अपना खुद का कंप्यूटर डिजाइन करना। भाग 1

परिचयात्मक भाग। "नेपोलियन की योजना"

लगभग एक साल पहले, मुझे यह समझने का विचार था कि कंप्यूटर कैसे काम करता है, यह कैसे काम करता है। और निश्चित रूप से, प्राथमिक तर्क तत्वों पर अपना खुद का बनाने की एक बड़ी इच्छा थी (ट्रांजिस्टर पर - अधिक सटीक -)।
तब मुझे उनके काम का केवल एक छोटा सा विचार था: मुझे पता था कि सभी डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स को तर्क तत्वों पर बनाया गया था (मेरे लिए यह एक अनुकरण के समान था), लेकिन मैं यह पता नहीं लगा सका कि कार्यक्रम को कैसे निष्पादित किया गया था, संख्याओं को अभिव्यक्त किया गया था, इसलिए व्यवधान ... सवाल चल सकते हैं, लेकिन अब उसके बारे में नहीं।
विकसित कंप्यूटर की विशेषताओं को परिभाषित करें:

• लॉजिक टाइप: बाइनरी लॉजिक
• डेटा बस रिज़ॉल्यूशन: 32 बिट्स
• पता बस की चौड़ाई: 24 बिट्स (16,777,216 32-बिट संख्याओं को संबोधित किया जा सकता है)
• डेटा पर बुनियादी अंकगणितीय, तार्किक, बिटवाइज़ संचालन के साथ-साथ मेमोरी कोशिकाओं पर संचालन (mov, xchg)
• स्मृति आवंटन फ़ंक्शन का कार्यान्वयन (4 कोडांतरक निर्देश दिए गए हैं)
• सीधे डाटा प्रोसेसिंग और पॉइंटर्स का उपयोग करना

सॉफ्टवेयर

तर्क सर्किट के डिजाइन के लिए, कई कार्यक्रम हैं। लेकिन बड़े पैमाने पर डिजाइन और डिबगिंग के लिए, मेरी आवश्यकताओं को केवल दो कार्यक्रमों द्वारा पूरा किया गया था (शायद मेरी आवश्यकताएं बहुत गंभीर हैं):

1. तर्क सर्किट
2. Logisim

वास्तव में आवश्यकताएं:

1. सहज इंटरफ़ेस
2. बड़े स्कीमा बनाना
3. मॉड्यूलर योजनाएं बनाने की क्षमता (योजना में योजना)
4. अपने मापदंडों को संपादित करने की क्षमता के साथ विभिन्न प्रकार के बुनियादी तर्क तत्व
5. "RAM" और \ "ROM" तत्व की उपस्थिति
6. एक बाइनरी फ़ाइल को RAM \ ROM में लोड करने और एक बाइनरी फ़ाइल में RAM डंप को बचाने की क्षमता
7. सूचना / डिबगिंग सर्किट (बटन, स्थिरांक, जांच, घड़ी जनरेटर ...) के इनपुट / आउटपुट के लिए एक व्यापक मौलिक आधार की उपस्थिति ...

इस और बाद की सभी पोस्ट में, जब मैं तर्क सर्किट प्रकाशित करता हूं, तो मैं लॉजिम का उपयोग करूंगा क्योंकि मैंने हाल ही में उबंटू में स्विच किया है, हालांकि पूरी परियोजना लॉजिक सर्किट पर की गई है।

कार्य योजना

चूंकि सिद्धांत के बिना अभ्यास मौजूद नहीं है, कुछ बनाने के लिए एक सैद्धांतिक आधार की आवश्यकता होती है। इसलिए, आज कार्यक्रम में हम निम्नलिखित सैद्धांतिक पहलुओं पर विचार करेंगे:

• सभी डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का प्रमुख तत्व ट्रांजिस्टर है;
• तार्किक तत्व, उनके प्रकार;
• ट्रांजिस्टर पर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने या तर्क तत्वों के निर्माण के लिए प्रौद्योगिकी;
• डी मॉर्गन के कानून या फाटकों की संख्या को कैसे कम किया जाए;

सभी डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का एक प्रमुख तत्व ट्रांजिस्टर है

एकीकृत सर्किट के लिए मूल तत्व एक ट्रांजिस्टर है।
विकिपीडिया की परिभाषा के लिए,

ट्रांजिस्टर - सेमीकंडक्टर सामग्री का एक रेडियो-इलेक्ट्रॉनिक घटक जो विद्युत सर्किट में वर्तमान को नियंत्रित करने के लिए इनपुट सिग्नल की अनुमति देता है।

ट्रांजिस्टर में तर्क तत्व होते हैं। तर्क तत्वों से ट्रिगर, योजक, लॉजिक ब्लॉक, काउंटर बनाए जाते हैं। सही तरीके से यह सब मिलाकर, आप अपना खुद का कंप्यूटर (या ईओएम) बना सकते हैं।

तार्किक तत्व, उनके प्रकार

तार्किक तत्व - डिजिटल रूप में सूचना को संसाधित करने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरण।

किसी भी जटिलता का तार्किक कार्य निम्नलिखित तार्किक तत्वों का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है:

• तत्व (इन्वर्टर) नहीं है। आउटपुट "1" होगा यदि और केवल यदि इनपुट "0" है;
• तत्व और (संयोजन)। आउटपुट "1" होगा यदि और केवल यदि सभी इनपुट में "1" होगा;
• तत्व या (विघटन)। आउटपुट "1" होगा जब कम से कम एक इनपुट में "1" होगा;
• इसके अलावा तत्व modulo 2 (अनन्य OR)। आउटपुट "1" होगा यदि और केवल तभी इनपुट में विषम संख्या "1" होगी;
• पुनरावर्तक;
• नियंत्रण पुनरावर्तक। एक आउटपुट में कई आउटपुट कनेक्ट करने के लिए उपयोग किया जाता है।

Logisim में तर्क तत्व:

ट्रांजिस्टर पर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने या तर्क तत्वों के निर्माण के लिए प्रौद्योगिकी

प्रारंभिक विचार 7400 श्रृंखला चिप्स पर नहीं बल्कि ट्रांजिस्टर पर कंप्यूटर का निर्माण करना था। और मैंने इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के निर्माण के लिए प्रौद्योगिकियों की खोज शुरू की। निम्नलिखित हैं:

1. रेसिस्टर-ट्रांजिस्टर लॉजिक (RTL);
2. डायोड ट्रांजिस्टर लॉजिक (DTL);
3. एमिटर से संबंधित तर्क (ईएसएल);
4. एकीकृत इंजेक्शन लॉजिक (IIL, I2L, I3L, I2L);
5. CMOS (K-MOS; पूरक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर)।

अगला, मैंने प्रत्येक लाभ / हानि के लिए पढ़ा, और उनमें से मैंने रोकनेवाला-ट्रांजिस्टर तर्क चुना। इस तथ्य को देखते हुए चुनाव स्पष्ट था कि इस तर्क में रचनात्मक सरलता और कम लागत है। और इस तर्क के लिए द्विध्रुवी एसएमडी ट्रांजिस्टर और एसएमडी प्रतिरोधों का एक विशाल चयन भी है। ट्रांजिस्टर मैंने BC847C npn और BC857C pnp लिया।
सभी कमियों के लिए अपनी आँखें बंद करके, एक पूरे महीने के लिए मैं ट्रांजिस्टर पर तर्क तत्वों की गिनती में डूब गया। उन्होंने BC547C ट्रांजिस्टर का उपयोग करके ब्रेडबोर्ड पर कई परीक्षण सर्किट बनाए। मैं सैद्धांतिक और व्यावहारिक भागों के परिणामों से प्रसन्न था।
Maketka:


आखिरी चरण बना रहा - 847 ट्रांजिस्टर पर एक समकालिक टी-फ्लिप-फ्लॉप सर्किट डिजाइन करना, इसकी संचालन क्षमता की जांच करना और आवृत्ति विशेषताओं का विश्लेषण करना। प्रदर्शन परीक्षण काफी सरल है - एक तार्किक "1" इनपुट "टी" को खिलाया जाता है, और जनरेटर से घड़ी की दाल इनपुट "सी" को खिलाया जाता है। आउटपुट में, मुझे घड़ी की दाल मिलनी चाहिए, जिसकी आवृत्ति आधा इनपुट है। यदि सब कुछ एक स्वीकार्य आवृत्ति पर काम करता है, तो पूरा कंप्यूटर काम करेगा।
एक सर्किट बनाया गया जिसमें 4 टी-फ्लिप-फ्लॉप होते हैं। मैंने मुद्रित सर्किट बोर्ड को एक फोटो-प्रतिरोधक विधि बनाया, इसे बिना सोचे-समझे हल कर दिया और आखिरकार बस इतनी सुंदरता मिली (ट्रैक की चौड़ाई - 0.15 मिमी):




मैंने सर्किट के लिए 5-वोल्ट पावर स्रोत कनेक्ट किया, इनपुट के लिए एक जनरेटर और आउटपुट के लिए एक आस्टसीलस्कप जुड़ा। उन्होंने 1 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर परीक्षण शुरू किया, लेकिन सर्किट काम नहीं किया। फिर उसने इसे 20 किलोहर्ट्ज़ - वॉयला में उतारा, सर्किट ने सही तरीके से काम किया। आपूर्ति वोल्टेज में हेरफेर 40 kHz को ऑपरेटिंग आवृत्ति बढ़ाने में सक्षम था ...
काश, मेरी उम्मीदों की योजना पूरी नहीं होती। इसके अलावा, केवल एक टी-ट्रिगर ने 40 किलोहर्ट्ज़ तक की आवृत्ति पर सही ढंग से काम किया, और अन्य सभी उच्च से निम्न में स्विच नहीं कर सके, हालांकि आंतरिक आरएस-ट्रिगर्स ने सही तरीके से काम किया।
मैंने तर्क तत्वों के निर्माण पर कुछ और प्रयोग किए, केवल क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर पर। परिणाम संतोषजनक थे, लेकिन कुछ समस्याएं सामने आईं:

1. परियोजना की उच्च लागत (केवल ट्रांजिस्टर के लिए लगभग $ 1000);
2. समस्या यूक्रेन में एसएमडी क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर प्राप्त करना है;
3. समस्या RTL पर 7 - 10 हजार के बजाय CMOS लॉजिक पर 15 - 20 हजार ट्रांजिस्टर की मिलाप करने की है।

खुद के लिए, मैंने एक अच्छा निष्कर्ष बनाया: ट्रांजिस्टर पर तर्क तत्व बनाने की तुलना में तर्क तत्वों के साथ 7400 श्रृंखला चिप्स खरीदना बेहतर है। और अंतरात्मा की आवाज के लिए, जब माइक्रो सर्किट पर पूरा सर्किट तैयार हो जाता है, तो आप ट्रांजिस्टर सर्किट के साथ कई महत्वपूर्ण माइक्रोक्रिस्केट को बदल सकते हैं और दोनों को बारी-बारी से कनेक्ट कर सकते हैं यह प्रदर्शित करने के लिए कि सभी माइक्रो-सर्किट को ट्रांजिस्टर के साथ बदला जा सकता है :)

डी मॉर्गन कानून या फाटकों की संख्या कैसे कम करें

डी मॉर्गन के नियम वे नियम हैं जो तार्किक संचालकों (विघटन और संयोजन) को तार्किक निषेध का उपयोग करते हुए बांधते हैं। औपचारिक तर्क में, उन्हें निम्नानुसार लिखा जा सकता है:



कार्रवाई में इन नियमों का उपयोग करने के एक उदाहरण पर विचार करें। मान लीजिए कि हमारे पास ऐसी योजना है:

डी मॉर्गन के कानूनों का उपयोग करते हुए, इस योजना को फिर से किया जा सकता है:

जैसा कि आप सत्य तालिकाओं से देख सकते हैं, इन योजनाओं का तर्क समान है।
अब एक छोटा सा पद : लॉजिक एलिमेंट्स (लॉजिकल नॉट को छोड़कर) सीएमओएस लॉजिक पर उलटा आउटपुट (उदाहरण के लिए, लॉजिकल 2 आई-नॉट), दो ट्रांजिस्टर को नॉन-इनवर्स आउटपुट (उदाहरण के लिए, लॉजिकल 2 आई) के साथ लॉजिक तत्वों की तुलना में कम जरूरत होती है।
फिर, पहले सर्किट के लिए, आपको 18 ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होगी, और दूसरे के लिए - 12 ट्रांजिस्टर। इसके अलावा, दूसरा सर्किट इस तथ्य के कारण तेजी से काम करेगा कि कम वाल्व का उपयोग किया जाता है और संकेत तेजी से परिमाण के एक आदेश को पारित करेगा।

भविष्य की योजना

अगली पोस्ट में मैं ट्रिगर्स के बारे में बात करूँगा और हम ALU डिज़ाइन करना शुरू करेंगे।