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Autor Thema: Der NKC SD Controller
m.haardt
Stammgast
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ID # 93


  Erstellt am 01. Mai 2017 14:55 (#1)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Hallo,

seit gestern tut's der Controller endlich, darum hier vorab schon mal eine Beschreibung, was wir gebaut haben. Hans-Werner zeichnet noch am Schaltplan und wird sicher alles zusammen im Web veröffentlichen.

Michael

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Klassische Mikrocomputer wie der NKC bekommen mit den Jahren alle das
gleiche Problem: Verschleiß beim Massenspeicher. Alte Floppylaufwerke
sind nur aufwändig zu reparieren, Festplattenlaufwerke gar nicht, und
kompatibler Ersatz ist kaum aufzutreiben. Die IDE Schnittstelle ist nicht
brauchbar spezifiziert und viele Open Hardware Controller laufen nur mit
bestimmten Platten. CF und PATA sind 2017 beinahe schon ausgestorben
und SATA nicht mit klassischer Technik adaptierbar. USB benötigt sehr
komplexe Software. SD Cards hingegen gibt es schon lange und wird es
noch lange geben, sie sind klein und billig, brauchen wenig Strom und
können mit einfachen Schnittstellen und Treibern gut arbeiten.

Darum besteht der SD Controller auch nur aus langfristig leicht
erhältlichen Bauteilen. Er stellt keine besonderen Anforderungen an den
Bus und ist für verschiedene Systeme adaptierbar. Trotz des einfachen
Aufbaus führt er den seriellen Datentransfer zur SD Card in Hardware
durch, so dass faktisch die Busschnittstelle die Transferrate bestimmt.
Durch den Aufbau als SPI Controller ist auch der Einsatz für andere
Zwecke denkbar. Entsprechend der Tradition des NKC gibt es eine
ausführliche Schaltungsbeschreibung.

Nur die vereinfachte Fassung der SD Card Physical Layer Specification
ist frei verfügbar. Ab Version 3 fehlen dort wichtige Abschnitte
zu SPI, die nur in der kostenpflichtigen Version enthalten sind.
Allerdings fand die letzte Aktualisierung von SPI in Version 2 statt
und ist dort in der frei verfügbaren Version noch vollständig enthalten.

Viele offene SD Card Projekte ignorieren Teile des Standards.
Die Erfahrung aus der Praxis zeigt, dass diese Vorgehensweise leicht
zu unzuverlässigem Betrieb oder Kompatibilitätsprobleme mit bestimmten
Karten führt. Hier lohnt sich sorgfältige Arbeit, auch wenn der Standard
nicht immer leichte Lektüre ist.

Die Datenübertragung von SD Cards

Zugunsten des einfacheren Aufbaus benutzt der SD Controller SPI. SD Cards
verwenden den Mode 0, d.h. sie übernehmen die Daten mit der steigenden
Flanke und ändern sie mit der fallenden Flanke des Takts. Tatsächlich ist
Letzteres für SD Cards nicht ganz richtig, aber dazu später mehr.

Das Herzstück des SPI Controllers besteht aus zwei Schieberegistern:
Der '165 realisiert MOSI, der '595 MISO.

Der '165 legt das Datenbit bereits auf den SPI-Bus, wenn das
Schieberegister geladen wurde. Für den Zweck von SPI müsste man ihn also
nur 7 mal takten, um die weiteren niedrigwertigeren Bits auszugeben.
Das serielle Eingabebit wird auf high gezogen, damit das Register nach
Ablauf der Ausgabe 0xff enthält. Der 8. Takt sorgt dafür, das letzte
Bit auf 1 zu setzen. Die Ausgabe muss mit der fallenden Flanke von SCLK
erfolgen, darum wird mit dem invertierten Takt geschoben.

Der '595 soll das Eingabebit mit der steigenden Flanke von SCLK
übernehmen, darum wird das Schieberegister direkt mit dem Takt gesteuert.
Der invertierte Takt gibt das Schieberegister aus, denn laut Datenblatt
kann man nicht gleichzeitig die Daten schieben und ausgeben. Alternativ
könnte man die Ausgabe auch nur einmalig am Ende des Zyklus auslösen.

Die 8 Takte für die zwei Schieberegister werden durch den asynchronen
Zähler (ripple counter) '393 erzeugt. Im Ruhezustand hält das Flipflop
'74 den Zähler gelöscht. Wird es durch eine steigende Flanke gesetzt,
beginnt der Zähler mit seiner Arbeit. Da dieser Vorgang nicht
taktsynchron erfolgt, wird der erste Impuls angeschnitten. Um diesen
Impuls zu unterdrücken, wird die erste Stufe des Zählers als Teiler
benutzt, denn im geteilten Takt fällt der erste Impuls weg. Der Zähler
läuft also nicht bis 8, sondern bis 16. Das Löschen des Zählers passiert,
wenn er von 15 auf 16 schaltet. Die nötige Zeit zum Löschen ist kein
Problem, weil genau dieser Impuls wie der erste angeschnittene Impuls
durch die Teilung unterdrückt wird.

Es ist wichtig, keinen synchronen Zähler wie z.B. einen '163 zu verwenden,
weil dieser Spikes auf den Ausgängen erzeugt.

Es gibt zwei Wege, die Datenübertragung zu starten:

o Durch die steigende Flanke von /WR beim Schreiben des Datenregisters,
um das geschriebene Byte sofort zu übertragen.
o Durch die steigenden Flanke von /RD beim Lesen des Datenregisters.
Sofern ein Bit im Statusregister gesetzt ist, wird so direkt die
nächste Übertragung gestartet.

Der Verzicht auf extra Portzugriffe zum Start der Übertragung beschleunigt
den Treibercode erheblich.

Während der Initialisierung der Karte darf der Takt nur maximal 400
kHz betragen. Darum kann man mit einem Bit im Statusregister zwischen
einem entsprechend auf maximal 800 kHz geteilten (die SPI Übertragung
teilt den Takt ja nochmals, darum nicht 400 kHz) oder dem ungeteilten
Takt wählen.


Spannungsversorgung der SD Card

SD Cards arbeiten per default mit 3,3 V, die von einem LDO erzeugt und
mit 47 uF (Physical Layer Specification E.1) und 100 nF (Physical Layer
Specification E.2) geglättet werden.

Der einzige Weg, eine SD Card sicher neu zu initialisieren, ist die
Unterbrechung der Spannungsversorgung. Dies wird durch einen schaltbaren
LDO erreicht. Bei Tests zeigte sich, dass SD Cards auf Verletzungen
des Protokolls gerne nicht durch einen Fehlercode, sondern mit Hängen
reagieren.


Levelshifter für die SD Card

SD Cards haben keine 5 V toleranten Eingänge, d.h. es werden Levelshifter
benötigt. Dazu dient ein mit 3,3 V Versorgungsspannung betriebener
74HC4050, dessen Eingänge unabhängig von der Versorgungsspannung bis zu
15 V tolerieren. Für MOSI gibt es bei allen Signalhöhen ausreichende
Abstände. Leider kann der 74HC4050 nicht für MISO benutzt werden, weil
V_OH der SD Card keinen ausreichenden Abstand zu V_IH des 74HC4050 hat:

SD Card (V_DD = 3,3 V, Physical Layer Specification 6.6.1)
V_OH = min 0,75 * V_DD = min 2,48 V
V_OL = max 0,125 * V_DD = max 0,41 V
V_IH = min 0,625 * V_DD = min 2,07 V
V_IL = max 0,25 * V_DD = max 0,83 V

74HC4050 (V_CC = 3,3 V)
V_OH = min 3,2 V
V_OL = max 0,1 V
V_IH = min 2,39 V (interpoliert)
V_IL = max 0,9 V (interpoliert)

74HCT595
V_IH = min 2,0 V
V_IL = max 0,8 V

74HCT165
V_OH = min 4,4 V
V_OL = max 0,1 V

In der Praxis hat sich gezeigt, dass die überprüften SD Cards alle
deutlich mehr Spannung bei high lieferten. Dennoch wird im Sinne der
Robustheit ein '125 als Levelshifter für MISO verwendet.

Auf den SD Card Anschlüssen 1,2,7,8,9 gibt es entsprechend der Physical
Layer Specification Abschnitt 6 Pullup Widerstände, hier mit 47k.


Timing der SD Card

Der Takt von 10 MHz ist für den 74HC4050 akzeptabel, während ein CD4050
evtl. schon überfordert ist. 20 MHz funktionieren evtl. nicht mehr
stabil. Leider macht das Datenblatt keine Aussage zum Betrieb bei 3,3V.

Der Abschnitt 6.6.6 Bus Timing (Default) der Physical Layer Specification
bezieht sich auf das SD Card Protokoll und für SPI gibt es keine anderen
Angaben, aber auch keinen Grund, von anderem Zeitverhalten auszugehen.
Der Wert Output Delay time during Data Transfer Mode beträgt 14 ns,
d.h. die Daten liegen nicht mit dem Flankenwechsel stabil an, sondern erst
bis zu 14 ns später. Das wird im Diagrammen häufig falsch dargestellt.

Während der Initialisierungsphase kann diese Verzögerung noch deutlich
höher sein!

Das Propagation Delay des 74HC4050 liegt zwischen 85 ns bei 2,0 V
und 17 ns bei 4,5 V. Es ist zusammen mit der Verzögerung der SD Card
also nicht zu vernachlässigen. Aus dem Grund wird das Schieberegister
zum Empfang der Daten mit dem 3.3V Takt der SD Card betrieben, so dass
sowohl Takt als auch Daten die gleiche Verzögerung erfahren.


Businterface

Es darf nicht passieren, dass die Treiber von CPU Karte und IO Karte
gegeneinander arbeiten. Idealerweise wird ein Bustreiber erst aktiviert,
wenn er auch ein Eingangssignal hat.

Die CPUZ80 Karte verzögert leider die Ansteuerung ihres Bustreibers
unnötig. Um ein IC zu sparen, wurden statt einem AND zwei NAND Gatter
eingesetzt, so dass die Richtung des Treibers unnötig spät umgeschaltet
wird. Einzig das Propagation Delay der Bustreiber für die Steuersignale
hilft, indem es /RD und /IORQ verzögert. Dennoch sehen Peripheriekarten
schon ein /RD, während der Bustreiber der CPU-Karte noch kurz in der
anderen Richtung arbeitet.

Es ist bei Peripheriekarten sehr beliebt, Adressen sowie /IORQ und
/M1 mit einem 74HCT688 zu dekodieren und mit /RD die Richtung den
Datenbustreibers zu steuern. Dies hat allerdings zur Folge, dass bei
typischen Verzögerungen aller Bausteine nur 10 ns zwischen der Umschaltung
des CPU-Bustreibers und des Karten-Bustreibers vergehen.

Ein 74LS245 braucht typischerweise 15 ns zum Ab- und 27 ns zum
Einschalten, ein 74HCT245 aber nur 16 ns zum Einschalten. Eine gemischte
Bestückung reduziert den ohnehin nicht ausreichenden Spielraum für
Abweichungen vom typischen Verzögerungswert weiter. Typischerweise
funktioniert es gerade noch so eben, aber Abweichungen innerhalb der
Spezifikation können zu Störungen führen.

Aus diesem Grund wird das Signal zur Aktivierung des Bustreibers noch
ein wenig verzögert. Die Schaltung sorgt dafür, dass die Deaktivierung
weniger verzögert wird.

Das Schieberegister zur Wandlung des seriellen SPI-Datenstroms in
parallele Bytes hat leider ein erhebliches Output Delay. Zusammen mit dem
Propagation Delay des Dekoders für die Chip Select Signale ergeben sich
etwa 30 ns, in denen der Bustreiber auf der IO-Karte schon aktiv ist,
aber noch kein Signal anliegt. Wie sich zeigte, neigt ein 74HCT245 in
dieser Zeit zum Schwingen auf Leitungen, die im letzten Lesezyklus low
waren und durch das Schieberegister high werden. Wenn das viele Bits
betrifft, ergeben sich Nadelimpulse, die auf dem ganzen Controller
zu finden sind und bei nicht sehr großzügiger sternförmig verlegter
Masse sogar zu erheblichem ground bounce führen. Dieses Problem der
kurzfristig undefinierten Leitungen wird mit Pullup-Widerständen auf
dem internen Datenbus vermieden.

Die Alternative wäre eine weitere Verzögerung der Aktivierung des
Treibers, aber es zeigte sich, dass das Propagation Delay einzelner
Gatter teilweise überraschend vom typischen Wert im Datenblatt abweicht,
so dass sich kein innerhalb der Spezifikation sicherer Aufbau ergibt.
Weiterhin blieben dann die Eingangssignale der Bustreiber auf der
CPU-Karte undefiniert, was dort evtl. das gleiche Problem verursachen
könnte.


Ports

Der SD Controller belegt zwei Ports. Die Defaultadresse ist 0x20
(Jumper 1101111).

Schreiben

0:[7-0] Byte zur SD Card senden.

1:[7] SLOW (1 = max. 400 kHz Takt, 0 = volle Geschwindigkeit)
1:[6] ONLYRD (1 = Nur lesen, 0 = Lesen und Transfer starten)
1:[5-4] reserviert
1:[3] POWER (1 = SD Card eingeschaltet, 0 = ausgeschaltet)
1:[2] reserviert
1:[1] /CS1 (Card select SD Card 1)
1:[0] /CS0 (Card select SD Card 0)

Lesen

0:[7-0] Letztes empfangenes Byte lesen. Falls SINGLERD 0 ist, wird
danach ein neuer Transfer von 0xff ausgelöst.

1:[7-1] reserviert
1:[0] BUSY (1 = Transfer läuft, 0 = Transfer fertig)

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ID # 2


  Erstellt am 02. Mai 2017 12:40 (#2)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Moin Michael,

das liest sich ja schon fast wie ne Diplomarbeit :D

So wie es aussieht hattest du ja mit argen Timingproblemen zu kämpfen.
Da stellt sich dann die Frage, wie es mit anderen CPUs bzw. mit anderen Taktfrequenzen aussieht. Habt ihr/du dahingehend schon mal Versuche gemacht?

Ansonsten hört sich das Teil richtig gut an, bin schon gespannt es mal zu testen.

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Gruß
-=jens=-

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m.haardt
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ID # 93


  Erstellt am 02. Mai 2017 19:51 (#3)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Ja, bei dem Projekt haben Hans-Werner und ich einiges gelernt und es war mehr Arbeit als gedacht. Ich glaube, wir haben kein Problem ausgelassen, was man haben kann. ;-)

Ich habe bzgl. anderer und auch schnellerer CPUs keine Bedenken. Alles sollte sicher ausgelegt sein.

Michael

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ID # 3


  Erstellt am 05. Mai 2017 22:36 (#4)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
ja was da aus einem guten Jahr Arbeit herausgekommen ist...
erstaunlich und überraschend wie wir uns ergänzt haben. Nun habe ich die große Aufgabe aus dem Schaltbild eine Platine zu machen....
Alles was sonst zu unserer Hardware zu sagen ist, hat Michael bereits gesagt.
Gruß
Hans-Werner

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ID # 93


  Erstellt am 15. Juni 2017 16:50 (#5)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
So sieht es aktuell aus: Die Platine funktioniert mit einer kleinen Modifikation (zwei Leiterbahnen trennen und anders verbinden). Der Footprint des SD Sockels ist leider unüblich, aber auch das kann man lösen, indem man die Pads durchbohrt, einen typischen Sockel auf die andere Seite klebt und dann mit Draht verbindet. Der Footprint des Spannungsreglers ist zu klein, aber man kann einen anderen Spannungsregler bestücken, wenn man von dem einen Pin abkneift.

Mein NKC bootet jetzt von dem Board. :)

Hans-Werner wird sicher demnächst alles im Web veröffentlichen. Es müssten noch ein paar PCBs der Prototypen zu haben sein, falls es jemand nachbauen will.

Michael

Beiträge: 324 | Mitglied seit: April 2008 | IP-Adresse: gespeichert
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ID # 3


  Erstellt am 15. Juni 2017 22:45 (#6)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
ja Michael hat den Fehler der Platine gefunden... 7 Prototypen sind noch da... die Doku zur Karte werde ich allerdings erst nach meinem Urlaub schaffen...also nach dem 12 Juli.
Gruß
Hans-Werner

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Creep
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ID # 169


  Erstellt am 15. Juni 2017 23:59 (#7)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Hallo,

da muß ich natürlich unbedingt mal Interesse an einem Prototypen anmelden. Bin erstmal 1 1/2 Wochen verreist aber danach würde ich den gern mal testen.
Korrigiert ihr noch das Layout oder ist das dann die nächste Aufgabe für die Fangemeinde?

Gruß, Rene

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edbru
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ID # 172


  Erstellt am 16. Juni 2017 06:40 (#8)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Hi,

da schließe ich mich Rene unbedingt an.
Sowas muss doch sofort getestet werden.
Wie kommt man an eine Protoplatine?

Gruß
Eddi

Beiträge: 57 | Mitglied seit: Februar 2017 | IP-Adresse: gespeichert
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ID # 2


  Erstellt am 16. Juni 2017 15:39 (#9)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Moin,

eine Proto-Karte hätte ich auch gerne. Ich kann sie dann auch in allen möglichen Systemen testen :)

-----------------------
Gruß
-=jens=-

Beiträge: 722 | Mitglied seit: Juni 2004 | IP-Adresse: gespeichert
m.haardt
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ID # 93


  Erstellt am 16. Juni 2017 19:44 (#10)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Ich denke vor einer Korrektur des Layouts sollte man erstmal abwarten, wie das Feedback von der ersten Produktion ausfällt. Bislang haben nur Hans-Werner und ich Platinen aufgebaut und dabei natürlich Kleinigkeiten gesammelt, die man verbessern könnte. Aber andere Leute haben vielleicht noch andere, gute Ideen.

Sehr gut wäre einen LDO für 3,3 V zu finden, den z.B. auch Reichelt hat, der ca. nichts kostet und der einen TTL-kompatiblem Shutdown-Eingang hat, um die SD Card schalten zu können, und das ganze im SOT-223-5 Gehäuse. Es ist das einzige SMD Teil, aber da er ein paar Hundert mA leisten muss, wird ein bedrahtetes Teil zu groß. Ich benutze aktuell einen MCP1826T, aber den gibt's nur bei Conrad oder bei Ebay. Dafür passt er auf die Platine, wenn man seinen Pin 5 abkneift.

Michael

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ID # 3


  Erstellt am 16. Juni 2017 22:01 (#11)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
wenn ich wieder aus dem Urlaub bin kann das losgehen.
@Michael
eine Version wäre anstelle des LDO die FET und Spannungsregler Version, ganz glücklich bin ich da nicht.
Und dein LDO gibt es nicht bei Conrad...mal sehen ob ich welche besorgen lassen kann für die Prototypen.
Gruß
Hans-Werner

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Beiträge: 773 | Mitglied seit: Juni 2004 | IP-Adresse: gespeichert
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  Erstellt am 16. Juni 2017 22:59 (#12)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Ich sehe ihn bei Conrad:

https://www.conrad.de/de/pmic-spannungsregler-linear-ldo-microchip-technology-mcp1826t-3302edc-positiv-fest-sot-223-5-1085983.html

0,95 EUR, das ist ok.

Reichelt baut leider immer weiter ab, sie können inzwischen nicht mal mehr alle TTLs liefern. Vielleicht sollte ich mal wieder zu Conrad wechseln, nur komme ich mit deren Onlineshop noch weniger zurecht. Das Angebot ist aber viel besser.

Michael

Beiträge: 324 | Mitglied seit: April 2008 | IP-Adresse: gespeichert
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ID # 3


  Erstellt am 24. Juni 2017 16:05 (#13)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
die Dokumentation ist online... die 4. Proto- Karte ist auch schon reserviert..geht nach meinem Urlaub weiter.
Gruß
Hans-Werner

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  Erstellt am 13. Juli 2017 23:07 (#14)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
ich bin wieder im Lande...
hier ist die Doku.
http://www.schuetz.thtec.org/NKC/hardware/sdio/sdio.pdf
Gruß
Hans-Werner

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  Erstellt am 14. Juli 2017 22:24 (#15)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
ist schon verrückt was Ihr da geleistet habt.
Vor allem die ganze Erklärung der Probleme und Lösungen ist schon heftig.
Wäre zu meiner Zeit (wenn es das noch gäbe?) eine völlige Ingenieurabgabe Wert.
Meine Professoren hätten durchgewinkt - weil sie es nicht verstanden hätten.
"vielleicht noch, erklären Sie wofür das gut ist. Sie haben bestanden aber wofür ist das gut?"

Oh, ich hab jemanden zitiert. Welchen?

Wenn das funktioniert bin ich begeistert.

Gruß
Eddi

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  Erstellt am 15. Juli 2017 21:08 (#16)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Klar funktioniert es, mein NKC bootet so CP/M. Ich habe keine Floppies.

Die ausführliche Schaltungsbeschreibung führt die Tradition des NKC fort: Einfache Bausteine effizient benutzt. In den 80ern war solche Dokumentation durchaus üblich.

Wie ich sehe, gibt es auch heute noch Leute, die den gleichen Spass wie Hans-Werner und ich daran haben. Es ist sicher kein Zufall, dass die NKC Bücher auf Ebay nach all den Jahren immer noch gute Preise erzielen.

Michael

Beiträge: 324 | Mitglied seit: April 2008 | IP-Adresse: gespeichert
Creep
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  Erstellt am 15. Juli 2017 22:28 (#17)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Und das 68000er Buch ist nicht einmal verfügbar. Anscheinend will sich niemand davon trennen, der es noch hat. :-(

Gruß, Rene

Beiträge: 334 | Mitglied seit: Januar 2017 | IP-Adresse: gespeichert
m.haardt
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ID # 93


  Erstellt am 15. Juli 2017 22:49 (#18)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Richtig, ich habe auch länger gewartet, um eins zu bekommen. Wenn Du aber schon mal reinschauen willst:

http://www.ndr-nkc.de/download/books/buch_68000_und_68008.pdf

Ich habe mittlerweile alle drei Bücher daheim. Das sind einfach Klassiker, genau wie der NKC selbst. :)

Michael

Beiträge: 324 | Mitglied seit: April 2008 | IP-Adresse: gespeichert
hschuetz
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ID # 3


  Erstellt am 16. Juli 2017 16:12 (#19)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail   HP HP
Hallo,
also ich habe noch einige Prototypen hier liegen... den
LDO (Spannungregler3,3V) lege ich bei. es müssen 2 Leitungen unterbrochen werden und 2 neu gelegt werden, ausserdem ist leider die SD-Card Halterung auf der falschen Seite, bzw verkehrt herum. Erste Möglichkeit ist es die Fassung auf die Rückseite zu kleben und die Anschlüsse mit Bohrungen zu versehen, eine zweite Möglichkeit wird noch erprobt.
Die Platine kostet 10 Euro, den LDO packe ich gratis dazu, plus Versand.
Gruß
Hans-Werner

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Beiträge: 773 | Mitglied seit: Juni 2004 | IP-Adresse: gespeichert
UR1968
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  Erstellt am 16. Juli 2017 20:39 (#20)  |  Zitat Zitat   PN PN   E-Mail E-Mail
Hallo Hans-Werner,

an einem Prototypen wäre ich interessiert.

Tschüß
Uwe

Beiträge: 50 | Mitglied seit: Februar 2017 | IP-Adresse: gespeichert



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