آلة حاسبة ثنائية 4 بت: 11 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

لقد طورت اهتمامي بالطريقة التي تعمل بها أجهزة الكمبيوتر على المستوى الأساسي. أردت أن أفهم استخدام المكونات المنفصلة والدوائر اللازمة لإنجاز مهام أكثر تعقيدًا. أحد المكونات الأساسية المهمة في وحدة المعالجة المركزية هو وحدة المنطق الحسابي أو ALU التي تقوم بعمليات على أرقام صحيحة. لإنجاز هذه المهمة ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الأرقام الثنائية والبوابات المنطقية. واحدة من أبسط العمليات التي يتم إجراؤها هي جمع رقمين معًا ، في دائرة الأفعى. هذا الفيديو بواسطة numberphile يقوم بعمل ممتاز في شرح هذا المفهوم عبر إضافة Domino. قام Matt Parker بتوسيع هذا المفهوم الأساسي وبناء دائرة Domino Computer باستخدام 10000 دومينو. إن بناء جهاز كمبيوتر شخصي بالكامل من أحجار الدومينو أمر سخيف ، لكنني ما زلت أرغب في فهم استخدام المكونات المنفصلة لإنجاز هذه المهمة الإضافية. في مقاطع الفيديو ، تم إنشاء بوابات منطقية من أحجار الدومينو ولكن يمكن أيضًا صنعها من مكونات أساسية ، وهي الترانزستورات والمقاومات. كان الغرض من هذا المشروع هو استخدام هذه المكونات المنفصلة لتعلم وإنشاء حاسبة الأفعى 4 بت الخاصة بي.

تضمنت أهدافي لهذا المشروع ما يلي: 1) تعلم كيفية إنشاء وتصنيع PCB2 مخصص) اجعل التصميم سهل تصور إضافة أرقام ثنائية 3) توضيح الفرق في المقياس بين المكونات المنفصلة والدائرة المتكاملة التي تؤدي نفس المهمة

جاء الكثير من الإلهام والفهم لهذا المشروع من Simon Inns.

اللوازم

لقد استخدمت Fritzing لعمل مخططات وإنشاء وتصنيع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

الخطوة 1: النظرية

يعد العد في الأساس 10 أمرًا بسيطًا نظرًا لوجود عدد صحيح مختلف يمثل مجموع عددين صحيحين. أبسط مثال:

1 + 1 = 2

يستخدم العد في الأساس 2 أو الثنائي فقط 1 و 0. تُستخدم مجموعة من 1 و 0 لتمثيل الأعداد الصحيحة المختلفة ومجموعها. مثال على العد في الأساس 2:

1 + 1 = 0 وتحمل 1 إلى البتة التالية

عند إضافة بتتين (A و B) معًا ، من الممكن تحقيق 4 نتائج مختلفة باستخدام مخرجات Sum and Carry (Cout). هذا ما يظهر في الجدول.

تأخذ البوابات المنطقية المدخلات وتولد المخرجات. تتكون بعض أبسط البوابات المنطقية من بوابات NOT و AND و OR التي يتم استخدامها جميعًا في هذا المشروع. وهي تتكون من مجموعات وأسلاك مختلفة من الترانزستورات والمقاومات. يتم توفير مخططات لكل بوابة.

بالرجوع إلى الجدول ، يمكن استخدام مجموعة من هذه البوابات لإنتاج نتائج المجموع في الجدول. يُعرف هذا المزيج من المنطق أيضًا باسم بوابة OR (XOR) الحصرية. يجب أن يكون الإدخال 1 بالضبط لينتج عنه خرج 1. إذا كان كلا المدخلين 1 يكون الناتج الناتج 0. يمكن تمثيل نتائج بتة الحمل بواسطة بوابة AND بسيطة. وبالتالي ، فإن استخدام كل من XOR مع بوابة AND يمكن أن يمثل الجدول بأكمله. يُعرف هذا باسم Half Adder ويتم عرض التخطيطي أعلاه.

من أجل إضافة أرقام ثنائية أكبر ، يجب دمج بت الحمل كمدخل. يتم تحقيق ذلك من خلال الجمع بين دارتين نصف عامل لتوليد عنصر فاعل كامل. يمكن بعد ذلك أن تتالي الأعداد الكاملة معًا لإضافة أرقام ثنائية أكبر. في مشروعي ، قمت بتتالي 4 عناصر كاملة مما مكنني من الحصول على مدخلات 4 بت. التخطيطي للأفعى الكامل أعلاه.

سيمون إنز لديها كتابات رائعة وأكثر تعمقًا حول النظرية. هناك أيضًا بعض ملفات PDF التي وجدتها مفيدة.

الخطوة الثانية: اختبار الدائرة

الخطوة الأولى بعد فهم كيفية عمل البوابات المنطقية والنظرية الكامنة وراء Full Adder هي بناء الدائرة. لقد بدأت بجمع كل المكونات التي أحتاجها: مقاومات 10K و 1K ، ترانزستورات NPN ، Breadboard ، Jumperwires. تابعت مع نسخة مطبوعة من الأفعى الكامل. كانت العملية مملة لكنني تمكنت من الحصول على دائرة عمل للأفعى الكامل. أود ربط المدخلات عالية أو منخفضة واستخدم مقياسًا متعددًا لاختبار المخرجات. الآن كنت على استعداد لترجمة اللوح والتخطيطي إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

الخطوة 3: تصميم Full Adder PCB

لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، استخدمت Fritzing حصريًا. كانت هذه المرة الأولى التي أصمم فيها ثنائي الفينيل متعدد الكلور ويبدو أن هذا البرنامج هو الأكثر سهولة في الاستخدام وبديهية مع أصغر منحنى تعليمي. هناك برامج رائعة أخرى مثل EasyEDA و Eagle متاحة للمساعدة في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. باستخدام Fritzing ، يمكنك البدء في التصميم على لوحة توصيل افتراضية أو تخطيطي ، ثم الانتقال إلى PCB. لقد استخدمت كلتا الطريقتين لهذا المشروع. عندما تكون جاهزًا لتصنيع PCB ، يكون الأمر بسيطًا مثل النقر على زر لتصدير ملفاتك وتحميلها مباشرةً إلى Aisler ، المُصنع الشريك لـ Fritzing.

ارسم SchematicI بدأت بعلامة التبويب التخطيطية لبدء العملية. أولاً ، عثرت على جميع المكونات وأدخلتها في مساحة العمل. بعد ذلك ، قمت برسم جميع الآثار بين المكونات. لقد حرصت على إضافة مدخلات 5 فولت وأرضي إلى الأماكن المناسبة.

قم بتصميم PCBI بالنقر فوق علامة التبويب PCB. عندما تنتقل مباشرة من التخطيطي ، تحصل على فوضى مع جميع المكونات المتصلة بواسطة خطوط ratsnest بناءً على الآثار التي قمت بها في التخطيطي. أول شيء فعلته هو تغيير حجم ثنائي الفينيل متعدد الكلور الرمادي إلى الحجم الذي أردته وإضافة ثقوب تثبيت. أضفت أيضًا 16 دبابيس للمدخلات والمخرجات. بعد ذلك ، بدأت في ترتيب المكونات بطريقة منطقية. حاولت تجميع المكونات ذات الوصلات التي كانت قريبة من بعضها البعض حتى أتمكن من تقليل مسافة التتبع. ذهبت خطوة إضافية وجمعت المكونات معًا بواسطة بوابة منطقية. كان أحد أهدافي هو أن أكون قادرًا على تصور كيفية عمل الدائرة وأن أكون قادرًا على متابعة "البت" عبر الدائرة. بعد ذلك ، استخدمت وظيفة التوجيه التلقائي التي تمر تلقائيًا وترسم التتبع الأمثل بين المكونات. كنت متشككًا في أن هذه العملية قد أكملت جميع عمليات التتبع الصحيحة ، لذلك قمت بمراجعة وإعادة رسم التتبع حيث كان من المفترض أن تكون. لحسن الحظ ، قامت ميزة autorouting بعمل جيد جدًا وكان علي فقط إصلاح بعض عمليات التتبع. قام جهاز التوجيه الآلي أيضًا بعمل بعض الزوايا الغريبة مع الآثار التي ليست "أفضل ممارسة" ولكني كنت على ما يرام مع ذلك وكل شيء لا يزال يعمل بشكل جيد. آخر شيء فعلته هو إضافة نص يمكن طباعته على هيئة الشاشة الحريرية. لقد تأكدت من تسمية جميع المكونات. لقد قمت أيضًا باستيراد صور بوابة منطقية مخصصة للتأكيد على تجميع المكونات. تظهر الصورة الأخيرة أعلاه الشاشة الحريرية.

قم بتصنيع PCBI بالضغط على زر تصنيع في الجزء السفلي من الشاشة. لقد وجهني مباشرة إلى موقع Aisler على الويب حيث تمكنت من إنشاء حساب وتحميل جميع ملفات Fritzing الخاصة بي. تركت جميع الإعدادات الافتراضية وقدمت الطلب.

الخطوة 4: تصميم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الأخرى

كانت ثنائي الفينيل متعدد الكلور المتبقية التي أحتاجها هي لوحة واجهة الإدخال / الإخراج ولوحة IC. لقد اتبعت العملية كخطوة 3 لهذه اللوحات. تم نشر ملف pdf الخاص بالمخططات أدناه. بالنسبة إلى IC ، قمت بإجراء جميع الاتصالات باستخدام ميزة اللوح الافتراضي. لقد قمت بتضمين المخطط للاكتمال ولكني تمكنت من الانتقال مباشرة من اللوح إلى علامة تبويب PCB التي كانت رائعة جدًا. أضفت أيضًا مخطط تحويل أساسي 10 إلى قاعدة 2 على الشاشة الحريرية على لوحة واجهة الإدخال / الإخراج قبل التحميل والطلب في Aisler.

الخطوة 5: مكونات لحام لثنائي الفينيل متعدد الكلور

وصلت جميع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور وقد تأثرت حقًا بالجودة. لم يكن لدي أي خبرة مع المصنّعين الآخرين ولكن لن أتردد في استخدام Aisler مرة أخرى.

كانت المهمة التالية هي لحام جميع المكونات التي كانت عملية شاقة ولكن مهاراتي في اللحام تحسنت بشكل كبير. لقد بدأت بألواح الأفعى الكاملة ولحمت المكونات بدءًا من الترانزستورات ، ثم المقاومات 1K ، ثم المقاومات 10K. لقد اتبعت طريقة مماثلة لحام بقية المكونات على لوحة الإدخال / الإخراج و IC. بعد اكتمال كل لوحة Adder كاملة ، اختبرتها بنفس طريقة لوحة Full Adder. والمثير للدهشة أن جميع اللوحات عملت بشكل صحيح دون مشكلة. هذا يعني أن الألواح تم توجيهها بشكل صحيح وأنه تم لحامها بشكل صحيح. إلى الخطوة التالية!

الخطوة 6: الانتهاء من ثنائي الفينيل متعدد الكلور للتكديس

كانت المهمة التالية هي لحام جميع دبابيس الرأس في كل لوحة. كنت بحاجة أيضًا إلى إضافة أسلاك توصيل بين دبوس الرأس الصحيح والمدخلات / المخرجات للوحات Full Adder (A ، B ، Cin ، V + ، GND ، Sum ، Cout). يمكن تجنب هذه الخطوة إذا قمت بتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مختلف لكل مستوى من دارة الأفعى ولكني أردت تقليل التصميم والتكلفة عن طريق إنشاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور كامل واحد فقط. نتيجة لذلك ، تتطلب التوصيلات بهذه المدخلات / المخرجات أسلاك توصيل. التخطيطي المقدم هو كيف أنجزت هذه المهمة وأي دبابيس تم استخدامها لكل مستوى من لوحات Full Adder. تظهر الصور كيف قمت بلحام أسلاك العبور لكل لوحة. لقد بدأت بلحام الأسلاك المجانية بالمسامير الصحيحة الموجودة في الرأس. ثم قمت بلحام الرأس إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور. بعد أن كان لدي دبابيس الرأس مع أسلاك توصيل ملحومة في مكانها ، قمت بلحام الأطراف الحرة لأسلاك العبور إلى الخيوط الصحيحة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. تُظهر الصورة أعلاه لقطة مقربة لمسامير الرأس مع أسلاك التوصيل الملحومة بها.

الخطوة 7: تشغيل الدوائر

لقد خططت لاستخدام مصدر طاقة مقبس برميل DC بجهد 12 فولت لهذا المشروع ، لذا فقد صممت لوحة واجهة الإدخال / الإخراج بحيث تحتوي على مقبس / موصل برميل تيار مستمر لإدخال الطاقة. نظرًا لأنني كنت أستخدم نفس لوحة الإدخال / الإخراج وأردت استخدام مصدر طاقة وحيد أحتاجه لتنظيم الجهد إلى 5 فولت لأن هذا هو الحد الأقصى للإدخال لـ SN7483A IC. لتحقيق ذلك ، كنت بحاجة إلى منظم 5V ومفتاح يمكن التبديل بين 12V و 5V. يوضح المخطط أعلاه كيف قمت بتوصيل دائرة الطاقة معًا.

الخطوة 8: الطباعة ثلاثية الأبعاد للقاعدة

الآن بعد أن اكتملت جميع الأسلاك واللحام ، كنت بحاجة إلى معرفة كيف سيتم تجميعها معًا. اخترت CADing والطباعة ثلاثية الأبعاد لتصميم يستوعب ويعرض جميع أجزاء هذا المشروع.

اعتبارات التصميم لقد احتجت إلى أماكن لتركيب ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالمسامير والمسامير. تعد Adders المكدسة هي الأكثر جاذبية من الناحية المرئية وأردت أن أعرضها عندما لا تكون قيد الاستخدام ، لذلك أردت مكانًا لتخزين IC PCB. كنت بحاجة لاستيعاب دائرة الطاقة مع قواطع للمفتاح ومقبس / موصل برميل DC. أخيرًا ، أردت نوعًا من علبة عرض العلبة لمنع الغبار من التجمع في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المفتوحة ، لذلك كنت بحاجة إلى مكان للهيكل.

النمذجة ثلاثية الأبعاد لقد استخدمت Fusion360 لتصميم القاعدة. لقد بدأت بأبعاد PCB والتباعد بين فتحات التركيب. بعد ذلك ، استخدمت سلسلة من الرسومات والبثق لتعيين ارتفاع وحجم القاعدة مع نقاط تثبيت PCB. بعد ذلك ، صنعت القواطع للحاوية ودائرة الطاقة. بعد ذلك ، قمت بإنشاء منطقة لتخزين IC PCB عندما لا تكون قيد الاستخدام. أخيرًا أضفت بعض تفاصيل الحافة النهائية وأرسلتها إلى Cura ، برنامج التقطيع الخاص بي.

لقد اخترت خيوط جيش التحرير الشعبى الصينى السوداء. استغرقت الطباعة ما يزيد قليلاً عن 6 ساعات واتضح أنها رائعة. والمثير للدهشة أن جميع الأبعاد كانت صحيحة وبدا كل شيء وكأنه يتناسب معًا بشكل صحيح. تُظهر الصورة أعلاه الطباعة بعد أن أضفت المواجهات في فتحات التركيب. كانت مناسبة تماما!

الخطوة 9: التجميع

أدخل المواجهات. لقد وضعت جميع المواجهات في فتحات التركيب بالقاعدة.

ضع دائرة الطاقة في القاعدة. لقد قمت بتوصيل كل شيء معًا وسحبت جميع المكونات من خلال الفتحة الخاصة بالمفتاح. بعد ذلك ، قمت بإدخال مقبس / محول الطاقة في الجزء الخلفي من القاعدة. لقد قمت بدفع منظم 5V في الفتحة الخاصة به ، وفي النهاية تم دفع المفتاح إلى موضعه.

قم بتركيب I / O PCB. لقد وضعت IC PCB في مساحة التخزين الخاصة به ووضعت واجهة I / O PCB في الأعلى. لقد قمت بربط ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام مسامير 4x M3 وسائق سداسي. أخيرًا ، قمت بتوصيل مقبس برميل DC في PCB.

كومة الأفعى ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لقد قمت بتكديس الأفعى الأول في مكانه. لقد قمت بربط الجزء الخلفي من PCB في فتحات التثبيت الخلفية مع مواجهتين. كررت هذه العملية حتى تم وضع الأفع الأخير في مكانه وقمت بتأمينه باستخدام مسامير M3 أخرى.

اصنع العلبة. لقد استخدمت 1/4 أكريليك للحاوية. لقد قمت بقياس الارتفاع النهائي للمشروع ، وباستخدام أبعاد CAD ، قطعت 5 قطع للجوانب والأعلى لعمل صندوق بسيط بقاع مفتوح. لقد استخدمت الإبوكسي للصمغ القطع معًا. أخيرًا ، قمت برمل نصف دائرة صغيرة على الجانب الأيمن لاستيعاب المفتاح.

جاهز للحساب

الخطوة 10: الحساب والمقارنة

قم بتوصيل الآلة الحاسبة الجديدة وابدأ في الإضافة! يمكن استخدام الرسم البياني من الأساس 10 إلى الأساس 2 للتحويل السريع بين الأعداد الثنائية والأعداد الصحيحة. أفضل ضبط المدخلات ثم الضغط على "يساوي" عن طريق قلب مفتاح الطاقة ومراقبة الإخراج الثنائي من مصابيح LED.

مقارنة المكونات المنفصلة بدائرة متكاملة. الآن ، يمكنك فك حزم Adders الكاملة وتوصيل SN7483A IC بلوحة الإدخال / الإخراج. (لا تنسى قلب المفتاح إلى الاتجاه المعاكس لتشغيل IC بجهد 5 فولت بدلاً من 12 فولت). يمكنك إجراء نفس الحسابات وستحصل على نفس النتائج. من المثير للإعجاب التفكير في أن كلا المكونين المنفصلين Adder و IC يعملان بنفس الطريقة فقط على مقياس حجم مختلف تمامًا. تظهر الصور نفس المدخلات والمخرجات للدوائر.

الخطوة 11: الخاتمة

أتمنى أن تكون قد استمتعت بهذا المشروع وتعلمت بقدر ما تعلمت. إنه لمن دواعي سرورنا تعلم شيء جديد وتحويله إلى مشروع فريد يأخذ أيضًا تعلم مهارة جديدة مثل تصميم / تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم سرد كافة الخطط أدناه. بالنسبة لأي شخص مهتم ، يمكنني أيضًا ربط ملفات PCB Gerber الخاصة بي حتى تتمكن من إنشاء آلة حاسبة ثنائية 4 بت الخاصة بك. صنع سعيد!