हाल ही में, एक हब पर एक व्यक्तिगत कंप्यूटर के डिजाइन पर एक लेख था, जहां लेखक पहले ट्रांजिस्टर से एक कंप्यूटर बनाना चाहता था, लेकिन फिर 7400-सीरीज चिप्स पर इस तथ्य के कारण जारी रखने का फैसला किया कि ट्रांजिस्टर पर उसे ऐसा करना जटिल और महंगा लग रहा था।

मुझे पिछले 3 वर्षों से इसी तरह के कार्य में दिलचस्पी थी - लेकिन मैंने ट्रांजिस्टर पर निर्माण के प्रारंभिक विचार को नहीं छोड़ा था, और अब मैं आपको अपने विचार बता सकता हूं और वर्तमान घटनाक्रम दिखा सकता हूं, साथ ही मैं आपके बारे में पूछना चाहता हूं कि _serial_ transistor सजावटी जैसा होना चाहिए एक कंप्यूटर लेकिन आपको तुरंत ध्यान देना चाहिए कि काम आगे कुछ साल पहले है :-)

मुख्य प्रश्न यह है कि FPGA और रास्पबेरी पाई के सभी प्रकार होने पर यह सब क्यों आवश्यक है ?

उत्तर सरल है:
1) मुझे अपने खाली समय में ऐसा करने में दिलचस्पी है और
2) एक सजावटी कंप्यूटर (सजावटी कंप्यूटर के दृष्टिकोण का विषय है, न कि उसकी उपस्थिति) - यह सजावटी पालतू जानवरों की तरह है: एक पग एक डाकू को अपना पैर नहीं काटेगा, और एक फारसी बिल्ली लड़ाई में मेट्रो चूहे को नहीं हराएगी। लेकिन उनके साथ खेलना और मेहमानों को दिखाना दिलचस्प है - भले ही कंप्यूटिंग, रखवाली और शिकार के क्षेत्र में, वे "मुकाबला" समकक्षों से बहुत अधिक हीन हों।

कार्य प्रतिस्थापन और वास्तुकला

एक सजावटी कंप्यूटर के लिए हमारी आवश्यकताएं क्या हैं?

• स्वचालित विधानसभा के लिए विकास। हाथों को कंप्यूटर के लिए 5000 भागों में टांका लगाना - आप ग्रे कर सकते हैं।
• प्रदर्शन महत्वपूर्ण नहीं है, मुख्य बात यह है कि प्रति सेकंड (रेडियो -86 आरके के स्तर पर) 100 हजार ऑपरेशन हैं। यहां तक ​​कि 100 हजार सेशन से कई समस्याओं का समाधान होगा।
• अभ्यास से पता चलता है कि 64 KiB स्मृति स्मृति की एक न्यूनतम न्यूनतम मात्रा है। 1-4 KiB में, ज्यादा फिट नहीं होगा, इसलिए, यह पता बस को 16 बिट्स से कम करने के लायक नहीं है।
• प्रोग्रामिंग सी में है। आप लोगों को अपना खाली समय असेंबलर पर खर्च करने के लिए मजबूर नहीं कर सकते हैं (लेकिन अगर कोई इच्छा है, तो सभी कार्ड हाथ में हैं)।
• मूल मॉडल में - केवल प्रोसेसर ही ट्रांजिस्टर से बना है। मेमोरी और स्ट्रेपिंग - माइक्रोक्रेसीट्स से हो सकता है। भविष्य में एक पूरी तरह से ट्रांजिस्टर संस्करण संभव है, लेकिन यह आगे का विकास होगा (इसकी सीमाओं के साथ - स्मृति के 1-2 किबी से अधिक होना मुश्किल होगा)
• प्रोसेसर में - अक्षम एलईडी आंतरिक रजिस्टरों की स्थिति दिखाते हैं (आईपी, बैटरी, मेमोरी से लिखें / पढ़ें ...)
• बहुत अधिक कीमत नहीं। स्ट्रैपिंग और स्वचालित स्थापना के साथ एक ट्रांजिस्टर की लागत क्रमशः 2 रूबल है, एक सीरियल उत्पाद के लिए 1000 से अधिक ट्रांजिस्टर का उपयोग करना उचित नहीं है। इसका मतलब यह है कि सर्किट 1680-बिट एड्रेस बस की आवश्यकता के बावजूद, i8080 (4500 ट्रांजिस्टर), i4004 (2300 ट्रांजिस्टर) और MT15 (~ 3000 ट्रांजिस्टर) की तुलना में सरल होना चाहिए।
• uClinux? वर्चुअल मेमोरी के बिना भी, 24-32 बिट्स होना बहुत ही वांछनीय होगा। बेशक, यह ब्याज में काफी वृद्धि करेगा, लेकिन कम से कम ट्रांजिस्टर की संख्या को दोगुना करने की आवश्यकता होगी (= कीमत दोगुनी)। साथ ही, बढ़ती गहराई के साथ, धारावाहिक कंप्यूटर की गति भी आनुपातिक रूप से कम हो जाती है।
• इंटरप्ट के लिए हार्डवेयर समर्थन - आवश्यक नहीं, क्योंकि यह खुद के लिए बहुत कुछ खींचता है (माइक्रोकोड, हार्डवेयर स्टैक, आदि), और आप इसके बिना कर सकते हैं।

उपयोगकर्ता इंटरैक्शन: क्लासिक कार्यान्वयन टीवी या वीजीए मॉनिटर के लिए एक कीबोर्ड + आउटपुट है। एक सुविधाजनक "स्वयं" कीबोर्ड बनाना बहुत मुश्किल है - आपको मानक पीएस / 2 या यूएसबी का उपयोग करने की आवश्यकता है। PS / 2 कीबोर्ड पहले से ही दुर्लभ हैं - और एक ट्रांजिस्टर कंप्यूटर में USB का समर्थन करना गंदे हैक्स (एक माइक्रोकंट्रोलर की तरह) का उपयोग किए बिना मुश्किल होगा।

संभवतः इष्टतम और सरलतम समाधान टर्मिनल इंटरफ़ेस हो सकता है - जब कोई कंप्यूटर सीरियल पोर्ट (RS232) के माध्यम से बाहरी दुनिया के साथ संचार करता है, तो प्रोग्राम उसी तरह से डाउनलोड किए जा सकते हैं। यानी सरलतम मामले में, ट्रांजिस्टर कंप्यूटर, USB <> COM एडॉप्टर के माध्यम से डेस्कटॉप कंप्यूटर (या एक विशेष टर्मिनल के लिए) से जुड़ा होता है, और आप इसके साथ किसी भी टर्मिनल प्रोग्राम (उदाहरण के लिए पोटीन) में काम कर सकते हैं।

इसके अलावा, आपको GPIO पिन के माध्यम से बाहरी उपकरणों को जोड़ने की क्षमता की आवश्यकता है।

सीरियल या समानांतर ALU? 8 या 16 बिट्स ?: चूंकि ट्रांजिस्टर की संख्या बहुत सीमित है (<1000), आपको प्रदर्शन का त्याग करना होगा, और सभी संचालन क्रमिक रूप से किए जाने चाहिए। यह ट्रांजिस्टर की आवश्यक संख्या को बहुत कम कर देता है - वास्तव में, 1-बिट तर्क और 16-बिट शिफ्ट रजिस्टर की आवश्यकता होती है। लेकिन 1 मेगाहर्ट्ज की घड़ी की आवृत्ति पर - हमारे पास केवल 62 हजार होंगे। संचालन प्रति सेकंड, यह वांछनीय है, ज़ाहिर है, एक उच्च आवृत्ति है।

क्योंकि किसी भी मामले में, हमें 16-बिट एड्रेस बस की आवश्यकता है, 8-बिट ऑपरेंड का समर्थन करें - इसका मतलब है कि निर्देश प्रणाली को जटिल करना और आवश्यक रजिस्टरों की संख्या में वृद्धि करना है। इसलिए, शायद सब कुछ सरल होगा - 16-बिट एड्रेस बस और 16-बिट मशीन शब्द। 8-बिट डेटा के साथ काम करने की कोई संभावना नहीं होगी, अगर किसी को केवल 8 बिट्स की आवश्यकता होती है, तो उन्हें बदलाव के साथ काम करना होगा।

प्रोसेसर आर्किटेक्चर: बेशक, एक पूर्ण कंप्यूटर को अपनी मेमोरी में कोड लिखने में सक्षम होना चाहिए। इसलिए, यदि इसे एक बाहरी प्रोसेसर स्ट्रैपिंग में स्थानांतरित करना संभव है, तो हार्वर्ड आर्किटेक्चर (अलग कोड और डेटा मेमोरी के साथ) को लागू करना और काम करने में तेज़ होना आसान होगा। लेकिन अगर प्रोसेसर स्ट्रैपिंग ट्रांजिस्टर है, तो आपको साझा कोड और डेटा मेमोरी का उपयोग करना होगा। तो यहाँ चुनाव के अंत में पसंद पर निर्भर करता है :-)

प्रोसेसर स्वयं - हार्ड-वायर्ड होगा (माइक्रोकोड के साथ काम करने के लिए तर्क और स्वयं माइक्रोकोड - बहुत अधिक ट्रांजिस्टर ले सकता है), अनिवार्य रूप से निर्देशों का एक बहुत ही सरल सेट होगा (बाइनरी लॉजिक + ऐड, 8 और 1 बिट की शिफ्ट), और न्यूनतम संख्या। रजिस्टरों (1-2) को छद्म रजिस्टरों (6502 में) के रूप में रैम का उपयोग करने की क्षमता के साथ। शायद, सरलतम मामले में, सभी आदेशों को एक ही कठोर योजना के अनुसार निष्पादित किया जाएगा ax = मेम [imm] = मेम [imm] op ax + सशर्त संक्रमण बिट - यह प्रोसेसर तर्क को कम से कम करेगा और अपेक्षाकृत तेज रैम में अधिकतम मात्रा में काम करेगा।

कोई हार्डवेयर स्टैक और हार्डवेयर इंटरप्ट हैंडलिंग नहीं होगी - इसे सॉफ्टवेयर में भी लागू किया जा सकता है: हमारे पास ट्रांजिस्टर की तुलना में अधिक मेमोरी है।

आपूर्ति वोल्टेज: 3.3 और 5V? अधिकांश पुराने कंप्यूटर 5V का उपयोग करते हैं, और आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स लंबे समय से बाहरी कनेक्शन के लिए 3.3V पर केंद्रित हैं। यह कंप्यूटर 3.3V का भी उपयोग करेगा - लेकिन क्योंकि कम-प्रतिबाधा खींचने वाले प्रतिरोधों में 2.5 गुना कम ऊर्जा की खपत होगी - और तदनुसार, उनके प्रतिरोध को और कम किया जा सकता है और गति में वृद्धि हुई है।

ट्रांजिस्टर प्रोसेसर बिल्डिंग ब्लॉक्स

बेशक, 1000 से कम ट्रांजिस्टर से बाहर प्रोसेसर बनाने के लिए, लॉजिक सर्किट के निर्माण के लिए मानक दृष्टिकोण का उपयोग करना (यहां तक ​​कि धारावाहिक ALU को ध्यान में रखते हुए) काम नहीं करेगा - और ट्रांजिस्टर की संख्या को कम करने के लिए विभिन्न सर्किटरी समझौता और तरकीबें लागू की जानी चाहिए।

गति का मुद्दा भी महत्वपूर्ण है - हैबे और एमटी 15 पर पिछले लेख में - क्लॉक फ़्रीक्वेंसी जिस पर लॉजिकल ब्लॉक काम कर सकते हैं, वह बहुत कम है। एक सीरियल कंप्यूटर के लिए, यह मुद्दा एक गर्म मुद्दा बनता जा रहा है।

सरल तर्क गति

जैसा कि यह निकला, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर पर तर्क को बहुत तेज करने वाले कुछ सरल तरकीबें हैं: ट्रांजिस्टर को गहरी संतृप्ति में प्रवेश करने से रोकने के लिए यह एक Schottky डायोड के अतिरिक्त है (उत्पादन जिसमें से बहुत धीमा है, 200-500ns तक), और वैकल्पिक रूप से, 25-50 के संधारित्र को जोड़ना। सर्किट के आवारा समाई को जल्दी से रिचार्ज करने के लिए आधार अवरोधक के समानांतर पीएफ। और निश्चित रूप से, किसी भी उच्च गति वाले डिजिटल सर्किट के साथ, आपको उपभोक्ताओं के पास सिरेमिक कैपेसिटर के साथ बिजली की आपूर्ति को अलग करने की आवश्यकता है, और कुछ मामलों में लंबे समय तक डिजिटल ट्रैक को समाप्ति की आवश्यकता होगी।

इन तरकीबों को लागू करने के बाद, हम निम्नलिखित प्राप्त करते हैं (यहां दोनों अनुकूलन योजना के दाईं ओर हैं):



और यह तरंग पर बहुत तेजी से काम करता है - 100ns / विभाजन, किनारों / 10ns के आदेश की देरी:


इसके अलावा, आधार से जमीन तक प्रतिरोध के प्रतिरोध को चुनते हुए, आप तर्क की हस्तांतरण विशेषता को नियंत्रित कर सकते हैं ताकि थ्रेसहोल्ड वोल्टेज लगभग CMOS के समान हो, लगभग 3.3 / 2 = 1.65V। शोर उन्मुक्ति के अलावा इस तरह का एक बदलाव, एक और महत्वपूर्ण लाभ देगा: तर्क के माध्यम से जाने के बाद इनपुट पर धीरे-धीरे झुका हुआ मोहरा तेज हो जाएगा। इसके अलावा, अगर हमें बिजली बचाने की आवश्यकता नहीं है, तो हम "ऊपरी" ट्रांजिस्टर को फेंक सकते हैं, और इसे एक रोकनेवाला के साथ बदल सकते हैं। योजना इस प्रकार है:


एक स्थानांतरण विशेषता:

3 रंगीन रेखाएं - यह अलग-अलग तापमानों (20, 40 और 60 डिग्री) पर एक सिमुलेशन है, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के पैरामीटर ध्यान से तापमान के साथ तैर रहे हैं, और इसे और अधिक जटिल योजनाओं में ध्यान में रखा जाना चाहिए।

अधिक जटिल तर्क

टी-ट्रिगर - एक घड़ी सिग्नल पर टी-ट्रिगर इसकी स्थिति को विपरीत में बदल देता है। इसका उपयोग समानांतर अनुदेश काउंटर बनाने के लिए किया जा सकता है, लेकिन संभवतः इसके बाद से उपयोग नहीं किया जाएगा सब कुछ क्रमिक रूप से काम करेगा। ऑपरेशन का सिद्धांत एक छोटी नकारात्मक घड़ी नाड़ी द्वारा एक द्विस्तरीय मल्टीवीब्रेटर है - यह प्रतिरोधों R8 और R9 के समानांतर कैपेसिटर के कारण विपरीत स्थिति में बदल जाता है।



सर्किट को "हार्डवेयर" में लागू किया गया था, साथ में इनवर्टर के साथ। इनवर्टर ने अपेक्षित गति (यानी ~ 10-20ns मोर्चों) को दिखाया। टांका लगाने की गुणवत्ता से चिंतित न हों - बोर्ड ट्रांजिस्टर / मापदंडों के लिए कई प्रयोगों और विकल्पों से गुजरा है:



पूर्ण योजक सबसे महत्वपूर्ण और जटिल डिजिटल इकाइयों में से एक है। CMOS पूर्ण योजक के विहित कार्यान्वयन - 28 ट्रांजिस्टर की आवश्यकता है:


ट्रांसमिशन गेट और विभिन्न ट्रिक का उपयोग करते हुए आधुनिक कार्यान्वयन के लिए ट्रांजिस्टर की पसंद के लिए अधिक कठोर आवश्यकताओं के साथ 8-11 ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है, लेकिन ये सर्किट सीधे असतत ट्रांजिस्टर से लागू नहीं किए जा सकते हैं - 4-पिन ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है (और वे दुर्लभ हैं), और गिरावट के कारण तार्किक स्तर 1 के लिए एक उच्च आपूर्ति वोल्टेज की आवश्यकता होती है (क्योंकि उपलब्ध असतत क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर की दहलीज वोल्टेज एकीकृत ट्रांजिस्टर के लिए 1.5-2 वोल्ट बनाम 0.5 वी है)।

बहुत कम से कम जो मुझे देखना था वह 6 ट्रांजिस्टर से बाहर था, कैपेसिटर का उपयोग करना (लेकिन विश्वसनीयता सवाल उठाती है)। द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर पर ज्ञात कार्यान्वयन को 22 ट्रांजिस्टर की भी आवश्यकता होती है ।

लेकिन क्या सिर्फ 4 ट्रांजिस्टर के साथ ऐसा करना संभव है? मुझे थोड़ा दिमाग लगा, और यह निम्नलिखित निकला:


काम कार्यक्रम:


LTspice IV में सिमुलेशन स्कीम को यहां डाउनलोड किया जा सकता है ।

ऑपरेशन का सिद्धांत इस प्रकार है: शब्दों के क्रम से कोई फर्क नहीं पड़ता, हम बस उन्हें समान रूप से मिलाते हैं, और दोहरी इन्वर्टर की दहलीज वोल्टेज का चयन करके, हम तुरंत स्थानांतरण प्राप्त करते हैं। फिर एनालॉग राशि से ट्रांजिस्टर Q3 पर स्थानांतरण को घटाते हुए, हमें योग मिलता है। बेशक, यह सब प्रतिक्रिया स्तरों के सटीक चयन और तापमान के आधार पर अनुकरण की आवश्यकता है। Schottky डायोड - ट्रांजिस्टर को गहरी संतृप्ति में प्रवेश करने से रोकने के लिए, जो नाटकीय रूप से काम की गति को कम करता है।

क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर का उपयोग संभव है, और बेहतर तापमान स्थिरता प्रदान करता है, मुख्य बात यह है कि उनके पास पर्याप्त रूप से कम दहलीज वोल्टेज है।

शिफ्ट रजिस्टर इस ट्रांजिस्टर कंप्यूटर का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। सिंक्रोनस डी-फ्लिप-फ्लॉप पर क्लासिक कार्यान्वयन - प्रति बिट ट्रांजिस्टर की एक राक्षसी राशि की आवश्यकता होती है।

मैं निम्नलिखित विशेषताओं के साथ प्रति बिट 2 ट्रांजिस्टर में फिट होने में कामयाब रहा:
1) रजिस्टरों - कैपेसिटर के आधार पर, और यदि वे "स्थानांतरित" नहीं हैं - तो समय के साथ डेटा गायब हो जाएगा। लेकिन एक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के साथ, भंडारण का समय काफी लंबा है।
2) डेटा ट्रांसफर अगले चरण में - एक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर द्वारा। आधे मामलों में, यह विपरीत, गैर-मानक मोड में काम करता है - ब्रेकडाउन वोल्टेज बहुत कम है (लेकिन 3.3V को पकड़ना चाहिए), और लाभ प्रत्यक्ष कनेक्शन की तुलना में बहुत कम है (लेकिन मुझे आशा है कि यह पर्याप्त होगा)।
3) प्रत्येक अगला चरण - संकेत को सम्मिलित करता है, यह एक समस्या नहीं है जब केवल अनुक्रमिक पहुंच की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, प्रोसेसर रजिस्टरों के मामले में)। यदि आपको एक गैर-उल्टे समानांतर आउटपुट की आवश्यकता है, तो आपको 8 इनवर्टर जोड़ना होगा (यानी 16-बिट शिफ्ट रजिस्टर में 40 ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होगी, 32 नहीं)।
4) द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की संतृप्ति के साथ एक समस्या बनी हुई है।



अनुसूची:


डिजिटल सर्किट के इन कॉम्पैक्ट कार्यान्वयन के साथ - 1000 ट्रांजिस्टर के भीतर रखना मुझे लगता है कि काफी यथार्थवादी होगा।
यह सब अब के लिए है - राक्षसी रूप से बहुत सारे काम मेरे आगे इंतजार कर रहे हैं

और अब - पाठकों के लिए कुछ सवाल: आपके लिए कौन से विकल्प स्वीकार्य हैं?