یک زمانی، حتی فکر کردن به این که بتونیم با چندتا مدار ساده یک کامپیوتر (حتی ۴ بیتی) هم داشته باشیم، احمقانه و ناممکن به نظر میرسید. چرا که هزینه شبیه سازی خیلی از مدارها و تستشون بسیار بالا بود. اما توی این دوره، شما با خوندن چند تا داکیومنت و نصب چند نرم افزار ساده، میتونید کامپیوتر خودتون رو بسازید. بسیار خوب، منبع این پست ، این مقالست که یک ویدئوی خوب هم داره. توی این مقاله به جای استفاده مستقیم از مدارات منطقی، اومدن و از ترانزیستور استفاده کردن، اما باز هم استفاده از ترانزیستور منطقی به نظر نمیرسه، چرا که مدارهای منطقی کوچک ترن و فهمشون هم راحت تره.

مدارهای منطقی چی هستن؟

به صورت خیلی ساده بخوام این رو توضیح بدم، میگم مجموعه ای از ترانزیستور ها که عملیات منطقی (با جبر بول) مثل «و» و «یا» و «نفی» رو انجام میدن. و از ترکیبشون هم میشه مدارهای پیچیده تر یا مدارهای منطقی دیگه رو ساخت. برای فهم بهتر این قضیه، مقاله ویکیپدیا در این باره رو بخونید. توی این پست فرض بر اینه که شما، مدارهای منطقی رو بلدید و میدونید که چی هستن و چی کار میکنن.

برای پردازنده کوچکمون چی نیازه؟

اول از همه، نیاز داریم که یک مدار Adder بسازیم. مدارهای Adder معمولا از چند تا Full Adder یک بیتی تشکیل میشن، و هر فول ادر یک بیتی هم از دو تا Half-adder .

برای ساخت Half-adder کافیه که یک بار ورودی A رو NOT کنیم و با B اون رو AND کنیم، سپس B رو NOT کنیم و با A اون رو AND کنیم. آخر هم نتیجه دو تا AND رو با هم OR کنیم. برای بدست آوردن رقم نقلی هم کافیه که A و B رو مستقیما با هم AND کنیم.

مدار Half Adder نهاییمون به این شکل میشه. اما استفاده مدوام از NOT و AND و OR باعث سخت شدن توسعه ماشین میشه، پس از مجموعه ای که برای ساخت Half Adder استفاده کردیم میتونیم صرف نظر کنیم و از مدار XOR استفاده کنیم. البته همچنان برای رقم نقلیمون به AND نیاز خواهیم داشت.

بسیار خوب، برای Full Adder نیاز داریم که از پیش تعیین کنیم رقم نقلی ای وجود داره؟ یا نه! و برای این کار غیر از A و B یک ورودی به اسم Carry In یا «رقم نقلی ورودی» خواهیم داشت. و سپس، رقم نقلی ورودی رو باید به عنوان ورودی به یک Half-Adder دیگه بدیم. سپس، نتیجه AND شدن A و B رو با نتیجه AND شدن اولین Half-Adder و Carry In رو با هم OR کنیم تا رقم نقلی کلی بدست بیاد. پس مدار ما به این شکل خواهد شد :

خب، این دو مدار رو الان ساختیم. قدم بعدی، ساختن کامپیوترمونه!

برای ساختن یک Adder چهار بیتی، باید به این شکل فول ادر ها رو کنار هم بچینیم :

همونطور که دیدید، این روش چیدن Adder ها پشت هم، مدل Ripple Carry نامیده میشه. خب، این کامپیوتر کوچک، میتونه اعداد ۰ تا ۱۶ (در دنیای بدون علامت و با در نظر گرفتن رقم نقلی) و -۱۶ تا ۱۵ (در دنیای علامت دار و بدون در نظر گرفتن رقم نقلی) رو به ما نمایش بده. با خاموش و روشن کردن به موقع مدارها عملیات جمع و تفریق رو میتونید انجام بدید.

من خودم با ترکیب این مدارها، این رو ساختم، و بیت ها  رو با لامپ نشون دادم :

برای شبیه سازی چه نرم افزاری نیازه؟

من برای کشیدن نقشه Half Adder و Full Adder از تخته وایت برد اتاقم (بله! تخته وایت برد توی اتاقا الزامیه!) و نرم افزار Logisim (موجود در مخازن اوبونتو) استفاده کردم. برای شبیه سازی کلی ماشین هم از Logic.ly که آزمایشگاه آنلاین داره استفاده کردم. البته هر نرم افزار دیگه ای میتونه بهتون در شبیه سازی کمک کنه. حتی میتونید با VHDL هم بنویسیدش و تستش کنید!

امیدوارم که این پست هم براتون مفید واقع شده باشه!

موفق باشید.