[DIY или Сделай сам] Однобитный компьютер

Ответить на тему

Автор

Сообщение

news_bot ^®

Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286

news_bot ^® написал(а)
01-Апр-2021 07:32

Цитировать

Картинка для привлечения внимания:

Внимание! Под катом много картинок!В этой статье будет краткое описание проектирования и создания однобитного компьютера. Всем кто заинтересовался, добро пожаловать под кат:Нудная предыстория В юности, из разных источников, по телевизору, в журналах, я натыкался на информацию о том, что существуют некие машины, компьютеры. С их помощью можно было хранить различную информацию, подсчеты, рецепты, рассказы и многое другое. Можно было все это изменять, писать некие программы которые как то это все сортируют, меняют и что то еще. И самое яркое воспоминание - это игры. Хотя эта яркость обычно была ограничена яркостью монитора.Через какое то время, эти компьютеры стали появлятся у моих знакомых, и я уже мог пощупать это чудо. И вот случайно, я наткнулся на журнал ‘радио’, в котором была плата с разводкой, для создания простейшего компьютера...https://ru.wikipedia.org/wiki/Радио-86РКЭто все перевернуло в моей голове, повлияло на всю мою дальнейшую жизнь. Из устройства, которое работает на какой то магии, оно превратилось в устройство, очень сложное, но, теоретически реализуемое. К тому времени я уже паял вырванные провода из стационарных телефонов, и периодически натыкался на микросхемы серии К155. Мой неокрепший мозг, рисовал иллюзию того, что стоит побольше найти разных микросхем, поднабрать опыта и я исполню свою мечту и соберу себе компьютер. Движимый этим я начал изучать литературу по работе логических схем, работу ассемблера, записался в кружок - радиолюбитель, а позже, поступил в ПТУ на радиомонтажника.Но, чем больше я узнавал в этих областях, тем больше понимал, что создание компьютера, это очень сложно, к тому же, компьютер уже перестал быть диковинкой.Со временем, это вещь меня интересовала все меньше и меньше, так как я уже полностью погрузился в программирование игр (хобби), а через несколько лет мне очень повезло, я попал в геймдев! После этого я закопал свой старый паяльник, чтобы он меня больше не отвлекал и полностью посвятил себя разработке (программированию) игр.Переломный моментС самого начала у меня была какая то тактика и я ее придерживался. Но все изменило одно видео:Before you continue to YouTubeconsent.youtube.comПроцессор 6502! реализованный дискретными компонентами! Этот легендарный процессор использовался не только в NES (Денди), но и в роботах модели Bender "Сгибатель":

https://ru.wikipedia.org/wiki/MOS_Technology_6502Меня настолько задело это видео, и реальность создания процессора и компьютера, пусть и в более простом варианте, что я начал изучать эту тему, и наткнулся на следующий вариант:http://www.megaprocessor.com/ И передумал делать... Но, потом наткнулся на вариант компьютера без процессора, полностью на обычной логике:Извините, данный ресурс не поддреживается. :( И чаша весов снова перевесила в сторону создания компьютера. Кстати, пока я решал, буду я создавать или нет компьютер на дискретных компонентах, подразумевая какие либо транзисторы, наткнулся на серию видео, где автор создает компьютер на лампах и\или реле! Советую ознакомится, это что то с чем то )Это одно из видео, на самом канале все остальное:Before you continue to YouTubeconsent.youtube.comПроектированиеДля реализации проекта я выбрал самый простой вариант компьютера : 1-битный. Ввод данных с помощью выключателей, отображение результатов с помощью светодиодов. Из операций, решено сделать только сложение. Чтобы сложить два числа, необходимо 2 регистра для операндов. Чтобы результат не затирал исходные данные, необходимо еще 1 или 2 регистра для результатов. В первый регистр заносится результат сложения, во второй флаг переноса (переполнения), если результат оказался больше 1 бита. Чтобы уменьшить размер компьютера, я выбрал один регистр для результата сложения, а вот что в него заносится, результат или флаг переноса, будет определяться данными инструкции. Чтобы результат не затерся, его необходимо перенести в основную память. Основная память у нас будет из 2 ячеек, т.е. ширина шины адреса - 1 бит.Теперь посчитаем команды:

Занести данные в первый регистр
Занести данные во второй регистр
Сложить и результат (или перенос) в третий регистр
Перенести из третьего регистра в память

В принципе мы укладываемся в 2 бита команды + 1 бит данных. Но после этого данные невозможно никуда перенести. Наша оперативная память становится только для записи. Поэтому я решил сделать 3 битные команды + 1 бит данных, добавив дополнительные инструкции для перемещения из памяти в регистры и обратно. В итоге наш компьютер имеет следующий характеристики:

1-разрядный процессор
Ширина шины данных : 1 бит
Ширина шины адреса : 1 бит (адресация до 2 бит)
3 регистра общего назначения (A, B, C)
Размер инструкции : 4 бита (3 бита команда + 1 бит данных)
Время выполнения инструкций - 1 такт
Тактовая частота ограничена скоростью нажатия оператора
Питание : +5 вольт

Для проектирования логической схемы, я использовал бесплатный редактор logisim. Изначально планировал проектировать на уровне транзисторов, но почему то у меня постоянно залипала схема, поэтому, в итоге я все сделал на логических элементах.Вот общая схема:

Компьютер состоит из функциональных блоков:

DecodeUnit - Это блок, который расшифровывает команду, и в зависимости от нее, включает или отключает какой либо блок или переводит его в какой либо режим, например чтение или запись
Ram - Контроллер памяти, он включает нужную ячейку памяти, в зависимости от шины адреса
Bus - Контроллер шины данных. Активные блоки просто пишут туда или читают оттуда данные
Alu - Арифметико-логическое устройство. Блок, который может складывает два числа
Cell 0, 1 - Ячейки памяти
Register A, B, C - Регистры процессора

На схеме все выглядит очень компактно, но некоторые блоки содержат много логических элементов или вложенные блоки. Например регистр внутри выглядит вот так:

DecoderUnit внутри выглядит вот так:

Вот, приблизительно, как будет выглядеть, если все блоки развернуть до логических элементов:

После проверки работоспособности схемы, необходимо было ее перевести в транзисторы и снова проверить. Собирать схему я решил на полевых транзисторах, это упрощает схему. Схемы логических элементов взял по ссылке снизу: https://pastraiser.com/technology/nmos/basicnmosgates.html Там есть обычные варианты а также оптимизированные, это когда в схеме встречается некий паттерн логических элементов, и их можно выразить меньшим числом транзисторов.Для симуляции схемы я использовал бесплатный редактор circuitjs1. Он в реальном времени симулирует схему, но из за этого, все очень тормозит. Все что сложнее регистра, там собирать очень неудобно. Кстати, вот так выглядит наш регистр:

И вот теперь у нас есть работающий виртуальный компьютер! Теперь необходимо его спаять. Изначально я думал что соберу его на платах для прототипирования, это такие универсальные платы, с кучей дырочек и без дорожек, но потом все же решил попробовать спроектировать плату, развести ее и заказать. Совершенно случайно мне попался под руку сервис https://easyeda.com.Это полный цикл проектирования печатных плат, и заказ их в сервисах, например в https://jlcpcb.com. Но, позже оказалось, что бесплатная доставка там только для первого заказа, а потом полная и цена ее, ну, точно не для прототипирования своих маленьких проектов, мне кажется заказать у нас будет дешевле.Так как все это оказалось не очень дешево, решил не делать одну большую плату, а сделать каждый блок на отдельной плате, и соединять их как ардуино. Чтобы в случае ошибки на плате, не перезаказывать большую плату а только часть.Размеры плат при заказе кратны 100 на 100 мм, и цена соответственно увеличивается скачками, поэтому все блоки спроектировал в рамках этого квадрата.Минимальное количество плат одного типа - 5 штук, а у меня как раз 5 регистров, поэтому плату регистров сделал универсальную, с перемычками.Вот с такими данными и начал разводить платы, где то получилось просторно, где то было сильно впритык. Для простоты монтажа, все транзисторы смотрели в одну сторону.Схема регистра:

Разводка регистра:

Ну и плата которая ко мне приехала:

А вот и первые попытки спаять это все:

За качество извиняюсь, фоткал на свой предыдущий проект. Еще картинок

ПослесловиеТеперь можно подвести итоги, что было сделано, что потрачено, сколько это стоило:

Сбывшаяся мечта - 1 штука
Потраченное время - 1 месяц
Инструменты и расходники, приблизительно - 6832 руб 12 копеек
Электронные компоненты - 2140 руб
Заказ плат - 1600 руб
Доставка плат - 1601 руб
Рекламная компания - 0 руб

Всем спасибо за внимание!
===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:

Теги для поиска: #_diy_ili_sdelaj_sam (DIY или Сделай сам), #_diy, #_jumor (юмор), #_diy_ili_sdelaj_sam (
DIY или Сделай сам
)

Профиль ЛС

Ответить на тему

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы

Текущее время: 22-Ноя 17:28
Часовой пояс: UTC + 5