu použiť jednotlivé funkčné moduly.

Návrh a digitalizácia masiek

Jano Langoš s kolegom Petrom Kákošom začali kresliť masky (presnejšie grafické predlohy masiek) na milimetrový papier s použitím fotografií a optického mikroskopu, pomocou ktorého sa upresňovali detaily, neviditeľné na fotografiách. Nik nám to neprikázal a robili sme to bez vedomia šéfov, hnala nás zvedavosť. Až po niekoľkých dňoch, keď sme si boli istí, že sme schopní to zvládnuť ukázali sme prvé výsledky vedúcemu oddelenia Jánovi Jeznému a I. Kočišovi. Pri tejto príležitosti by som uviedol že v ÚTK SAV sme mali dostatok slobody k bádaniu a experimentovaniu. Vznikali a zanikali mnohé experimentálne mikro a mini projekty, bez zbytočných formálnych postupov ale bez nárokov na odmenu v prípade neúspechu. Tak napríklad v dobe, keď ešte nik z nás nepočul o počítačovej myši, zkonštruoval Pavol Králik zariadenie pre ovládanie kurzora na grafickom displeji (ktorý sa neskôr používal aj v tomto projekte) s dvomi kolmo na seba umiestnenými potenciometrami umiestnenými v bakelitove krabičke. Niekoho napadlo, že by sa krabička obrátila a kolieska na potenciometroch by sa pohybovali po podložke a so zariadením by sa pracovalo tak ako v súčasnosti s myšou. Bolo to však nepohodlné, tak sme to nepoužívali. Ale rovnaké myšlienkové postupy mal pár rokov predtým aj vynálezca myši Douglas Engelbart v kalifornskom Stanford Research Institute. Tam neskoršie problém vyriešili použitím guličky namiesto koliečok.

Návrh masiek UARTu sa potom stal našou úlohou, ktorá prerástla do sledovaného projektu. Prác na vývoji sa zúčastnili viacerí pracovníci oddelenia vrátane vedúceho. J. Langoš a P. Kákoš kreslili na milimetrový papier 2,5 rozmerné (2D tvary viacerých vrstiev nad sebou) predlohy fotolitografických masiek pre jednotlivé technologické procesy (leptanie, difúzia, naparovanie hliníku, atď.). Na fotografii čipu je vidieť spleť geometrických štruktúr (mnohouholníky) a vizuálne je možné rozlíšiť jednotlivé vrstvy, ale nakresliť ich na papier mechanicky bez poznania ich funkcie sa nedá. Ostatní kresby digitalizovali, to je odčítavali súradnice mnohouholníkov z milimetrového papiera a kódovali do formátu PEPEM (Priamy Popis Masiek), ktorý bol vstupom do návrhového systému. Dáta sa do počítača vkladali pomocou abecedne- číslicového terminálu (monitor s klávesnicou) a archivovali na diernej páske. PEPEM umožňoval opis mnohouholníkov, pričom opakujúce sa vzory, ktoré sa nazývali figúry stačilo špecifikovať raz a potom ich opakovať na rôznych miestach čipu transláciou, preklopením a rotáciou o násobky pravého uhla. Jazyk umožňoval opis čiar, ktoré zvierali s vodorovnou osou uhly s násobkom 45 stupňov (v tej dobe pri programovaní návrhového systému som nepoznal Bresenhamov algoritmus pre rýchly výpočet (interpoláciu) priamky. To malo za následok, že originálne tvary polygónov s inými uhlami sa museli meniť. Aj návrhové pravidlá (šírky difúznych a hliníkových spojov, veľkosti elektród tranzistorov a kontaktov) technológie MNOS firmy General Instruments a podniku TESLA sa mierne líšili a túto skutočnosť bolo treba v návrhu zohľadniť. Jednoduché škálovanie (vynásobenie všetkých súradníc všetkých vrstiev) merítkom sa nedalo použiť – takže to nebol proces priameho klonovanie morfológie čipu.

Dáta na diernej páske (formát PEPEM) boli vstupom do systému SIKEM (Systém pre Kreslenie a Editovanie Masiek), [6], [7] ktorý som naprogramoval v jazyku Fortran a asembler na minipočítači Varian 620 (prvú, jednoduchšiu verziu na počítači Gier so súradnicovým zapisovačom Calcomp v jazyku Algol sme navrhli a naprogramovali s diplomantom Elektrotechnickej fakulty SVŠT a neskoršie kolegom Norbertom Feitscherom. Základné riadiace podprogramy pre ovládanie vstupno-výstupných zariadení – grafický monitor s pamäťovou obrazovkou Tektronix 601, obrazovkový terminál, elektrostatická rastrová tlačiareň Statos firmy Varian a tablet s grafickým perom napísali kolegovia Ján Lupták a Štefan Ložek. V tom čase to bol jediný „interaktívny“ grafický systém pre kreslenie predlôh masiek integrovaných obvodov v ČSSR. Rožnovské bipolárne obvody boli omnoho jednoduchšie a tak sa spočiatku predlohy masiek zhotovovali ručne (o pár rokov neskôr zakúpili západný CAD systém). V Tesla VÚST mali systém bez grafického displeja a grafického vstupu (až s nákupom licencie IO MOS dostali americký CAD systém Calma). Dierna páska s údajmi sa načítala do programu a návrhár potom vizuálne porovnával obraz morfológie zobrazený na displeji s kresbou na papieri. Ak našiel vrchol polygónu s chybnými súradnicami, pomocou kurzora ovládaného perom na grafickej tabuľke ho označil a pomocou klávesnice opravil jeho súradnice. Z dnešného pohľadu to nebolo veľmi interaktívne, ale pohodlnejšie a rýchlejšie ako hľadať chyby vo výstupe zo zapisovača.

Obr. 8: Kolegyňa Tamara Hudáková pri terminály, v pozadí je grafický displej Tektronix

Keď boli všetky chybné súradnice opravené vydierovala sa nová dierna páska. Celý obraz čipu sa skladal z niekoľkých výkresov formátu A3. Obraz opraveného výkresu sa mohol vytlačiť na tlačiarni Statos. Takú rýchlu grafickú tlačiareň v tom čase nikto na Slovesnku nevlastnil. Peniaze na jej nákup sa podarilo získať pri jednej návšteve prvého tajomníka ÚV KSS Jozefa Lenárta na pracovisku, ktorému I. Kočiš vsugeroval, že bez nej ťažko splníme úlohu v rámci dôležitého medzinárodného projektu. Kresba na počítači bola v rovnakom merítku ako kresba na milimetrovom papieri a tak bolo možné rýchlo skontrolovať korektnosť digitalizovaných dát. Keď mnohouholník na kresbe presahoval rozmer výkresu, bolo ho treba uzavrieť. Pre zhotovenie predlôh bolo treba vygenerovať nové dáta, ktoré polygóny opäť zjednotili. Program pre túto funkciu napísal kolega Jozef Jamriška. Výsledné dáta sa konvertovali programom (prvá verzia bežala na počítači Gier) do formátu švajčiarskeho súradnicového zapisovača Coragraph, ktorý bol v Slovenskom ústave geodézie a kartografie. Tento stroj dokázal rezať dvojvrstvovú fóliu Rubylith. Namiesto kresliaceho pera používal nôž, ktorý sa podľa smeru kresby natáčal a rezal červenú vrstvu fólie. Mnohouholníky museli byť uzavreté aby sa dala červená vrstva vylúpnuť. Vylúpaná oblasť bola priehľadná a kontrastovala s červenou hornou vrstvou. Bol to náročný proces vyžadujúci si pozornosť, pretože v prípade chyby by sa proces rezania musel opakovať – fólie sa importovali zo Západu a boli drahé. To bol konečný proces z našej strany.

Ďalšie prebiehali v Tesle Piešťany. Bolo to fotografovanie rubylithových fólií redukčnou kamerou, exponovanie 10 krát zmenšených fotografií na sklenené dosky a ich vyvolanie. Pomocou ďalšej kamery (step and repeat camera) sa zmenšené obrazy opäť zmenšili a opakovane exponovali na sklenené platne – konečné masky pre fotolitografické procesy. Pomocou nich sa potom robili ďalšie technologické procesy v čistom prostredí. Nasledovalo testovanie na doskách5, rezanie dosiek na čipy, zapúzdrovanie čipov, kontaktovanie na vývody púzdra a finálne testovanie. Až o pár rokov neskôr sa redukcie namiesto fotografovania predlôh masiek vyrábali priamym exponovaním obrazov masiek pomocou drahého optického generátora vzorov riadeného počítačom. No a v súčasnosti sa namiesto fotolitografických procesov používa priama expozícia elektrónovým lúčom (elektrónová litografia), pretože rozmery detailov sú menšie ako je vlnová dĺžka svetla a fotolitografia je nepoužiteľná. Už v tej dobe, keď sa vývojom elektrónovej litografie začínali zaoberať ako prví na svete v Bellových laboratóriách v USA, prišiel Ivan Kočiš s nápadom, aby sme prebudovali elektrónový mikroskop na elektrónový litograf. Ale to je už iný príbeh na ktorého konci bolo založenie oddelenia elektrónovej litografie, ktoré dodnes úspešne existuje a zaslúži si zdokumentovať.

Keď sa návrhové práce blížili ku koncu kolega Stanislav Kubaljak začal navrhovať a konštruovať tester. Medzičasom sa vývoj počítačov SMEP v krajinách RVHP stupňoval a potreba obvodu UART sa stávala urgentná. Hlavný konštruktér SMEP profesor Boris N. Naumov z Moskvy sa pri návšteve ÚTK v sprievode vedenia ústavu a  funkcionárov SAV pýtal na pokrok vo vývoji UARTu. Pamätám si ako raz povedal slovenským reprezentantom, ktorí odpovedali na jeho dotaz o termíne ukončenia projektu, že nechce hovoriť s nimi ale so mnou o samote „Nu Márťin kák déla, chočjú slúšať právdu …“ začínala jeho otázka.

Súčiastková základňa počítačov SMEP

Počas vývojových prác som bol menovaný za člena Pracovnej skupiny č. 3 pre súčiastkovú základňu v Rade špecialistov č.2 pre technické prostriedky počítačov SMEP. Zúčastnil som sa niekoľkých pracovných zasadnutí v NDR a ZSSR, kde sa riešila problematika súčiastok pre počítače SMEP. Bol to veľký projekt a deľba ako aj koordinácia prác mala veľký potenciál. Keby tento proces začal skôr a všetko fungovalo v súlade s víziou, tak by rozdiel v úrovni vývoja a výroby počítačov medzi Západnou Európou, USA a Japonskom na jednej a štátmi RVHP na druhej strane nebol tak veľký. Ale spolupráca narážala na problémy. Jedným z nich bolo málo flexibilné dlhodobé plánovanie v tak rýchlo sa vyvíjajúcej oblasti ako je elektronika a výpočtová technika. Jeden z paradoxov vo vývoji a výrobe integrovaných obvodov sa prejavoval aj v práci odbornej skupiny, ktorej prvým cieľom bolo mapovanie stavu vývoja a koordinovanie výroby súčiastok, hlavne integrovaných obvodov v jednotlivých krajinách. 

S kolegami z n.p. TESLA Rožnov sme vypracovali zoznam všetkých elektronických súčiastok, ktoré sa v ČSSR vyrábali a ktoré sa plánovali v najbližšej dobe dostať do výroby. Boli to prevažne SSI a MSI s bipolárnou technológiou. No v USA to bola doba dramatických zmien. Každým týždňom sa na trhu objavovali nové LSI s technológiou MOS, ktorá sa v porovnaní s technológiou bipolárnych IO dostávala aj napriek nižšej spínacej rýchlosti do popredia vďaka vyššej hustote tranzistorov na čipe, menšej spotrebe energie a jednoduchšími technologickými postupmi. Československo patrilo medzi prvé krajiny v Európe, ktoré vyrábali bipolárne SSI a malo istý náskok, ale ten sa udržal len v rámci RVHP. Okrem ČSSR sa IO vyrábali hlavne v ZSSR a NDR. Ale všetci ponúkali približne rovnaký sortiment. Okrem zoznamu toho, čo jednotlivé krajiny vyrábali, prezentoval a diskutoval sa aj zoznam IO, ktoré sú potrebné pre vývoj ďaľších modelov SMEP. Proces tých pracovných stretnutí ktorých som sa zúčastnil možno charakterizovať dialógom:


Obr. 9: Menovanie za člena pracovnej skupiny pre súčiastkovú základňu SMEP

Zástupca krajiny X: „Naša krajina ponúka súčiastky ABC a k vývoju SMEP by sme potrebovali súčiastky DEF – kto ich bude vyrábať ?“ Koordinátor stretnutia: „No mohli by ste ich vyrábať aj vy, máte nato predpoklady“ Zástupca krajiny X: „Áno chápeme, ale vývoj je drahý, nemáme voľné kapacity a plán vývoja a výroby na nasledujúce roky už máme schválený … „. Keď sa rokovania nemohol zúčastniť zástupca Tesly, dostal som inštrukciu – len nič nesľubujte. V trhovom hospodárstve by asi zástupcovia krajín okamžite telefonovali domov s informáciou čo na trhu chýba

Opäť v  Tesle v Piešťnoch

Konečne prišiel deň D (v roku 1976, presný dátum si nepamätám), keď sme všetky rubylithové fólie odovzdali do Piešťan. O pár dní prišla správa, že technologické procesy sú ukončené a obvod je možné testovať. S Janom Langošom a Stanom Kubaljakom sme vycestovali do Piešťan. Naším piešťanským partnerom bol Bartolomej (Berco) Talpaš, ale komunikovali sme aj s inými pracovníkmi závodu.

Čipy sa testovali na doske. Berco nastavil sondy na vstupno výstupné kontakty a S. Kubaljak spustil tester. Ak si dobre spomínam, pri prvom čipe bola nulová odozva, potom testovali ďalšie čipy, ale nefungovali. Testovanie systému na jeho vstupoch a výstupoch bez možnosti vidieť čo sa deje v jeho vnútri je testovaním „čiernej skrinky“. Ale my sme vďaka poznaniu vnútornej štruktúry a funkcie testovali „bielu skrinku“. Snažili sme sa z odoziev na vstupné postupnosti signálov dedukovať, kde môže byť chyba. Aj keď som poznal dobre vnútornú funkcionalitu a Stano vonkajšie chovanie, chybu sme diagnostikovať nedokázali, ale boli sme radi že obvod žije aj keď nie je zdravý. Vrátili sme sa do Bratislavy a nasledovala kontrola všetkých tranzistorov podľa logickej a elektrickej schémy a ich porovnanie s morfológiou4. Jediná chybná súradnica z desiatok tisícov súradníc spôsobí nefunkčnosť tranzistora alebo chybné spojenie. Chyba môže byť lokálna prejavujúca sa len pri určitej funkcii, alebo globálna, keď je celý systém nefunkčný. Už si nepamätám presne, ale v jednej maske chýbal asi jeden obdĺžnik, teda jedno hradlo (elektróda gate) tranzistora. Pri ďalšom výjazde do Piešťan sme boli úspešnejší a po namáhavom a dlhom pracovnom dni, úplne vyčerpaní sme to náležite oslávili. Potom prišiel deň keď z Piešťan došiel zapúzdrený UART. Z obrazovkového terminálu sme vytiahli originálny americký obvod a vložili piešťanský ekvivalent. Terminál sme pripojili k počítaču a ten fungoval. Tesla Piešťany sa stala prvým výrobcom tejto dôležitej súčiastky v štátoch RVHP.

Obr. 10: Piešťanský UART (4x) v doske sériového rozhrania Q – ASAD (JZD Slušovice) počítača RPP16. Toto rozhranie bolo vyvinuté už v čase výroby počítačov SMEP a umožňilo pripojenie štyroch terminálov a implementáciu multipoužívateľského operačného systému RSX 11 aj na tomto počítači.

Obr.11: UART v doske D-ASAD počítača SMEP 50/50

Na záver

UART sme s Jánom Langošom začali vyvíjať z vlastného popudu – ako výzvu. Neskôr sa stal sledovaný projekt. Pre ilustráciu za projekt sme (J. Langoš, S. Kubaljak a ja) dostali finančnú ocenenie z Predsedníctva SAV. Bolo to vo výške približne polovice mesačnej mzdy a keď na konci roka vedúci oddelenia rozdeľoval odmeny tak nám dal menej, pretože „oni už dostali odmenu z predsedníctva“. Ale napokon na projekte pracovalo celé oddelenie. Napriek tomu, že finančné ohodnotenia mnohých náročných projektov, ktoré sa na ÚTK riešili nebývalo veľké, mnohí pracovníci ÚTK SAV boli workoholici a pracovali so zápalom ďaleko nad rámec povinností. Pracovali sme na zaujímavých projektoch a mali sme v rámci možností slobodu, dobre vybavenú knižnicu, ale hlavne zaujímavé, priateľské a otvorené prostredie v ktorom sa mladí inžinieri mohli realizovať a mali podporu a rešpekt vedenia a kolegov. A to bol aj prípad obvodu UART.

Obr. 12: Peter Kákoš, Ján Langoš, Martin Šperka a Stanislav Kubaljak diskutujú nad kresbou masiek UARTu zo súradnicového zapisovača Digigraf, ktorý sa používal pred zakúpením rýchlej, mozaikovej elektrostatickej tlačiarne Statos

SLOVNÍK POJMOV

1 Minipočítač je pojem, ktorý vznikol v šesťdesiatych rokoch minulého storočia v súvislosti s miniaturizáciou počítačov ovplyvnenej predovšetkým používaním integrovaných obvodov malej a strednej integrácie. Na rozdiel od tzv. sálových počítačov minipočítače už nemuseli pracovať v klimatizovanom prostredí počítačových sál, ale s rozmermi kuchynskej ľadničky sa dali umiestniť aj do laboratórií alebo výrobných liniek. Mali menší výkon, kapacitu operačnej pamäti (magnetická feritová – neskôr polovodičová) ako sálové počítače. Dĺžka slova bola obyčajne 16 bitov.

2 Integrovaný obvod je združenie viac poprepájaných tranzistorov na jednej kremíkovej podložke – čipe. Prvé integrované obvody mali niekoľko tranzistorov a vykonávali jednoduché logické funkcie, súčasné IO obsahujú rádove miliardy tranzistorov a realizujú aj niekoľko procesorov v jednom čipe.

3 Register je niekoľko jednobitových pamäťových prvkov, do ktorých sa zapisuje a číta paralelne – všetky bity v jednom takte alebo sériovo, tak že na jednom konci je vstup a na druhom výstup, pričom dáta sa posúvajú od vstupu k výstupu.

4Morfológia je 3D tvar povrchu čipu determinovaný jednotlivými technologickými vrstvami. Tento trojrozmerný tvar sa dosiahne osvetľovaním fotosenzitívnych vrstiev cez fotolitografické masky, oxydáciou kremíka, leptaním kysličníka kremíku, naparovaním a leptaním hliníka. Pre každý parciálny technologický proces bola potrebná jedna maska. Napríklad difúzne oblasti určujúce elektródy integrovaných tranzistorov, hliníkové vodiče, kontakty…..

5Doska (wafer) je kruhový plátok kremíku, na ktorom je umiestnené (rozmnožené) viac čipov rovnakej funkcionality a ktoré sa po testovaní rozrežú, vadné vyhodia, dobré zapúzdria a nakontaktujú na vývody z púzdra.

LITERATÚRA

[1] ŠPERKA M.: Univerzálny asynchrónny vysielač, prijímač UART. Čiastková správa č. P/10. Štátna úloha P-04-561-298, Výskum perspektívnych výpočtových systémov na báze SMEP.

[2] ŠPERKA M.: Použitie IO typu MOS vo výpočtovej technike. Zborník, III. Celoštátny seminár o technológii a použití integrovaných obvodov MOS, Ždáň, 1975

[3] ŠPERKA M.: Použitie integrovanych obvodov v počítačoch. Zbornik Letná škola mikroelektroniky, Pezinok 1975.

[4] ŠPERKA M.: MOS LSI obvody pre komunikačné systémy, zbornik, IV. celošátny seminár o technológii a použití integrovaných obvodov MOS, Moravany 1976.

[5] ŠPERKA M.: Univerzálny asynchrónny vysielač, prijímač – UART. Sdělovací technika č.12, 1977 s.445 – 448.

[6] ŠPERKA M.: Použitie interaktívnych grafických systémov v návrhu integrovaných obvodov, zborník II. celoštátna konferencia Počítačové riadenie diskrétnych procesov, Tatranská Lomnica , 1977.

[7] ŠPERKA M.: Použitie interaktívnej počítačovej grafiky v automatizovanom návrhu masiek integrovaných obvodov. Zborník Počíitačová grafika ’78.Smolenice 1978, 52-54.

V Bratislave 12.2. 2017 doc. Ing. Martin Šperka, PhD.

 

Komentáre sú uzavreté.