چگونه در سطح سخت افزار، عدد تصادفی تولید کنیم؟

تولید عدد تصادفی، یکی از کارهاییه که در برنامه نویسی بسیار نیازش داریم. برای چه منظورهایی؟ برای مثال فرض کنید میخواهیم یک شبکه عصبی طراحی کنیم و وزن‌های ما باید تصادفی باشن. به همین خاطر، ما از عدد های تصادفی برای تولید وزن استفاده میکنیم. در سطح نرم افزار، تولید عدد تصادفی بسیار آسونه. مثلا در پایتون ما میتونیم به این شکل عدد تصادفی تولید کنیم (راهی غیر از numpy هم هست، ولی من اکثرا از این روش استفاده میکنم) :

from numpy import random 

random.seed(1) 

print(random.random((1, 1)))

ولی در سطح سخت‌افزار، کار کمی پیچیده تر میشه. در اینجا قصد دارم یک مدار ساده بسازم که دقیقا چنین کاری رو انجام میده. البته به این مدار گفته میشه Pseudo Random Number Generator چون نتایج، تصادفی تصادفی هم نیستند ولی برای کارهایی که به عدد تصادفی نیاز داره، خوبن.

خب، طراحی مدار ما به شکل زیره :

ما اومدیم چهار فلیپ فلاپ D رو به هم متصل کردیم. سپس، دو بیت کم ارزش در اتصال این زنجیره را با یک XNOR با هم مقایسه کردیم و یک پالس ساعت هم به مدار وارد کردیم.

وقتی که دو بیت کم ارزش صفر باشن، خروجی XNOR ما یک میشه. یعنی Q در فلیپ فلاپ پر ارزش (سمت چپ ترین)، برابر با یک خواهد شد. در پالس بعدی این اتفاق برای فلیپ فلاپ بعدی میفته، این اتفاق تا جایی میفته که نتیجه مقایسه، صفر میشه و فلیپ فلاپ پر ارزش مقدارش تغییر میکنه، به این شکل، دقیقا ترتیب اعدادی که در این Ring Counter داریم به هم میریزه و اعداد «شبه‌تصادفی» تولید میشن.

این هم از شبیه‌سازی این مدار :

همونطور که در ویدئو مشخصه، داره به صورت رندم عددهای چهاربیتی تولید میکنه.

امیدوارم که این مطلب مفید واقع شده باشه. همچنین اگر با ویدئوی شبیه‌سازی مشکلی دارید و یا لود نمیشه، میتونید از این لینک دانلودش کنید.

Share

راهنمای یک صفحه‌ای برای علاقمندان به رشته کامپیوتر

مدتهاست که با دوستان مختلف، روی نوشتن مطالبی پیرامون رشته مهندسی کامپیوتر بحث می‌کنیم. این بحثها شامل ایرادات روتین بچه‌های مهندسی کامپیوتر تا کار کردن روی یک پروژه نه چندان بزرگ (ولی پرچالش!) میشه. از اونجایی که تازه هم کنکور گذشته و بچه ها کمی آزاد شدن، ولی ممکنه برای انتخاب رشته دچار تردید بشن؛ وقت خوبی بود که مطالبی در مورد ماهیت این رشته نوشته بشه. مطالبی که مینویسم، حاصل مطالعاتیه که در این چند سال داشتم. سعی میکنم کمی تاریخ تعریف کنم، کمی از علوم کامپیوتر بگم و در نهایت هم کمی از چیستی و ماهیت خود خود کامپیوتر (نه رشته).

کمی تاریخ

باید ببینیم کامپیوترها از کجا اومدن و چه اشخاصی در شکل گیری اونها، نقش داشتن. این کمی سخته که دقیقا بخوایم بگیم از کجا اومدن. انسان، از وقتی هوشمند شد و ابزار ساخت به دنبال ابزار کاملی برای حل مساله بود، پس همیشه هم تلاشش در این راستا بوده که این ابزار رو بسازه. در طول تاریخ هم، علوم و فنون مختلف به کمکش اومدن تا این ابزار رو کامل تر کنه. بذارید تعدادی از این علوم رو با هم بررسی کنیم.

فلسفه و ریاضیات

فلاسفه و ریاضی دانان، افرادی بودن که به دنبال پاسخ بودن. البته فلاسفه، پرسشگران قهارتری هم بودن و گاهی، سوالاتی مطرح کردند و ریاضیدانان، اون سوالات رو پاسخ دادن. حالا با توجه به این که کامپیوتر یک «ابزار حل مساله‌»س، میشه گفت هر دو گروه به شدت درش دخیل بودن.گاهی هم فلاسفه‌ای که روی علوم کامپیوتر تاثیر داشتند، ریاضی دان هم بودن. نمونه‌ش هم «محمد بن موسی خوارزمی» دانشمند پارسی‌گو.

خوارزمی، شاید اولین کسی بود که «تفکر رایانش» رو ابداع کرد. در کتاب معروفی به نام «جبر و مقابله» به حل معادلات جبری پرداخته و راه حل هاش، عموما مرحله مرحله و شفافن. به همین خاطر هم وقتی این روش حل مساله به اروپا میرسه، اروپایی ها بخاطر «الخوارزمی» (اسم ایشون) ، که در لاتین «الگوریتمی» گفته می‌شده، روش حل مساله رو «الگوریتم» اسم گذاشتند. چیزی که هنوز که هنوزه، داره استفاده میشه.

البته، کار خوارزمی نظام بخشیدن و سازمان دادن به علوم و فنونی بوده که در زمان خودش، مطرح می‌شده. در واقع، از کشف صفر توسط هندی ها تا قضایای که امثال تالس و فیثاغورث پایه گذاشتن، همه در نوشته شدن «جبر و مقابله» و ایجاد تفکر سیستماتیک برای حل مساله، دخیل بودن.

منطق

گرچه بهتر بود این یک مورد رو، قبل از فلسفه و ریاضیات میاوردم، ولی به نظر من منطق حاصل برخورد فلسفه و ریاضیه. گرچه خیلی قبل تر از خوارزمی منطق مطرح شده بود، اما دورانی هم که ماحصل کارش یعنی «جبر و مقابله» به اروپا رسید، ابتدای راه استفاده از منطق در بیان و حل مسائل بودند. پس سعی کردند با استفاده از منطق و جبر، بسیاری از مسائل رو حل کنند. منطقی که در اینجا قراره درموردش صحبت کنم همون منطق «ارسطو» است، منطقی که شاید امروزه پایه و اساس همه کامپیوترهاست.

منطقی که ارسطو بنیان گذاشته، یک منطق صفر و یکی به حساب میاد. بذارید اینطوری بگم؛ با منطق ارسطویی میشه اینطور گفت :

علی از احمد قدبلندتره. احمد از حسن قد بلند تر. پس علی از حسن هم قدبلندتره

و در این مورد، منطق ارسطویی کاملا کار میکنه. مثلا ریاضیاتیش میشه :

اگر x آنگاه y ، اگر y آنگاه p -> اگر x آنگاه p

و این بیان رو ما اصولا در نوعی از ریاضیات به نام «ریاضیات گسسته» یاد می‌گیریم. چیزی که پایه و اساس علوم و مهندسی کامپیوتر امروزیه. اما، این فقط کافی نیست؛ منطق در یک محیط خاص کار میکنه که ما اعدادی جز صفر و یک نداریم! پس نیاز به نوعی از محاسبه و جبر داریم که برای فقط صفر و یک، کار کنه و کافی باشه. چیزی به اسم «جبر بول»

آقایی که در تصویر می‌بینید، جورج بول، ریاضی‌دان و فیلسوف انگلیسیه که با پایه گذاری جبر صفر و یکی بر مبنای «صحیح و غلط» خودش، علوم کامپیوتر رو شدید تسریع کرد. در سده نوزدهم خیلی چیزا ساخته شدن و اکثرا هم، بر پایه همین «بودن یا نبودن» آقای بول کار میکردن. اما اشتباهاتی هم در این میان رخ داده که حالا بهش میرسیم!

وقتی همه چیز مکانیکی شد

 

محاسبه گرهای مکانیکی، تقریبا از زمانی که معاملات جزئی از زندگی بشر شدند وجود داشتن. مثل چرتکه که حاصل کار چینی ها بوده (روزگاری هم باقی دنیا از چینی ها کپی می‌کردن!) ، ولی محاسبه‌گرهایی مثل چرتکه، صرفا چهارعمل اصلی رو انجام میدادن و بعدها ریاضی‌دانها از اون وسیله برای محاسبه ریشه دوم و سوم اعداد هم سعی کردند استفاده کنن. ولی محاسبه گرهای پیچیده تری لازم بود!

آقایی که در تصویر می‌بینید «چارلز بابیج» یک ریاضی‌دان و مهندس انگلیسی بود. ایشون ایده «موتور تحلیلی» رو مطرح کرد که چیزی بود شبیه کامپیوترهای امروز. برنامه پذیر و قابلیت حل تعداد زیادی مساله در زمانی کم. اما، کار ایشون مشکلاتی داشت. ایشون سعی داشت همه چیز رو مکانیکی پیاده کنه و زمانی که این ایده رو مطرح کرد ماشین های مکانیکی هنوز اونقدر پیشرفته نبودن. و مشکل دوم رو بالاتر اشاره کردم، ایشون مدعی بوده که بدون جبر بول هم میتونه کامپیوتر رو پیاده کنه و کامپیوتری بسازه که با مبنای ده کار کنه (چیزی که هنوز هم نشده 🙂 ) .

اما ماشین های مکانیکی کم کم به سمت جبر بول و محاسبات آماری رفتن. یک بار دیگه این تصویر رو با هم ببینیم:

این تصویر، تصویری از یک ماشین «شرط بندی» است که در نیوزلند نصب شده بوده. عملکرد مکانیکی برای محاسبات آماری مربوط به شرط بندی روی مسابقه اسبها داشته.

اما مکانیک کافی نبود، لازم بود اما کافی نبود. پس به عصر «الکترومکانیک» باید سفری کوتاه داشته باشیم!

همه چیز از یک رله شروع شد

رله، قطعه الکتریکیه که میتونه مشابه یک کلید عمل کنه. در واقع اعمال ولتاژ به یک قسمتش، میتونه قطع و وصل شدن جریان الکتریکی در یک قسمت دیگر مدار رو تضمین و کنترل کنه (به این شکل ما مثلا میتونیم با استفاده از اینترنت، یک لامپ رو خاموش روشن کنیم!). در اون زمان، به فکر یه مهندس خوش ذوق آلمانی به اسم «کانراد تسوزه» زد که جبر بول رو با رله پیاده کنه. تسوزه چند تا پیاده سازی داشت ولی معروفترینشون این بود :

کامپیوتر Z4 آلمانی که در دهه ۳۰ ساخته شد و خیلی هم به کمک ارتش آلمان در جنگ دوم جهانی اومد. اما مطمئنا یک نابغه خوش ذوق دیگر در طرف انگلیسی وجود داره که بتونه از ساز و کار این ماشین، سردربیاره!

قبل از این که به اونطرف قضیه بپردازیم، این ماشین به شکل امروزی تونست برنامه اجرا کنه و زبان برنامه نویسی خاص خودش رو داشت. مجهز به سیستم ذخیره و بازیابی «پانچ کارد» بود و خیلی از مفاهیم امروزی رو در خودش داشت. اما هنوز نمیتونست «کامپیوتر» کاملی باشه چون خیلی مفاهیم رو نتونست پیاده سازی کنه، مهم تر از همه، شدیدا وابسته به عامل انسانی بود.

شروع بازی تقلید!

موقعی که کشورهای مختلف درگیر جنگ دوم بودن، اکثرا پیامهاشون رو رمزنگاری می‌کردن و شکستن رمزها، واقعا یک نابغه می‌طلبید. یک نابغه خوش ذوق که بتونه قهرمان جنگی باشه و رمز آلمانها رو بشکنه و متفقین رو، پیروز میدان کنه!

آقایی که در تصویر می‌بینید «آلن تورینگ» انگلیسی، این کار رو کرد. رمز آلمانیها موسوم به «انیگما» رو شکست و به این ترتیب قهرمان جنگی شد. اما کارش به همینجا ختم نشد و در دهه ۵۰ میلادی ایده «تفکر در رایانه» و «هوش مصنوعی» رو مطرح کرد که تا امروز هم مطالعه روی این موضوعات، ادامه داره. این شخص به معنای واقعی، نابغه و خوش ذوق بوده.

ترانزیستور و عصر سیلیکون

خب، این هم از فصل آخر تاریخ کامپیوتر. در اواخر دهه ۴۰ ، کامپیوترها یک دفعه رشد کردند. کشف ترانزیستور باعث شد مدارات الکتریکی و الکترونیکی مورد نیاز برای ساخت کامپیوتر بتونن روی یک سطح چند سانتی متری از سیلیکون خلاصه بشن. قطعاتی با کاربرد بالاتر ساخته بشن. عصر سیلیکون مصادف بود با حضور امثال دنیس ریچی و کن تامپسون و مفاهیمی مثل «سیستم عامل» (توضیح این بخش از تاریخ خودش یک پست جدا میطلبه پس شاکی نباشید از من لطفا!) مطرح بشن و رشد نرم افزاری در این حد، باعث شد که اصلا سرعت رشد یک شکل دیگری به خودش بگیره!

کامپیوتر چیست؟ کامپیوتر کیست؟

شاید باورتون نشه ولی قبل از ظهور ماشین های محاسبه گر، کامپیوتر یک عنوان شغلی بوده برای کسانی که محاسبات پیچیده رو انجام میدادن (و طوری که در موردشون مطالعه کردم، ظاهرا حق پرسش در مورد این که این محاسبه رو چرا دارن انجام میدن نداشتن) و بخش جالبتر این بوده که عموما «کامپیوتر»ها رو در سازمانها، خانمها تشکیل میدادن (البته اولین برنامه نویس جهان هم یک خانم به اسم ایدا لاولس بوده که در تصویر زیر می‌بیندشون).

البته، اونقدری نمی‌گذره که «علوم کامپیوتر» مطرح میشه. بعنوان علم مطالعه و پردازش داده. و این پدیده، همزمان بوده با پدیدار شدن کامپیوترهای به معنای امروزی. پس بیشتر اپراتور و برنامه نویس تربیت می‌کردند.

در تصویر بالا هم، عکسی از اپراتورهای کامپیوتر انیاک (در امریکا) رو می‌بینید که هم باید به نرم افزار مسلط می‌بودن و هم سخت افزارش.

اما به طور کل، کامپیوتر امروزه چی تعریف میشه؟ کامپیوتر یعنی وسیله‌ای برای پردازش داده و استفاده از اون داده در علم. ما داده های مختلفی داریم که کامپیوتر میتونه برای ما پردازشش کنه و نتیجه اون پردازش رو در هر شکلی به ما بده (یک نمودار، روشن و خاموش شدن یک دستگاه خاص یا حتی یادگیری و تکرار یک عمل از روی همون داده ها). پس، تا اینجا هم تا حد زیادی تاریخ کامپیوتر رو تونستیم بفهمیم، هم تعریفش رو. شاید براتون جالب باشه که اصلا کامپیوتر ها چطوری هم ساخته میشن!

کامپیوتر چطور داده رو پردازش میکنه؟

برگردیم به همون جبر بول. ما یه سری وسیله (یا بهتر بگم نمایش الکترونیکی!) از عملیات بولی داریم که بهشون میگن «دروازه منطقی» یا همون گیت. گیتها به این شکل هستند :

هر کدوم از اینها میتونن یکی از توابع بولین رو پیاده کنن. حالا، ما اگر اینها رو کنار هم بچینیم میتونیم بخش بزرگی از محاسبات رو به سادگی انجام بدیم. مثلا این مداری که من ساختم رو ببینید :

این مداریه که یک عدد BCD (که نوعی رمزگذاری در کامپیوتره) رو دریافت میکنه، به صورت دهدهی (دسیمال، مبنای ده) در خروجی قرار میده. حالا ما میتونیم اونطرف با یک Encoder این مقادیر رو دوباره به BCD یا هر فرمت دیگری تبدیل کنیم. در واقع کاری که ما انجام دادیم همون پردازش داده‌س. حالا هر قسمتی رو میشه یک بلاک در نظر گرفت و کنار هم قرار داد تا به چنین چیزی رسید :

مداری که در بالا طراحی کردم، یک واحد محاسبه و منطق برای یک کامپیوتر هشت بیتی بود (لینک) و این واحد، همونجاییه که داده پردازش میشه. البته واحد کنترل و حافظه هم در کامپیوتر داریم که برای کنترل پروسه پردازش و ذخیره داده پردازش شده ازشون استفاده می‌کنیم!

خب، فکر کنم به اندازه کافی اون چیزایی که میخواستم رو پوشش دادم، امیدوارم اگر قصد کامپیوتر خوندن دارید، شیرینی و زیبایی این رشته رو قبل از ورود به دانشگاه درک کنید و وقتی واردش می‌شید، لذت ببرید 🙂

Share

نصب و راه اندازی KTechLab برای پروژه های الکترونیک

پروژه های الکترونیک، مثل طراحی مدار، مدارهای منطقی، الکترونیک دیجیتال و … ، همه معمولا توسط نرم افزار Proteus و در سیستم عامل ویندوز انجام میشن. پروتئوس نرم افزار کامل و جامعیه و همه چی هم داره. شما میتونید به سادگی یک پروژه میکروکنترلری در پروتئوس پیاده سازی و اجرا کنید و مطمئن باشید نتیجه‌ای که میگیرید، تا حد بسیار زیاد و قابل قبولی، شبیه نتیجه‌ایه که در پیاده‌سازی حقیقی از پروژه خواهید داشت.

اما مشکلی که اکثر کاربران لینوکس دارند، اینه که پروتئوس نسخه لینوکس نداره. اجرای اون روی واین هم زیاد چنگی به دل نمیزنه و گذشته از اون، همه هم سیستمی ندارند که ماشین مجازی رو تحمل و ساپورت کنه، پس نتیجتا اکثر افرادی که پروژه های الکترونیک انجام میدن، یک سیستم عامل ویندوز هم کنار لینوکسشون دارند. امروز تصمیم داشتم که یک پروژه‌ای رو آزمایش کنم و میخواستم ببینم که روی اوبونتو، چه ابزاری نصب دارم. طبق معمول به دنبال Logisim گشتم ولی فهمیدم که هنوز نسخه جدیدش رو دانلود نکردم. پس، گفتم بهتره سرچ کنم و به نتیجه مطلوب برسم.

در نتیجه جست و جو، به KTechLab رسیدم. گرچه اسمش برام آشنا بود ولی هیچوقت ازش استفاده نکرده بودم. گفتم که بهتره الان به دنبالش باشم و ازش کمی (حتی شده آزمایشی) استفاده کنم. شاید، نتیجه‌ای که خواستم رو گرفتم. خب، خوشبختانه این نرم افزار اون چیزایی که میخواستم رو داشت. این هم تصویری از محیطش :

و الان یک سوال پیش میاد :

چطور نصبش کنیم؟

من اسمش رو جست و جو کردم و به وبسایتش رسیدم (لینک) و بعد سورس کدش رو دانلود کردم. اما فهمیدم که برای نصبش نیاز به cmake دارم، پس اون رو نصب کردم :


کد   
sudo apt install cmake

و بعد از نصب این، کمی گشتم تا ببینم چه پیش‌نیازهایی داره، سپس اونا رو نصب کردم :


کد   
sudo apt install git kdelibs5-dev kdevplatform-dev qt4-dev-tools cmake libglib2.0-dev

بعد از نصب، فایل فشرده حاوی سورس کد رو از حالت فشرده درآوردم، درون پوشه سورس یک پوشه به اسم build ساختم و به ترتیب این سه دستور رو زدم :


کد   
cmake ..
make
sudo make install

و در آخر، دیدم که KTechLab به لیست نرم افزارهای نصب شده اضافه شده.

در آینده، در مورد این که این نرم افزار چطوره و کجاها به درد میخوره، بیشتر خواهم نوشت. امیدوارم این پست مفید واقع شده باشه، موفق باشید 🙂

Share

تجربه هایی از یک پروژه – StrongPC

پروژه های فان، که یک دفعه جدی میشن، همیشه هستند. بعضی وقتا ممکنه یک عده دانشجو بشینن دور هم و بگن خب ما میخوایم یک سیستم عامل بنویسیم و … ، نتیجه‌ش بشه سیستم عاملی که همه بهش یه طوری محتاجن! و خب از این دست پروژه ها در هر رشته و گرایشی در دنیا، کم نیستند. حالا من هم از این قاعده مستثناء نبودم در ایجاد این پروژه های فان و خب پروژه هایی هم بودند که جدی شدند و کمک های زیادی هم برای من بودند. یکی از این پروژه ها، پروژه StrongPC هست که البته اوایل به اسم LadyBug ایجاد شده بود.این پروژه خیلی خیلی آکادمیکه و خب، اولین قدم هاش هم کاملا فان برداشته شد. در این پست، تقریبا تجربیات مفید این پروژه رو میگم و همچنین مطرح میکنم که «چرا باید ادامه‌ش بدم».

اولین قدمها

همیشه اولین قدمها مهم ترین قدم ها در شکل گیری یک ایده یا پروژه هستند، چیزایی که باعث میشن شما بیش از پیش علاقمند به تحقیق و توسعه بشید و بیش از پیش؛ کار کنید. اولین قدم های پروژه هم از اینجا زده شد : طراحی یک کامپیوتر ساده. دوست عزیزی، کتابی با عنوان But How Do it know رو بهم داده بود که معماری کامپیوتر رو خیلی ساده توضیح میداد و چیزایی که من از کتاب یاد گرفتم، همه‌ش در این پروژه ساده پیاده شد. یادگیری معماری کامپیوتر با اون کتاب، نه تنها کمک کرد که این پروژه ساخته بشه، بلکه در درسهای مدار منطقی؛ معماری، ریزپردازنده، الکترونیک دیجیتال و حتی زبان ماشین هم کمک بسزایی به من کرد. در سال ۲۰۱۶ بود (طبق چیزی که از وبسایت StrongPC هم بر میاد ، ژوئن ۲۰۱۶) که پروژه StrongPC با اسم LadyBug استارت خورد و خب این اولین دیزاینی هست که برای پروژه انجام شده. و حتی دیزاین رو صفحه اول وبسایت هم قرار دادم :

 

و همونطور که می بینید، یک دیزاین ساده از یک پردازنده RISC هست. این ها اولین قدم ها بودن و خب همیشه خوشحالم که این قدم ها رو برداشتم. اما بعدش چه کردم؟

هدف پروژه

شاید هدفی مثل «تولید کامپیوتر» یا حتی تولید بخشی از اون، اون هم در ایران کمی دور از ذهن باشه. گرچه نشدنی نیست ولی خب کمی دورتر از چیزی هست که الان داریم. شاید خب این که یکی از ایده هایی که هزاران بار پیاده شدند رو برای بار ۱۰۰۱م پیاده کنیم، یک اپ آندروید بزنیم و روز دوم سقوط کنیم و بعد ۴ سال توی لینکدین بنویسیم «دارای سابقه ۶۲ استارتاپ شکست خورده» ، بسیار ساده تر باشه. اما بهرحال عقیده شخصی من اینه که «مطالعات و کارهای آکادمیک» همیشه نیازن. این ها نباشن، اون ها (استارتاپ ها و …) هم نیستند. هدف پروژه هم مطلقا چیزی مثل تولید CPU نیست چون مطمئنا بازار قوی ای مثل اینتل نخواهد داشت. ولی یک «معماری آزاد» میتونه داشته باشه که خب این خودش به خودی خود، قابل قبول و خوبه! و این «معماری آزاد» میتونه بیاد روی FPGA و … اجرا بشه. یه جورایی هدف پروژه این شد که بشه یک مرجع آکادمیک یا بهتر بگم «بستری برای یادگیری».

دستاورد پروژه؟

شاید بتونم بگم که این کتاب کوچک ، مهم ترین دستاورد پروژه بود! چرا که تقریبا هر مرحله ای که در این پروژه دنبال کرده بودم، در این کتاب مستند شده. در کتاب هم از ساده ترین بخش های مدار منطقی شروع میشه و تا شبیه سازی یک کامپیوتر کوچک پیش میره. به این شکل، میتونید بفهمید که واقعا در StrongPC چه چیزهایی رخ داده.

چرا باید ادامه پیدا کنه؟

دلیل ادامه پیدا کردن اینه که هرچی بیشتر برم جلو، بیشتر یاد میگیرم و میتونم بیشتر پیاده سازی کنم؛ به این شکل میشه گفت خیلی از مباحثی که در مهندسی سخت افزار مطرح شده رو به خوبی میتونم پوشش بدم و خب اگر بعدها کسی پرسید «چرا سخت افزار بخونم؟» جواب درستی براش داشته باشم. یا اگر کسی پرسید «سخت افزار چطور ساخته میشه؟» باز هم بتونم جواب درست و درمونی بهش بدم. امیدوارم که این پست، برای شما هم مفید واقع شده باشه!

Share

میکروکنترلرها، طراحی و پیاده سازی – ریلیز شد!

قریب به دو سال هست که دارم روی معماری کامپیوتر و پیاده سازی یک کامپیوتر ساده به شکل های مختلف، تحقیق میکنم. تابستان پارسال تصمیم گرفتم که تجربیاتم رو قدم به قدم مکتوب کنم و با دیگران به اشتراک بذارم. همینطور که مطالعه میکردم، شبیه سازی میکردم و به نتیجه ای می‌رسیدم، کم کم یادداشت میکردم و در زمان هایی که پیش می اومد، با یک قالب کلی و به زبان انگلیسی، به صورت سازمان یافته و دسته‌بندی شده درشون می‌آوردم.

سرفصل های کتاب :

فصل اول : میکروکنترل چیست؟
در این فصل کلیت یک میکروکنترلر و این که چه بخش هایی درونش به کار رفته، توضیح داده شده.

فصل دوم : چطور با کامپیوتر حرف بزنیم
در این بخش در مورد زبان های برنامه نویسی و مبناهای عددی و فضای ذخیره سازی دیتا صحبت شده.

فصل سوم : عملیات محاسباتی
در این فصل در مورد انجام عملیات ریاضی در مبنای دو صحبت شده.

فصل چهارم : عملیات منطقی
در این فصل در مورد جبر بول و نحوه انجام عملیات بولین صحبت شده.

فصل پنجم : مدارهای منطقی
اینجا، اومدیم و یه سری گیت های پایه رو بررسی کردیم. همینطور در مورد گیت های مادر صحبت کردیم.

فصل ششم : مدارهای ترکیبی
در این فصل، از ترکیب مدارهای فصل پنجم منطق های جدید ساختیم و چیزای جدید تر پیاده کردیم

فصل هفتم : نخستین کامپیوتر
در این فصل، هف اددر و فول اددر ساختیم، یه ماشین جمع ساده درست کردیم باهاش.

فصل هشتم : حافظه
اینجا رسیدیم به مدارهای ترتیبی و حافظه ای، در اینجا لچ S-R رو ساختیم، در مورد لچ Active High و Active Low توضیح دادیم.

فصل نهم : رجیستر فایل
اینجا چندین رجیستر رو چیدیم کنار هم و یک رجیستر فایل طراحی کردیم.

فصل دهم : معماری کامپیوتر
اینجا با کلیت معماری کامپیوتر و مفاهیم تئوری قضیه آشنا شدیم. چیزایی که لازمه برای یادگیری معماری بلد بود رو آوردیم اینجا.

فصل یازدهم : طراحی، ماشین جمع کننده پیشرفته
اینجا به کامپیوتر ساده فصل هفتم، که فقط جمع میکرد رجیستر و بلاک حافظه ای اضافه میکنیم.

فصل دوازدهم : کامپیوتر (تئوری)
در اینجا به صورت تئوری و روی کاغذ کامپیوتر اصل کاری طراحی شده. تصمیم گیری شده که چه کارهایی انجام بده و «سازمان کامپیوتر» در این نقطه مشخص شده.

فصل سیزدهم : واحد محاسبه و منطق
در این فصل، واحد محاسبه و منطقی برای کامپیوتر خودمون طراحی کردیم، و در مورد Instruction Code ها تصمیم گیری کردیم.

فصل چهاردهم : ساختار برنامه
اینجا برای برنامه پذیر شدن کامپیوتر خودمون تصمیم گیری کردیم و ساختار برنامه ها در زبان ماشین رو تعیین کردیم.

فصل پانزدهم : میکروکنترلر
اینجا بخش های لازم رو کنار هم چیدیم و در نهایت رسیدیم به یه میکروکنترلر فوق العاده ساده.

فصل شانزدهم : برنامه نویسی و سیستم عامل
در اینجا نگاه اجمالی داشتیم به نوشتن برنامه و سیستم عامل برای کامپیوتر خودمون.

فصل هفدهم : نیمه تاریک ماه
در این قسمت، وارد مباحث دیجیتالی و پیاده سازی فیزیکی کامپیوتر شدیم. چیزایی که برای دانشجوهای سخت افزار آشناس ولی نرم افزاری ها یکم در شناختش مشکل دارن. به همین خاطر هم اسمش شده این.

برای دانلود PDF هم میتونید از این لینک استفاده کنید.

Share

ساخت یک کلاک ساده با آی‌سی 555

وقتی که داشتم در مورد آی‌سی 555 و کاربردهاش تحقیق میکردم یک مثال ساده به چشمم خورد : چشمک زن با LED . خیلی از چشمک زن هایی که در اینترنت بودند رو تست کردم و ساختم و دیدم که کار بکن نیستن که نیستن! تا این که دیدم Ben Eater (کسی که یک کامپیوتر برد بوردی هشت بیتی ساخته) ، یک مدار Clock ساخته. یکی از کاربردهای Clock این هست که مدارهای ما رو در لحظات خاص فعال و در لحظات خاص غیرفعال میکنه. همچنین، مدارهایی داریم که میتونن چند تا کلاک رو هندل کنن و یا نیاز دارن دو تا کلاک داشته باشن که برعکس هم کار میکنن. کلاکی که بن ایتر طراحی کرده به قدر کافی خوب و مناسب هست، اما من یک فیچر (اگر بتونیم بهش بگیم فیچر 🤔) بهش اضافه کردم و محصول نهایی شد این :

timerهمانطوری که در شکل می بینید، خروجی کلاک درجای خودش به یک LED زرد متصل شده. و یک مدار ترانزیستوری هم بهش اضافه شده که حالا میخوایم بررسی کنیم اون چیه؟ اگر با NPN ها آشنا باشید میدونید که وقتی جریان در Base برقراره، امکان حرکت الکترونها از Collector به سمت Emitter هم فراهم میشه. یعنی در این مدار زمانی که خروجی ای که به اسم CLK مشخص شده، روشنه، جریان به راحتی از Collector میره به Emitter و اون LED قرمز که با CLK~ مشخص شده، خاموش میشه. زمانی که جریانی در Base ترانزیستور ما نیست، نتیجتا جلوی حرکت جریان از Collector به Emitter گرفته میشه و جریان به CLK~ میره. این به این معناست که زمانی که نیاز داریم کلاکمون برعکس بزنه، میتونیم از اون خروجی مدار استفاده کنیم! حالا یک سوال هست، و اون هم اینه که …

555 چطور کار میکنه؟

اگر دیتا شیت این آی سی رو بخونید، می بینید که پایه های VCC و GND اون با سه تا مقاومت پنج کیلو اهمی به هم وصل شدن، به همین خاطره که به این آی‌سی 555 گفته میشه. داخل آی‌سی، دوتا مقایسه گر و یک فلیپ فلاپ هست. در واقع زمانی که ما داریم از این آی‌سی کار میکشیم، مقادیر اون فلیپ فلاپی که درون آی‌سی تعبیه شده رو دستکاری میکنیم. برای اطلاعات بیشتر در مورد فلیپ فلاپ توصیه میکنم که دیتاشیت این تراشه رو مطالعه کنید.

در نهایت هم یک فیلم کوتاه از مداری که من ساختم ببینیم :

timer

حجم تصویر متحرک یکم بالاس به بزرگی خودتون ببخشید 😅 یک نکته هم توجه کنید زمانی که مدار رو بستم رنگ LED ها برعکس تصویر شماتیک بود، در شماتیک LED زرد به خروجی کلاک و LED قرمز به خروجی نقیض کلاک وصل شده.

Share

پیشنهادهای شما برای پیاده سازی یک ایده سخت افزاری

با سلام. خیلی وقت بود وبلاگ نویسی نکرده بودم و حالا پس از مدتها اومدم که بنویسم! شاید بگید الان که فرجه امتحانات هست و بهتره برم به زندگیم برسم، ولی خب توی همین فرجه هم وقت آزاد فراوان هست.

بگذریم، جادی چند وقت پیش در مورد ایده ای که بشه ازش استارتاپ ساخت صحبت کرد. البته ایده و همچنین پیاده سازی که بعد ها به کار گرفت یا همون استارتاپ بستون، کاملا نرم افزاری و بر پایه وب پیش رفت. حالا چرا من اینجا دارم این مطلب رو مینویسم؟

توی پست های جادی چند مساله جالب به چشم میخوره، اولیش اینه «چی نداریم؟! آیا وسیله ای هست اون کار رو انجام بده؟ اگر نیست، خودم میسازمش». و دومین نکته هم «پیاده سازی ایده و تبدیل کردنش به استارتاپ و حتی تا حدی به پول رسوندنش، اونقدر ها هم که فکر میکنیم سخت نیست». و حتی شاید سومیش این باشه که «معطل نکن، شروع کن به پیاده سازی». خب، حالا بیایم ببینم که من میخوام چی کار کنم؟ جادی به من ایده داد که ایده جمع کنم برای یک محصول سخت افزاری! اما محصولی که بشه به در یک مدت زمان نه چندان کوتاهی پیاده سازیش کرد و بعد ازش به پول رسید (بر خلاف StrongPC که بیشتر فاز تحقیقی داره).

ایده هایی که در ذهن خودم هستن اینان :

  • پیاده سازی یه دستگاه ساده با استفاده از میکروکنترلرهایی که توی بازار موجودند، و روبرو شدن با چالش هایی مثل مطالعه معماری، برنامه نویسی برای ریزپردازنده، طراحی مدارهای واسط و … .
  • پیاده سازی یه دستگاه ساده با استفاده از آردوینو و ماژول هاش
  • پیاده سازی یک دستگاه ساده IoT طور با استفاده از Cubieboard یا رزبری
  • و …

حالا از شماها که این پست رو میخونید، میخوام در این باره کمک بدید. اول این که «دستگاه ساده» چی میتونه باشه (مثلا ساعت؟! تقویم رومیزی؟ سیستم اطفاء حریق و …) و دوم این که با چی و چطوری پیاده سازی بشه. بعد از این که ایده مشخص بشه، مرحله مرحله پیاده سازیش در همین وبلاگ، گزارش میشه.

Share

دوستی با محصول جدید اتودسک

اکثرا میدونیم که شبیه سازی و استفاده از بردهای آردوینو و AVR و … ، برای کاربران لینوکس خیلی مشکله. حتی شبیه سازی ساده مدارهای الکتریکی و الکترونیکی هم مشکلیه که اکثرا کاربران لینوکس باهاش روبرو هستند. اما امروز، میخوام ابزاری رو معرفی کنم، که هم رایگانه و هم تحت وب. به شما امکان کد زدن روی آردوینو و تست کردن مدارهای مجتمع، ساختن مدارهای دیجیتال و آنالوگ رو میده.

شرکت اتودسک که پیش تر با محصولاتی مثل اتوکد و مایا شناخته شده بود، الان اومده محصولی به اسم 123D Circuits رو ارائه کرده که با ساختن یک اکانت و عضویت درش، میتونید به راحتی آزمایشات الکترونیکی خودتون رو انجام بدید.

این هم نمونه مداری که بستم، یک آی سی 7408 هست که داره دو ورودی رو با هم AND میکنه :

کافیه روی start simulation کلیک کنید و بعد با کلید ها بازی کنید تا تغییرات توی ولت متر و LED قرمز رنگ روی برد بورد رو شاهد باشید.

Share

بررسی معماری MIPS

خب، همونطور که داریم سلسله آموزش های ساخت کامپیوتر ساده در Logisim رو دنبال میکنیم، گفتم این وسط یه توضیحی هم در مورد معماری MIPS داشته باشیم. در واقع MIPS یکی از ساده ترین و کم دستور ترین معماری های ممکنه، و البته پیاده سازی دوبارش در نرم افزارهایی مثل Logisim بسیار ساده. میشه.

این یک ALU بسیار ساده بر اساس میپس هست (که البته یک بیتی پیاده شده) :

MIPS

در اینجا، برای تفریق مدار جداگانه ای در نظر نگرفته، بلکه مقدار B رو با یک، XOR کرده (هوشمندانه به نظر میرسه، نه؟) و از less هم برای مقایسه، از یک مالتی پلکسر ۸ به ۱ هم برای انتخاب عملیات استفاده شده (به جای استفاده از دیکدر و گیت های AND )، در کل میشه یک ساختار خیلی قشنگ براش قائل شد، البته بهتر از این هم میشد الگوریتم هایی مثل تفریق رو هم پیاده کرد (مثلا با استفاده از یه mux میشد انتخاب کرد که خود B نیازه یا نقیضش؟ و البته نیاز بود که cin هم حتما روشن شه که مکمل ۲ گرفته شه).

زبان ماشین این ALU هم خیلی سادس، به ازای مقدار ۰ ، عملیات AND ، به ازای ۱ عملیات OR ، به ازای ۲ عملیات XOR ، به ازای ۳ عملیات NOR ، به ازای ۴ عملیات ADD و به ازای ۵ عملیات مقایسه رو انجام میده (البته برای مقایسه هم میشه از XNOR استفاده کرد و تساوی رو سنجید).

امیدوارم که این مطلب به دردتون خورده باشه، همچنین میتونید این معماری رو پیاده کنید و نتیجش رو حتی روی برد بُرد بیارید 🙂 .

موفق باشید.

Share

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