4 битийн хоёртын тооцоолуур: 11 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:00

Би компьютерийн үндсэн түвшинд хэрхэн ажиллах талаар сонирхож эхэлсэн. Илүү нарийн төвөгтэй ажлуудыг гүйцэтгэхэд шаардлагатай салангид бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хэрэглээ, хэлхээг ойлгохыг хүсч байна. CPU -ийн нэг чухал үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг бол бүхэл тоон дээр үйлдэл хийдэг арифметик логик нэгж эсвэл ALU юм. Энэ даалгаврыг биелүүлэхийн тулд компьютерууд хоёртын тоо, логик хаалга ашигладаг. Гүйцэтгэсэн хамгийн энгийн үйлдлүүдийн нэг бол нийлүүлэгч хэлхээнд хоёр тоог нэмж оруулах явдал юм. Numberphile -ийн энэхүү видео бичлэг нь Domino Addition -ээр дамжуулан энэхүү ойлголтыг маш сайн тайлбарлаж өгчээ. Мэтт Паркер энэхүү үндсэн ойлголтыг өргөжүүлж, 10 000 домино ашиглан Domino компьютерийн хэлхээг бүтээжээ. Доминоос бүхэл бүтэн хувийн компьютер бүтээх нь утгагүй боловч би энэ нэмэлт ажлыг гүйцэтгэхийн тулд салангид бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглахыг ойлгохыг хүсч байна. Видео бичлэг дээр логик хаалгыг доминоос бүтээсэн боловч тэдгээрийг үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд болох транзистор ба резистороор хийж болно. Энэхүү төслийн зорилго нь эдгээр салангид бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглан өөрийн 4 битийн нийлүүлэгч тооцоолуурыг сурч, бүтээх явдал байв.

Энэ төслийн миний зорилтууд нь: 1) Өөрчлөн тохируулсан ПХБ -ийг хэрхэн бүтээж сурах вэ? 2) Хоёртын тоог нэмж оруулахдаа дизайныг хялбарчлах 3) Салангид бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон ижил даалгаврыг гүйцэтгэсэн нэгдсэн хэлхээний хоорондын ялгааг харуулах.

Энэхүү төслийн урам зориг, ойлголтын ихэнхийг Саймон Иннсээс авсан.

Хангамж

Би Fritzing -ийг ашиглан схем хийж, ПХБ -ийг бүтээж, үйлдвэрлэж байсан

Алхам 1: Онол

10 бүхэл тоонуудын нийлбэрийг илэрхийлэх өөр бүхэл тоо байгаа тул 10 -р баазад тоолох нь энгийн. Хамгийн энгийн жишээ:

1 + 1 = 2

Суурь 2 эсвэл хоёртын тооллогод зөвхөн 1 ба 0 -ийг ашигладаг. 1 ба 0 -ийн хослолыг өөр өөр бүхэл тоо, тэдгээрийн нийлбэрийг илэрхийлэхэд ашигладаг. 2 -р баазад тоолох жишээ:

1+1 = 0 ба та 1 -ийг дараагийн бит рүү зөөв

Хоёр битийг (A ба B) хамтад нь нийлүүлэхэд Sum and Carry (Cout) гаралтын тусламжтайгаар 4 өөр үр дүн гарах боломжтой. Үүнийг хүснэгтэд үзүүлэв.

Логик хаалга нь оролт авч, гаралтыг бий болгодог. Хамгийн энгийн логик хаалга нь энэ төсөлд ашиглагддаг NOT, AND, OR хаалгануудаас бүрдэнэ. Эдгээр нь транзистор ба резисторын янз бүрийн хослол, утаснаас бүрдэнэ. Хаалга бүрийн схемийг өгсөн болно.

Хүснэгт рүү буцахдаа эдгээр хаалганы хослолыг хүснэгтийн нийлбэр дүнг гаргахад ашиглаж болно. Энэхүү логик хослолыг онцгой OR (XOR) хаалга гэж нэрлэдэг. Оролт нь 1 гаралт гаргахын тулд яг 1 байх ёстой. Хэрэв оролт хоёулаа 1 байвал үр дүн нь 0 болно. Дамжуулах битийн үр дүнг энгийн AND хаалгаар дүрсэлж болно. AND хаалгатай XOR -ийг хоёуланг нь ашиглах нь хүснэгтийг бүхэлд нь төлөөлж чадна. Үүнийг Half Adder гэж нэрлэдэг бөгөөд схемийг дээр харуулав.

Илүү том хоёртын тоог нэмэхийн тулд дамжуулах битийг оролт болгон оруулах ёстой. Үүнийг Full Adder -ийг бий болгохын тулд 2 Half Adder хэлхээг хослуулан хийдэг. Бүрэн нийлүүлэгчдийг дараа нь каскад хийж, том хоёртын тоог нэмж болно. Миний төсөлд би 4 Full Adders -ийг каскад хийсэн бөгөөд энэ нь надад 4 битийн оролттой болсон. Full Adder -ийн схемийг дээр харуулав.

Саймон Иннс нь онолын талаар илүү гүн гүнзгий бичсэн байдаг. Надад хэрэгтэй гэж үзсэн цөөн хэдэн PDF файлууд байдаг.

Алхам 2: Хэлхээг шалгах

Логик хаалга хэрхэн ажилладаг, Full Adder -ийн онолыг ойлгосны дараа хийх эхний алхам бол хэлхээг бий болгох явдал юм. Би шаардлагатай бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг цуглуулж эхлэв: 10K ба 1K резистор, NPN транзистор, Breadboard, Jumperwires. Би дагалдах хэрэгслийнхээ хэвлэлийн хамт дагалаа. Энэ үйл явц нь уйтгартай байсан ч би бүрэн нийлүүлэгчийн ажлын хэлхээг олж чадсан. Би оролтыг өндөр эсвэл доогуур уяж, гаралтыг шалгахын тулд мултиметр ашигласан. Одоо би талх, схемийг ПХБ болгон хөрвүүлэхэд бэлэн боллоо.

Алхам 3: Full Adder ПХБ -ийг зохион бүтээх

ПХБ -ийн загварыг гаргахын тулд би зөвхөн Fritzing -ийг ашигласан. Энэ бол миний анх удаа ПХБ -ийг зохион бүтээсэн бөгөөд энэ програм нь хамгийн жижиг сурах муруйтай хамгийн хэрэглэгчид ээлтэй, ойлгомжтой мэт санагдсан. ПХБ -ийн дизайн хийхэд туслах EasyEDA, Eagle зэрэг бусад гайхалтай програмууд байдаг. Fritzing -ийн тусламжтайгаар та виртуал талбар эсвэл схем дээр дизайн хийж, дараа нь ПХБ руу шилжиж болно. Би энэ төсөлд эдгээр хоёр аргыг хоёуланг нь ашигласан. Хэрэв та ПХБ -ийг үйлдвэрлэхэд бэлэн байгаа бол файлуудаа экспортлох, Fritzing -ийн түнш үйлдвэрлэгч Aisler -д шууд байршуулах товчлуур дарахад л хангалттай.

Процессыг эхлүүлэхийн тулд схемийн табаас эхлэв. Нэгдүгээрт, би бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг олж ажлын талбарт оруулсан. Дараа нь би бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох бүх ул мөрийг зурсан. Би зохих газруудад 5V оролт, газардуулга оруулахаа мартсангүй.

ПХБ -ийн таб дээр дарагдсан ПХБ -ийн дизайн. Та схемээс шууд шилжихдээ схемд хийсэн ул мөр дээрээ үндэслэн ratsnest шугамаар холбогдсон бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй замбараагүй болно. Миний хийсэн хамгийн эхний зүйл бол саарал өнгийн ПХБ -ийн хэмжээг хүссэн хэмжээгээр нь өөрчилж, бэхэлгээний нүхийг нэмсэн явдал юм. Би бас оролт, гаралтын 16 тээглүүр нэмсэн. Дараа нь би бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг логик байдлаар байрлуулж эхлэв. Би бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хоорондоо ойрхон холболттой бүлэглэхийг оролдсон бөгөөд ингэснээр ул мөрийн зайг багасгах болно. Би нэмэлт алхам хийж, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг логик хаалгаар бүлэглэв. Миний нэг зорилго бол хэлхээ хэрхэн ажилладагийг төсөөлж, хэлхээний "бит" -ийг дагах чадвартай байх явдал байсан бөгөөд үүний дараа би автоматаар дамждаг автомат чиглүүлэлтийн функцийг ашиглаж, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох оновчтой мөрүүдийг зурсан. Энэ үйл явц нь бүх зөв мөрдлөгийг дуусгасан гэдэгт би эргэлзэж байсан тул мөрдлөгийг байх ёстой газраа дахин шалгаж, дахин зурахаар явлаа. Аз болоход, autorouting функц нь маш сайн ажилласан бөгөөд би зөвхөн цөөн хэдэн мөрийг засах шаардлагатай болсон. Автомат хөтөч нь "хамгийн сайн туршлага" биш ул мөртэй хачин өнцөг үүсгэсэн боловч би үүнд сайн байсан, бүх зүйл хэвийн хэвээр байсан. Хамгийн сүүлд хийсэн зүйл бол торгон дэлгэц болгон хэвлэх текстийг нэмэх явдал юм. Би бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг тэмдэглэсэн эсэхийг шалгасан. Би бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн бүлэглэлийг онцлон тэмдэглэхийн тулд логик хаалганы захиалгат зургийг оруулсан. Дээрх сүүлийн зураг дээр торгон дэлгэц харагдаж байна.

Дэлгэцийн доод талд байгаа товчлуур дээр дарагдсан PCBI -ийг үйлдвэрлэх. Энэ нь намайг Aisler вэбсайт руу шууд чиглүүлж, данс үүсгэж, Fritzing -ийн бүх файлуудаа байршуулах боломжтой болсон. Би бүх үндсэн тохиргоог орхиж, захиалга өгсөн.

Алхам 4: Бусад ПХБ -ийн дизайн

Надад хэрэгтэй үлдсэн ПХБ бол оролт/гаралтын интерфэйсийн самбар ба IC -ийн самбар байв. Би эдгээр самбаруудын 3 -р алхамыг дагаж мөрдсөн. IC -ийн хувьд би виртуал талбарын функцийг ашиглан бүх холболтыг хийсэн болно. Би схемийг бүрэн гүйцэд оруулсан боловч талхны самбараас ПХБ таб руу шууд очиж чадсан нь үнэхээр дажгүй байсан. Би бас Aisler -д байршуулах, захиалахаас өмнө I/O интерфэйсийн самбар дээрх торгон дэлгэц дээрх 2 хөрвүүлэлтийн хүснэгтэд үндсэн 10 -г нэмсэн.

Алхам 5: Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ПХБ -д гагнах

Бүх ПХБ ирсэн бөгөөд надад чанар үнэхээр гайхалтай санагдсан. Би бусад үйлдвэрүүдтэй ямар ч туршлагагүй байсан ч Эйслерийг дахин ашиглахаас эргэлздэггүй.

Дараагийн даалгавар бол бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг гагнах явдал байсан бөгөөд энэ нь маш хэцүү ажил байсан боловч миний гагнуурын ур чадвар эрс сайжирсан. Би бүрэн нийлүүлэх самбараас эхэлж транзистор, дараа нь 1К резистор, дараа нь 10К резистороос эхлээд бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг гагнав. Би бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг I/O ба IC самбар дээр гагнах ижил төстэй аргыг хэрэглэсэн. Full Adder самбар бүрийг дуусгасны дараа би тэднийг Full Adder талхны самбартай ижил аргаар туршиж үзсэн. Гайхалтай нь бүх самбар ямар ч асуудалгүйгээр зөв ажиллаж байсан. Энэ нь самбарыг зөв чиглүүлж, зөв гагнасан гэсэн үг юм. Дараагийн алхам руу орно уу!

Алхам 6: Овоолох ПХБ -ийг дуусгах

Дараагийн ажил бол толгойн бүх зүүг самбар бүрт гагнах явдал байв. Би мөн зөв толгойн зүү ба Full Adder самбаруудын оролт/гаралтын хооронд холбогч утас оруулах шаардлагатай болсон (A, B, Cin, V+, GND, Sum, Cout). Хэрэв та нийлүүлэгч хэлхээний түвшин бүрт өөр өөр ПХБ -ийг зохион бүтээсэн бол энэ алхамаас зайлсхийх боломжтой байсан ч би зөвхөн нэг Full Adder ПХБ -ийг бүтээх замаар дизайн, зардлыг багасгахыг хүссэн юм. Үүний үр дүнд эдгээр оролт/гаралтын холболтод холбогч утас шаардлагатай болно. Энэхүү даалгаврыг хэрхэн гүйцэтгэсэн, Full Adder самбарын түвшин тус бүрт ямар шонгуудыг ашигласан схемийг өгсөн болно. Зураг дээр би самбар бүрийн холбогч утсыг хэрхэн гагнасан болохыг харуулав. Би толгой дээрх зөв зүү рүү үнэгүй утас гагнахаас эхлэв. Дараа нь би толгойг ПХБ -д гагнав. Би холбогч утаснуудтай гагнуур хийсний дараа холбогч утаснуудын чөлөөт үзүүрийг ПХБ -ийн зөв залгуурт гагнав. Дээрх зурагт холбогч утсыг гагнасан толгойн зүүг ойрхон харуулав.

Алхам 7: Цахилгаан хэлхээг тэжээх

Би энэ төсөлд 12V DC баррель үүрэн цахилгаан тэжээл ашиглахаар төлөвлөж байсан тул I/O интерфэйсийн самбарыг цахилгаан оролтонд DC баррель үүр/холбогчтой байхаар зохион бүтээсэн. Учир нь би ижил оролт/гаралтын самбар ашиглаж байсан бөгөөд SN7483A IC -ийн хамгийн их оролт тул хүчдэлийг 5V хүртэл зохицуулахад шаардлагатай цорын ганц тэжээлийн хангамжийг ашиглахыг хүссэн юм. Үүнийг хийхийн тулд надад 5V зохицуулагч, 12V ба 5V хооронд шилжих унтраалга хэрэгтэй байсан. Дээрх схемд би цахилгаан хэлхээг хэрхэн холбосон болохыг харуулав.

Алхам 8: Суурийг 3D хэвлэх

Одоо бүх утас, гагнуур дууссан тул энэ бүхнийг хэрхэн яаж зохион байгуулахыг олж мэдэх хэрэгтэй байв. Би энэ төслийн бүх хэсгүүдийг багтаасан, харуулах загварыг CADing болон 3D хэвлэх хэлбэрээр сонгосон.

Дизайн анхаарах зүйлс ПХБ -ийг боолт, бэхэлгээтэй холбох газар хэрэгтэй байсан. Овоолсон Adders нь хамгийн их харагддаг бөгөөд би тэдгээрийг ашиглагдаагүй байхад нь дэлгэн харуулахыг хүсч байсан тул IC ПХБ -ийг хадгалах газар хүсч байна. Би цахилгаан хэлхээг унтраалга, DC баррель залгуур/холбогчийг таслах шаардлагатай байв. Эцэст нь би ил задгай ПХБ -д тоос хуримтлагдахаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд ямар нэгэн хамгаалалтын хайрцаг авахыг хүссэн тул хашаа барих газар хэрэгтэй байв.

3D загварчлал Би суурийг зохион бүтээхдээ Fusion360 -ийг ашигласан. Би ПХБ -ийн хэмжээ, бэхэлгээний нүх хоорондын зайг эхлүүлсэн. Үүний дараа би ПХБ -ийн бэхэлгээний цэгүүдтэй суурийн өндөр, хэмжээг тогтоохын тулд хэд хэдэн тойм зураг, экструзион ашигласан. Дараа нь би хашлага, цахилгаан хэлхээний хайчлалыг хийв. Дараа нь би IC ПХБ -ийг ашиглаагүй үед хадгалах газар хийсэн. Эцэст нь би зарим нарийн ширийн зүйлийг нэмж, миний зүсэх програм болох Кура руу илгээсэн.

Би хар PLA судалтай утас сонгосон. Хэвлэх ажил 6 цаг гаруй үргэлжилсэн бөгөөд маш сайн болсон. Гайхалтай нь бүх хэмжээсүүд зөв байсан бөгөөд бүх зүйл хоорондоо яг таарч тохирсон юм шиг харагдаж байв. Дээрх зураг нь бэхэлгээний нүхэнд зогсонги байдлыг нэмсний дараа хэвлэснийг харуулж байна. Тэд төгс тохирсон байсан!

Алхам 9: Чуулган

Зөрчилдөөнийг оруулна уу. Би бүх зогсолтыг суурийн бэхэлгээний нүхэнд байрлуулсан.

Цахилгаан хэлхээг сууринд байрлуул. Би бүх зүйлийг утастай холбож, бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг унтраалгын нүхээр татав. Дараа нь би цахилгаан залгуур/адаптерийг суурийн ар талд оруулсан. Би 5V зохицуулагчийг үүрэнд нь оруулаад эцэст нь унтраалгыг түлхэж байрлуулах боломжтой болсон.

I/O ПХБ -ийг холбоно уу. Би IC ПХБ -ийг хадгалах зайнд байрлуулж, I/O интерфейсийн ПХБ -ийг дээр байрлуулсан. Би ПХБ -ийг 4x M3 боолт, зургаан өнцөгт драйвер ашиглан буулгасан. Эцэст нь би DC баррель үүрийг ПХБ -д залгав.

Adder ПХБ -ийг овоолно. Би анхны Аддерыг байрлуулсан. Би ПХБ -ийн ар талыг арын бэхэлгээний нүхэнд 2 зогсолтоор шургууллаа. Би энэ процессыг сүүлчийн Аддер байрлаж дуустал давтаж, М3 -ийн 2 боолтоор бэхлэв.

Хашаа барих. Би хашаан дотор 1/4 акрил ашигласан. Би төслийн эцсийн өндрийг хэмжиж, CAD хэмжээсээр хажуу ба дээд талын 5 хэсгийг хайчилж, ёроолтой нээлттэй хайрцаг хийв. Би эпокси ашиглан цавуу хийсэн. хэсгүүдийг хамтад нь. Эцэст нь би унтраалгыг байрлуулахын тулд баруун талд нь жижиг тойрог хэлбэртэй жижиг зүслэг хийсэн.

Тооцоолоход бэлэн байна

Алхам 10: Тооцоолол ба харьцуулалт

Шинэ тооцоолуураа холбоод нэмж эхлээрэй! Үндсэн 10 -аас 2 -р хүснэгтийг хоёртын болон бүхэл тоонуудын хооронд хурдан хөрвүүлэхэд ашиглаж болно. Би оролтыг тохируулахыг хүсч байна, дараа нь цахилгаан товчлуурыг эргүүлж, LED -ээс хоёртын гаралтыг ажиглаж "тэнцүү" гэж дарна уу.

Салангид бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг нэгдсэн хэлхээтэй харьцуулах. Одоо та Adders -ийг бүрэн задалж, SN7483A IC -ийг I/O самбарт залгах боломжтой. (IC -ийг 12V -ийн оронд 5V -ээр асаахын тулд унтраалгыг эсрэг чиглэлд эргүүлэхээ бүү мартаарай). Та ижил тооцоолол хийж, ижил үр дүнд хүрэх болно. Салангид бүрэлдэхүүн хэсэг болох Adder ба IC нь хоёулаа өөр өөр хэмжээтэй масштабтай адилхан ажилладаг гэж бодох нь үнэхээр гайхалтай юм. Зургууд нь хэлхээний ижил оролт, гаралтыг харуулж байна.

Алхам 11: Дүгнэлт

Энэ төсөл танд таалагдсан бөгөөд над шиг их зүйлийг сурсан гэж найдаж байна. Шинэ зүйл сурч, түүнийг ПХБ -ийн дизайн/хийц гэх мэт шинэ ур чадвар эзэмших шаардлагатай өвөрмөц төсөл болгон хувиргах нь үнэхээр сэтгэл хангалуун байдаг. Бүх схемийг доор жагсаав. Сонирхсон бүх хүмүүст би PCB Gerber файлуудаа холбож өгөх боломжтой бөгөөд ингэснээр та 4 битийн хоёртын тооцоолуур хийх боломжтой болно. Аз жаргалтай хийцгээе!