ساخت یک کامپیوتر ساده در Logisim – قسمت اول

بالاخره یه سری پست جدید تصمیم گرفتم بنویسم، و خب این سری قراره که مرحله به مرحله پیش بریم تا یک کامپیوتر ساده بسازیم. تنها دانشی که شما برای این سری از پست ها نیاز دارید :

۱. دونستن کمی مدار منطقی (که قبلا در وبلاگ راجع بهش حسابی صحبت کردم)

۲. بلد بودن کار با Logisim (که میشه گفت مثل نقاشی کشیدن میمونه و همین پست ها رو دنبال کنید یاد میگیرید.).

راه اندازی محیط کار

برای این که بتونیم مداراتمون رو طراحی و آزمایش کنیم، نیاز داریم که نرم افزار Logisim رو داشته باشیم. یه نسخه خوب از این نرم افزار به اسم Logisim Evolution طراحی شده که کار ما رو به شدت ساده تر کرده، خروجی گرفتن ازش بی دردسر تره، و همچنین مدارات و ویژگی هاشون دقیق تر طراحی شده. برای دانلود و نصب و روش راه اندازیش میتونید به اینجا برید. فقط هم نیازه که جاوا روی سیستمتون نصب باشه.

چالش های پیش رو

خب، برای این که بیایم یک کامپیوتر بسیار ساده طراحی کنیم نیاز داریم که یک سری سوالات از خودمون بپرسیم و جواب بدیمشون، اینطوری راحت تر میتونیم مدارات مورد نیاز رو طراحی کنیم و از پیچیدگی محصول نهایی جلوگیری کنیم.

کامپیوتر ما باید چه عملیاتی انجام بده؟

یک کامپیوتر ساده که بتونه به راحتی قابل درک هم باشه، هم باید Word Size کوچیکی داشته باشه (توی آموزش ها با ۸ بیت میریم جلو) و هم Instruction Setش باید کوچیک باشه. یک سری دستور پایه هست که هر کامپیوتری میتونه انجامش بده، ما کامپیوترمون رو اینطور طراحی مکنیم که AND, OR, NOT رو بتونه انجام بده، علاوه بر اون بتونه جمع و تفریق هم بکنه. پس باید :

  1. مداری طراحی کنیم که بتونه ۸ بیت رو NOT کنه
  2. مداری طراحی کنیم که بتونه ۸ بیت رو OR کنه
  3. مداری طراحی کنیم که بتونه ۸ بیت رو AND کنه
  4. و مدار(ها)ی طراحی کنیم که بتونن ۸ بیت رو جمع و تفریق کنن.

حالا به سادگی میتونیم بفهمیم که چی میخوایم. البته این صرفا واحد محاسبه و منطق هست، ما باید یک واحد حافظه، یک واحد کنترل و چند واحد حافظه موقتی و کوچک هم طراحی کنیم که با چسبوندنشون به هم، بتونیم به کامپیوتر کامل برسیم.

در پست های بعدی، زیرمدارهای کامپیوتر خودمون رو میسازیم. در این پست صرفا با کامپیوتر ساده و کوچیکمون آشنا شدیم 🙂

Share

درآمدی بر پردازنده ها

ALUwithRegister

پس از مدتها تحقیق و بررسی در مورد پردازنده های مرسوم، و همچنین خوندن داکیومنت های مربوط به ساخت و پیاده سازی پردازنده ها، تصمیم گرفتم یک داکیومنت ساده دست و پا کنم، که توی اون از ساده ترین قطعات و بخش های کامپیوتر، به یک پردازنده ساده برسیم که بتونه چند عملیات انجام بده و نتیجه رو ذخیره کنه.

داکیومنت از اینجا قابل دریافت هست.

با تشکر.

Share

زبان ماشین، رمزگشای دستور العمل

در پست های گذشته بسیار بسیار در مورد زبان ماشین و اسمبلی بحث کردیم، اما این بار میخوایم بررسی کنیم که یک دستور، چطور کار میکنه. برای این کار، ما از ساده ترین دستورات استفاده میکنیم. قبل از اون، باید ببینیم که چه اتفاقی میفته که دستورات ما، شناسایی میشن! پس میایم و دستوراتمون رو بررسی میکنیم.

یک دستور در ماشین چطور خونده میشه؟

این خیلی مهمه که بدونیم یک دستور به چه شکلی خونده میشه. بسیار خوب، دستور زیر رو در نظر بگیرید :

کد   
MOV AX, 0

 

این دستور ماشین کد به این شکل داره :

کد   
B8 0000

 

که البته این ماشین کد، یک ماشین کد هگزادسیمال هست. اون چهار صفری که داریم که مقداری هست که خواستیم توی AX قرار بدیم و باهاش کاری نداریم، ولی B8 ما ، همون دستوریه که لازمه رمزگشایی شه و به صورت دو دویی به این شکل در میاد :

کد   
1011 1000

 

خب ما یک «دیکدر» (که یک مدار متشکل از n ورودی و دو به توان n خروجی هست) داریم، که این اعداد رو به ترتیب روشن و خاموش میکنه، و به این شکله که ما به  دستور میرسیم. در واقع مدارات مربوط به دستور رو خواهیم داشت.

بسیار خوب، حالا که میدونیم چه چیزی باعث میشه که ما بتونیم زبان ماشین رو درک کنیم، بیایم بررسی کنیم که :

زبان ماشین از چند بخش تشکیل شده؟

زبان ماشین، اول به صورت اسمبلی نوشته میشه که به زبون انسان خیلی خیلی نزدیکه. یعنی هرکس کمی انگلیسی بدونه میدونه که کلمه ای مثل ADD یعنی جمع کردن. اما، حالا مشکلی که هست اینه که وقتی «اسمبلی» به «آبجکت کد» یا همون کد هگزادسیمال تبدیل میشه رو هرکسی نمیتونه بخونه. پس راه حل چیه؟

اول باید ببینیم که یک خط آبجکت کد از چیا تشکیل میشه! بیاید این مثال رو در نظر بگیریم باز :

کد   
MOV AX, 0 ;B8 0000

 

خب اینجا من آبجکت کد رو به صورت کامنت در آوردم. دو بخش داریم، یکیش چهارتا صفر، که بهش عملوند یا Operand میگیم و دیگری «کد عملیات» یا Operation Code هست. مثلا برای انتقال به AX همیشه از B8 استفاده میشه. چرا؟ چون اینتل اینطور خواسته 😀 . بعد از این، این کد هگزادسیمال به یک کد باینری تبدیل میشه که CPU میتونه اون رو برای ما اجرا کنه.

از کجا آبجکت کد رو بخونیم؟

همه اسمبلر های موجود میتونن فایلی تولید کنن که آبجکت کد، سمبلهای به کار رفته و … رو شامل شه، و در اسمبلر MASM این فایل با پسوند LST ساخته میشه. شما میتونید با باز کردن این فایل با یک ویرایشگر متنی و خوندنش، ببینید که هر دستوری چه کدی رو داره.

یک برنامه نمونه

خب، من یک برنامه اسمبلی خیلی ساده نوشتم که اجرا کردنش هیچ خروجی ای نداره (:D ) ولی خب آبجکت کد ها تولید شده و اسمبل بدون مشکل صورت گرفته. این برنامه با آبجکت کدهاش به صورت کامنت به این شکله (بررسی دستور MOV در ۱۲ حالت مختلف) :

کد   
.MODEL SMALL
.8086
.STACK 
.DATA
.CODE
MOV AX, 0 ;B8 0000
MOV BX, 0 ;BB 0000
MOV CX, 0 ;B9 0000
MOV DX, 0 ;BA 0000
MOV AH, 0 ;B4 00
MOV BH, 0 ;B7 00
MOV CH, 0 ;B5 00
MOV DH, 0 ;B6 00
MOV AL, 0 ;B0 00
MOV BL, 0 ;B3 00
MOV CL, 0 ;B1 00
MOV DL, 0 ;B2 00
END

برای جلوگیری از ابهام هم مقداری که توی رجیسترها ریخته شده صفر هست، به این شکل کد ماشین بسیار ساده تر شده.

تا پست های بعدی، و اسمبلی بیشتر، موفق و موید و آزاد و شاد باشید! 🙂

Share

روز آفتابی و لامپ روشن

سلام. در این مطلب، قصد داریم در مورد ساختار کامپیوتر بحث کنیم. البته بیشترین چیزی که توی این مطلب بهش پرداخته میشه، دروازه های منطقی هستند و این که چطور میتونیم اون ها رو بسازیم.

بسیار خوب، عنوان مطلب به قدر کافی گویا هست که قراره چی رو به چی ربط بدیم، ولی بیاید این مثال رو در نظر بگیریم :

یک اتاق داریم که پنجره های زیادی داره و موقعیتش طوریه که در طول روز، بسیار نورگیره. واردش میشیم و می بینیم که یه لامپ روشنه. بعد دنبال کلید میگردیم. می بینیم که دو تا کلید کنار در هست، که هردو در وضعیت خاموش قرار داره. اولین احتمالی که پیش خودمون در نظر میگیریم، اینه که برقکار محترم کلید رو برعکس بسته. خب میگیم ایرادی نداره. یکی رو میزنیم، چراغ خاموش نمیشه. برش میگردونیم به حالت اول و اون یکی رو میزنیم. بازم چراغ خاموش نمیشه. یهو کنجکاو میشیم که هر دو کلید رو با هم در حالت روشن قرار بدیم، اون موقعه که می بینیم چی شد؟ چراغ خاموش شد!

حالا چه چیزی باعث شد که چراغ ما خاموش بشه؟ اینجاست که به جادوی ترانزیستورها باید ایمان بیاریم. در واقع دو کلید ما به یک مدار به این شکل وصل هستند :

0 -NAND Gate using transistors

 

این مدار، یک مدار یا بهتر بگم دروازه منطقیه که بهش NAND میگن. این مدار رو ما توی اون کلید قرار دادیم، و جدول درستیش به این شکله که هر وقت هر دو ورودی صحیح باشن، خروجی غلط میشه. حالا برای نمایش دادن بهتر این گیت، از این نماد استفاده میشه :

1- NAND gate

خب، سایر گیت ها (که با نماد های دیگه ای نشون داده میشن) رو میتونیم از این گیت بسازیم. اما چیزی که هست اینه که این گیت، چیزیه که کامپیوتر رو میسازه. در واقع در عمده IC هایی که خریداری میکنیم تعداد زیادی گیت NAND قرار داره که با وصل کردنش به هم، میتونیم گیت های دیگه ای رو هم بسازیم.

2-NAND Logic

خب، حالا فرض کنیم که به جای دو تا ورودی، یه ورودی دادیم به گیت NAND . یعنی از یک کلید، دو سیم به هر دو ورودی گیت وصل کردیم، به این شکل :

3-NOT Logic using NAND

حالا، اگر این کلید رو بزنیم، خروجی غلط و اگر خاموشش کنیم خروجی درست میشه. این ترکیب رو «نقض کننده» یا NOT هم بهش میگیم. در واقع گیت NOT که یک گیت با یک ورودی هست رو میتونیم به این شکل بسازیم.

الان میدونیم که یک NOT یا نقیض وجود داره. حالا میتونیم به جای اون ورودی، یک NAND با دو ورودی قرار بدیم که به این شکل در بیاد :

4-AND Logic using NAND

خب این مدار، یکم پیچیده شد. ولی دقت کنید که داره نقیض نتیجه NAND رو به ما میده. یعنی چی؟ یعنی در صورتی خروجی درست میشه که هر دو ورودی درست باشن. این منطق و این مدار هم که AND هست، و اگر جبر بول رو کمی بدونید میدونید که از بیسیک ترین دستورات جبر بول هست.

حالا، یه مدل دیگه این گیت ها رو پیش هم میچینیم. چطوری؟ این بار به جای نقض کردن نتیجه، نقیض ورودی ها رو به عنوان ورودی میدیم به یک گیت NAND . در واقع به این شکل :

5-OR Logic using NAND

حالا نتیجه به این شکل هست که «درصورتی که حداقل یکی از ورودی ها درست باشه، نتیجه درست میشه». و این منطق، منطق OR هست. در واقع گیت OR رو هم با NAND پیاده سازی کردیم.

یک مدار دیگه هم میمونه که نوع خیلی خاصی از OR هست. در واقع به این شکله :

6-XOR Logic using NAND

توی این گیت جدید، ما در واقع وقتی به نتیجه درست میرسیم، که تعداد «فرد» از ورودی ها (در اینجا یک، چون دو تا ورودی بیشتر نداریم) درست باشن. این منطق و این گیت رو «یای انحصاری» یا XOR میگن. اگر یک IC داشته باشیم که ۵ تا گیت NAND داخلش باشه، میتونیم ازش یک XOR بسازیم.

همه ما میدونیم که این گیت ها خودشون نماد انحصاری دارن و وقتی قراره چیزی با استفاده ازشون طراحی کنیم، بهتره (و باید!) از نمادهای خودشون استفاده کنیم، ولی یکی از دلایلی که این مطلب رو نوشتم این بود که میخواستم شما رو با ساختار درونی گیت ها آشنا کنم، همچنین میخواستم بررسی کنم که با استفاده از IC هایی که گیت NAND داخلشون هست، چطور میشه به سایر گیت ها رسید.

سال نو مبارک، موفق باشید 🙂

Share

کتاب جدید اوبونتو برای تازه واردها

خب، خیلی از خوانندگان این وبلاگ میدونن اوبونتو چیه و چی کار میکنه. اوبونتو در کل سیستم عامل ساده ای هست، ولی همین سادگی باعث میشه که خیلی ویژگی های این سیستم عامل قدرتمند، به چشم نیاد. بچه های وبسایت آزاد راه که یکی از بهترین منابع لینوکسی و در کل اوپن سورس فارسی هم محسوب میشه، کتابی تحت عنوان «اوبونتو برای تازه واردها» منتشر کردند. این کتاب الکترونیکی هست و به صورت PDF قابل دریافت و خواندن هست. همچنین به گفته وبسایت خود کتاب، نسخه ePub هم در حال انتشار هست (یک امتیاز مثبت برای ساسان، نوا و احمد، چرا که ePub به خوبی با اکثر دستگاه های هندست، مثل اکثر گوشی های موبایل و تبلت ها سازگار هست).

خب، من این کتاب رو دانلود کردم و فهرستش رو خوندم، هنوز خودش رو نخوندم (یه بار یه کتاب فروش به من گفت که کتاب خوب از فهرستش مشخص میشه). در این کتاب همه چیز به خوبی آموزش داده شده (با توجه به فهرستش + کتاب اوبونتو ۱۲.۰۴) پس مشکلی برای تازه کار ها نخواهد بود.

برای این که این کتاب رو به اشتراک بگذارید این پست آزاد راه رو میتونید جاهای مختلف به اشتراک بگذارید. البته، این هم وبسایت خود کتاب هست و میتونید کتاب رو دانلود کنید و لینک دانلودش رو هم به بقیه بدید :).

 

Share