مزارع ، ثعلب ، أوزة ، لغز حبوب: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

عندما كنت طفلاً ، التقطت كتابًا كان من والدي ، يُدعى The Scientific American Book Of Projects For The Amateur Scientist. لا يزال لدي الكتاب ، وما أفهمه هو أنه كتاب صعب في هذه الأيام. لكن يمكنك قراءتها عبر الإنترنت الآن. قدم هذا الكتاب لي الكثير من الأشياء ولكن الفصل الذي أثار اهتمامي كان الفصل الخاص بالآلات الرياضية. قد يكون هذا هو الشيء الذي دفعني إلى مسيرتي المهنية النهائية في تطوير البرمجيات.

في هذا الفصل أوصاف لآلات حل الألغاز التي تستخدم دوائر العصر … التي سبقت الدوائر المتكاملة الحديثة أو حتى الترانزستورات (باستخدام المرحلات). لكن بعض المفاهيم نفسها كانت موجودة ، وهي الأجهزة المنطقية التي هي في الأساس نفس الشيء الذي لا تزال تستخدمه أجهزة الكمبيوتر الحديثة اليوم.

في هذه الأيام ، يمكنك بسهولة وبتكلفة زهيدة الحصول على أنظمة كمبيوتر كاملة مقابل بضعة دولارات ، فقط قم ببرمجة اللغز أو اللعبة. ولكن يمكنك أيضًا القيام بالكثير من الأشياء على مستوى أدنى ، باستخدام البوابات المنطقية التي يتم إنشاء أجهزة الكمبيوتر منها ، لإنشاء أجهزة مخصصة للغز الخاص بك. في حين أن هذا قد لا يكون عمليًا أو مثاليًا ، إلا أنه يتيح لك معرفة كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر بالفعل. إنه أيضًا نوع من المرح.

الخطوة 1: المواد المطلوبة

يمكنك بناء هذا بالكامل في Tinkercad Circuits ، ومحاكاة الأداء الفعلي للغز.

إذا كنت ترغب في بنائه فعليًا ، فإليك ما ستحتاج إليه:

4 مفاتيح تبديل أو انزلاق.

1 زر ضغط (مؤقت)

عدد 2 لوح صغير.

9 ليد.

9 مقاومات 1 كيلو.

1 7475 رقاقة مزلاج رباعية

2 7408 البوابات الرباعية والبوابات

1 7432 كواد أو بوابة

1 حزمة بطارية تحتوي على 3 خلايا AA أو AAA.

مجموعة من الأسلاك الطائر.

بالنسبة لرقائق سلسلة 74xx ، يمكنك استخدام أي شكل مختلف منها. IE ، إصدارات 74xx هي TTL الأصلي ، ولكن يمكنك أيضًا استخدام إصدارات 74LSxx (استخدام طاقة أقل) ، أو 74HCxx (حتى إصدارات CMOS ذات طاقة أقل) وما إلى ذلك. فقط تذكر أنه من السهل التعامل مع إصدارات 74xx و 74LSxx ، ولكن جميع الاختلافات الأخرى حساسة للكهرباء الساكنة.

الخطوة 2: المنطق المنطقي

قد يبدو المنطق المنطقي مخيفًا ولكنه في الواقع بسيط جدًا. Boolean تعني أنك تتعامل فقط مع 1s و 0s ، أو True and False. أو في الإلكترونيات ، + و -. الجزء المنطقي منه يتلخص في الكثير من "إذا كان هذا إذن". أبسط العمليات المنطقية هي ببساطة هذه الأشياء الثلاثة: AND و OR و NOT. تسمى هذه البوابات ، لأنها تعمل بشكل أساسي كبوابات فعلية لتدفق الكهرباء عبر الدائرة.

بوابة AND تعمل على النحو التالي. لها مدخلين ، ومخرج واحد. يمكن أن يكون المدخلان 1 أو 0 ، والمخرج هو 1 أو 0. بالنسبة للبوابة AND ، إذا كان كلا المدخلين 1 ، فإن الناتج هو 1. وإلا ، فإنه ينتج 0.

بالنسبة لبوابة OR ، تحتوي أيضًا على مدخلين ومخرج واحد. إذا كان أحد الإدخال أو الآخر هو 1 ، فسيكون الناتج 1.

البوابة النهائية هي بوابة NOT ، وتحتوي على مدخل واحد ومخرج واحد فقط. إذا كان الإدخال هو 1 ، فسيكون الناتج 0. إذا كان الإدخال 0 ، فإنه ينتج 1.

يمكن أن تحتوي البوابات OR و AND أيضًا على أكثر من مدخلين. للتبسيط ، يمكن إظهارها بخطين أو أكثر يدخلان في بوابة واحدة ، ولكن في الحقيقة ، بوابة الإدخال الثلاثة عبارة عن بوابتين إدخال مع إدخال أحدهما في الآخر.

أنت تعرف الآن كل ما تحتاج إلى معرفته لبناء جهاز كمبيوتر. حتى أحدث أجهزة الكمبيوتر تستخدم هذه الأشياء الثلاثة فقط ، على الرغم من أنها قد تستخدم الملايين منها.

لذلك دعونا نبني اللغز.

الخطوة 3: لعبة Farmer ، Fox ، Goose and Grain Puzzle

أول شيء في الكتاب هو الدائرة المنطقية لإنشاء اللغز الكلاسيكي للمزارع والثعلب والأوز والحبوب. كان هذا اللغز موجودًا منذ مئات السنين بأشكال مختلفة. إنه لغز أساسي في المنطق مع عدد قليل من القواعد. اللغز على النحو التالي.

فلاح لديه ثعلب وأوزة وبعض الحبوب. يأتي إلى نهر يجب أن يعبره ، ويوجد قارب ، لكن يمكنه فقط حمله وشيء آخر في كل مرة.

لا يستطيع أن يترك الثعلب مع الإوزة ، لأن الثعلب سيأكل الإوزة. هذا ما تفعله الثعالب ، إنها طبيعتها فقط.

لا يستطيع أن يترك الإوزة مع الحبوب ، لأن الإوزة تأكلها.

كيف يمكنه نقل الثلاثة إلى الجانب الآخر من النهر بأمان؟

لإنشاء هذا اللغز ، نحتاج إلى بعض الأشياء. أولاً ، ابدأ بأربعة مفاتيح ، مفتاح لكل مزارع ، والثعلب ، والإوز والحبوب. هذه هي الطريقة التي نضع بها ما يذهب إلى القارب.

ثانيًا ، نحتاج إلى اللغز لنتذكر أين كل شيء من خطوة إلى أخرى.

ثم نحتاج إلى زر لإخباره بموعد نقل القارب.

أخيرًا ، نحتاج إلى بعض المنطق لفرض القواعد.

الخطوة 4: الذاكرة

لتذكر مواقع الكائنات في هذا اللغز ، سنستخدم شيئًا أكثر تقدمًا من المرحلات المستخدمة في الدائرة الأصلية. عندما كتب هذا الكتاب ، لم يكن هناك ترانزستورات ، لكن كان لديهم مرحلات. كانت هذه المرحلات سلكية بحيث عندما تضغط على زر ، فإنها تغلق ثم تظل مغلقة حتى تضغط على الزر على الجانب الآخر.

سنستخدم اليوم جزءًا شائعًا وغير مكلف يسمى مزلاج 4 بت. يشير "البت" في منطق الكمبيوتر فقط إلى 1 أو 0 واحد. إنه نفس الشيء مثل رقم. تحتوي هذه الدائرة المتكاملة (أو "IC" أو "Chip") على 4 مكونات منطقية تُعرف باسم flip flops. flip flop هو مجرد بوابتين تم تكوينهما بحيث أنه عندما تعطيه 1 أو 0 كمدخل ، فإنه سيخرج 1 أو 0 ثم يبقى "عالقًا". ومن هنا جاء اسم الوجه / بالتخبط. سوف ينقلب من 1 إلى 0 أو يتخبط من 0 إلى 1 (أم العكس؟) ثم يبقى هناك. هذا في الأساس يفعل نفس الشيء مثل المرحلات الأربعة في الدائرة القديمة.

يمكنك عمل شبشب بسيط ببوابتين فقط ، لكن تلك الموجودة في هذا المزلاج لها ميزة إضافية (تتطلب بضع بوابات أخرى). بدلاً من تغيير المخرجات على الفور مع تغيير الإدخال ، فإنه يحتوي على إدخال آخر يمكّن المدخلات أو يعطلها. عادة ، يبقى معطلاً. يتيح لك هذا ضبط اثنين من المفاتيح (المزارع والآخر) قبل أن يحاول "إرسال" القارب إلى الجانب الآخر. دائرتنا بالفعل أذكى من الدائرة القديمة.

لدينا الآن القدرة على تحديد وتذكر مواقع جميع المبادئ في أحجيةنا.

ها هي دائرتنا حتى الآن: مزلاج 4 بت

الخطوة 5: منطق القواعد

لفرض القواعد والإشارة إلى وجود مشكلة ، سنستخدم بعض البوابات المنطقية المنطقية لتنفيذ القيود التي نحتاجها.

سنحتاج إلى أربعة اختبارات لتحديد ما إذا كانت هناك مشكلة - إذا كان أي منها صحيحًا ، فقم بإضاءة إشارة التحذير.

1. إذا كانت الحبوب والأوز على الجانب الآخر من النهر وليس المزارع.

2- إذا كان الثعلب والأوز على الجانب الآخر من النهر وليس الفلاح.

3- إذا كان الفلاح يعبر النهر ولا ثعلب ولا أوزة معه.

4. إذا عبر الفلاح النهر ولم يكن معه حبوب ولا أوزة.

لاحظ الطريقة التي أعددت بها هذا لتتطابق تمامًا مع المنطق الذي سنستخدمه ، وهو بوابات AND مع المخرجات العادية أو المقلوبة من المزلاج ، والمخرجات المقلوبة تتصرف مثل "لا" أو "لا".

نظرًا لأن أيًا منها يمكن أن يكون صحيحًا ، مما يسبب مشكلة ، فإنها جميعًا تغذي بوابة OR.

يظهر المنطق المكتمل ، بما في ذلك المزلاج 4 بت ، في لقطة الشاشة. هذا من برنامج يسمى logicaly. هذا البرنامج ممتاز لإظهار تدفق المنطق وأنت تتلاعب بالمفاتيح ، وتسليط الضوء باللون الأزرق على الاتصالات ذات القيمة "1". لقد أرفقت الملف الذي يمكنك تحميله بشكل منطقي.

الخطوة 6: وضع نموذج أولي لدائرة حقيقية

الآن يمكننا إنشاء دائرة عمل حقيقية. باستخدام دوائر Tinkercad ، يمكننا القيام بذلك من خلال محاكاة المظهر الحقيقي للأجهزة ووظائفها.

قامت Tinkercad ببناء مزلاج 7475 4 بت ، لذلك هذا الجزء سهل. بالنسبة للبوابات ، اخترت استخدام شريحتين مع 4 بوابات لكل منهما (7408). لإنشاء أربعة و 3 مدخلات وبوابات ، نستخدم بوابتين AND مع إخراج أحدهما إلى مدخل واحد من الآخر. هذا يترك 1 مدخلاً في الثاني ، ومدخلان في الأول ، مما يؤدي إلى إنشاء 3 مدخلات وبوابة. بالنسبة لبوابة OR ، أفعل نفس الشيء. تستخدم شريحة بوابة أو أربعة بوابتين OR مع دخول المخرجات إلى بوابة OR ثالثة. يتم ترك بوابة واحدة غير مستخدمة.

قم بتشغيل المحاكاة على دوائر Tinkercad