ساخت یک کامپیوتر ساده در Logisim – قسمت دوم (مجموعه دستور العمل ها)

در قسمت قبلی، چالش رو مطرح کردیم که کامپیوتر هشت بیتی خودمون رو بسازیم. ببینیم چه مداراتی نیاز داریم؟!

خب ما دو ورودی هشت بیتی A و B رو خواهیم داشت، پس به این موارد نیاز داریم :

  1. مداری برای NOT کردن ورودی A
  2. مداری برای NOT کردن ورودی B
  3. مداری برای AND کردن هر دو ورودی
  4. مداری برای OR کردن هر دو ورودی
  5. مداری برای جمع کردن دو ورودی
  6. مداری برای تفریق دو ورودی

خب، چون ما از یک قطعه به اسم «دیکدر» برای انتخاب دستورات استفاده میکنیم، و دیکدرها هم یک ورودی با سایز n میگیرن، و خروجی اونها «دو به توان n» هست، و ما اینجا «مجموعه دستور العمل» یا Instruction Set مون دارای ۶ دستور هست، بهینه ترین حالت استفاده از یک دیکدر ۳ به ۸ هست. خب، با این حساب، باید کد عملیات ها یا Operation Code ها رو به این شکل تعریف کنیم :

Operation Code
NOT A 000
NOT B 001
AND A, B 010
OR A, B 011
ADD A , B 100
SUB A, B 101

خب الان ما میدونیم که کامپیوتر محترم باید چه دستوراتی رو اچرا کنه. در واقع، وقتی میگیم ۰ ، کامپیوتر اون رو به دیکدر میده و میفهمه که باید نقیض A رو بهمون بده. وقتی ۱ رو فراخوانی میکنیم، باید نقیض B بهمون داده شه، وقتی میگیم ۵ در واقع مقدار B رو از A کم میکنیم و … . با توجه به این که الان، ما یک دیکدر ۳ به ۸ در مدار «واحد محاسبه و منطق» داریم، میتونیم ۴ دستور العمل دیگه هم بهش اضافه کنیم (با شما 🙂 ). در قسمت بعدی این آموزش، میرسیم به این که ورودی ها و خروجی ها رو چطوری مدیریت کنیم. بعدش هم در مورد ساختار کلی ALU صحبت میشه و بعد از چند پست دیگه، یک ALU کامل با هم خواهیم داشت. پس فعلا در مورد بلاهایی که سر ۸ بیت ورودی میشه آورد فکر کنید و شاد باشید 🙂

Share

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

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

ساخت یک کامپیوتر ۴ بیتی ساده با استفاده از مدارات منطقی

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.half-adder2

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 :

full adderخب، 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 :

Slide11همونطور 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 :

4-bit computer simulation

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.

Share

دانلود جزوه سیستم اعداد به فرمت PDF

با سلام.

اون دسته از دانشجویان رشته کامپیوتر (چه نرم افزار و چه سخت افزار) که نیاز دارند تا سیستم اعداد رو بهتر یاد بگیرند، میتونن این جزوه رو مطالعه کنند. این جزوه رو خودم چندین بار بررسی کردم و همه چیزش خوب و به جاس، و حجمش هم کمه و برای مطالعه سریع میشه ازش استفاده کرد.

دانلود جزوه

Share