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.

FacebookTwitterGoogle+Share

پروژه گاه‌شمار

خب، من در گروه های تلگرامی این پیام رو میذاشتم :

دوستی مدتی پیش (که خیلی هم ازش نگذشته ) یک چالش رو بعنوان تمرین برنامه نویسی پیشنهاد داد، و اون هم نوشتن یک API بود برای دریافت ساعت و تاریخ.
من هم وارد این چالش شدم و یک API با روبی و سیناترا نوشتم، روی گیتهاب هم قرارش دادم ولی الان دپلویش کردم که اگر شما هم خواستید بتونید ازش استفاده کنید :
https://gahshomar-api.herokuapp.com/

خب، این هم پروژه ای بود که محسن بعنوان تمرین خواست که ما یه API بنویسیم، من هم این رو با Sinatra نوشتم و الان دپلوی شده و در دسترسه! امیدوارم ازش لذت ببرید :)

FacebookTwitterGoogle+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.

FacebookTwitterGoogle+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 :)

FacebookTwitterGoogle+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 :)

FacebookTwitterGoogle+Share

نوشتن اسمبلی ۳۲ بیت

در گذشته، پست هایی که در مورد اسمبلی قرار دادم، همه در مورد اسمبلی ۱۶ بیت بودن اما حالا میخوایم بریم سراغ اسمبلی ۳۲ بیت. خب فرق ۱۶ با ۳۲ بیت در چیه؟!

اولین نکته، سایز ثبات هاست! در ۱۶ بیت در هر ثبات میتونستیم حداکثر یک مقدار ۴ رقمی هگزادسیمال ذخیره کنیم ولی در ۳۲ بیت این مقدار به ۸ رقم میرسه! حالا خیلی مسائل دیگه مثل دیتاباس و کنترل باس و … که بماند (چون اینجا داریم برنامه نویسی میکنیم و بیشتر با ثبات ها کار داریم).

اینجا، قضیه یه فرقای کوچولویی داره، مثلا اسمبلر nasm قراره استفاده بشه (گرچه قبلا در ساخت اون سیستم عامل کوچک ازش استفاده کردیم) و همچنین وقفه ها و system call هایی که استفاده میکنیم شماره و مقدارشون و مکانشون متفاوته.

بیاید این برنامه رو در نظر بگیریم :

کد   
section .text
	global_start
 
_start:
	mov edx, len
	mov ecx, msg
	mov eax, 0x04
	int 0x80
 
	mov eax, 0x01
	int 0x80
 
section .data
	msg db 'Hello, World!', 0xa
	len equ $ - msg

 

خب در بخش اول، تابعی که نیاز داریم فراخوانی کنیم رو تعریف کردیم. بعدش اومدیم start رو نوشتیم. حالا بیاید این بخش رو بررسی کنیم :

کد   
mov edx, len
mov ecx, msg
mov eax, 0x04
int 0x80

اینجا، مقدار طول رشته ای که خواستیم چاپ کنیم رو توی EDX یا رجیستر داده قرار دادیم. بعدش اومدیم پیامی که میخوایم چاپ بشه رو قرار دادیم درو نECX .

بعدش سیستم کال ۴ یا sys_write رو توی eax قرار دادیم و وقفه ۸۰ رو صدا زدیم. حالا وقفه ۸۰ با مقدار ۴ که توی eax ذخیره شده، میگرده دنبال رشته ای که توی ecx هست و بعدش چاپش میکنه.

حالا بخش دوم کد سگمنت رو بررسی میکنیم :

کد   
mov eax, 0x01
int 0x80

اینجا هم مقدار ۰۱ یا sys_exit رو وارد eax کردیم، تا برنامه پس از اجرا، خارج شه. بعد از این هم باز وقفه ۸۰ رو صدا زدیم.

بخش دیتا هم، مثل همه برنامه های قبلی، تمام داده های مورد نیاز رو با Directive ها تعریف کردیم که بتونیم به راحتی توی کد سگمنت ازشون استفاده کنیم و چون قبلا توضیح داده شده، دیگه دوباره کاری نمی کنم. فقط این پست رو نوشتم تا فرقهای اسمبلی ۳۲ و ۱۶ بیت رو ببینیم. که درآینده بسطش خواهم داد به ۶۴ بیت.

امیدوارم که این پست، بدردتون خورده باشه.

موفق و موید باشید!

FacebookTwitterGoogle+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.

FacebookTwitterGoogle+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! :)

FacebookTwitterGoogle+Share

دیدار با 8086 + کد روشن و خاموش کردن LED

نرم افزارهای زیادی برای کار با مدارات، تراشه ها و سایر دیوایس های الکترونیکی ساخته شده، ولی دو روزی هست که با Proteus دارم کار میکنم و میتونم بگم در این زمینه، از بهترین هاست. یکی از خوبی هاش داشتن تراشه های متعدد، با قابلیت اجرای برنامست. یکی از معروف ترین ریزپردازنده هایی که در این نرم افزار به کار رفته، پردازنده 8086 از اینتل هست. من این رو با این پردازنده ساختم (البته اصلا و ابدا مطمئن نیستم که مدارم درست باشه! ولی خود برنامه ایرادی ازش نگرفت) :

8086led

 

خب این مدار قراره چه کنه؟! قراره به کمک 8086 و یک مدار مجتمع 8255 ، چند تا LED رو به ترتیب خاموش و روشن کنه. یکی از ویژگی های پرتئوس اینه که تراشه هایی که داخلش هستند، همه برنامه پذیرند. البته شما باید برنامه هاتون رو بنویسید بعد اسمبل (یا کامپایل، بسته به نوع برنامه) کنید و بعد فایل اجراییتون رو به خورد تراشه بدید. بسیار خوب، برنامه ای که برای روشن و خاموش کردن LED نوشتم اینه :

کد   
.MODEL SMALL
.8086
.STACK
.CODE
MOV AL, 80
MOV DX, 0FF36h
OUT DX, AL
BEGIN: MOV AL,00
MOV DX, 0FF30h
OUT DX, AL 
CALL DELAY
MOV AL, 0FFh
OUT DX, AL 
CALL DELAY 
JMP BEGIN 
DELAY: MOV CX, 0FFFFh
P0 : DEC CX 
JNE P0 
RET
.DATA
END

خب، این برنامه رو باید با masm32 اسمبل کنید، که مراحلش به این شکله (مراحل اسمبل و لینک کردن در سیستم عامل ویندوز اینطوره، برای لینوکس هم سعی میکنم راه حلش رو پیدا کنم) :

کد   
ml /c /Zi /Zd LED.asm
link16 /CODEVIEW LED.obj,LED.exe,,, nul.def

دقت کنید که کد ها باید پشت سر هم وارد شن، همچنین ، بعد از این عملیات، چنانچه OpCode ها رو بخواید بخونید، میتونید از فایل LST تولید شده توسط اسمبلرتون استفاده کنید، که من اینجا OpCode رو میذارم (حواستون باشه این فقط برای کد سگمنت هست) :

OpCode

این هم از آپکد های این برنامه.

حواستون باشه مداری که کشیده شده ممکنه درست نباشه، در صورتی که برنامه درست اجرا میشه (برنامه تست شده و از این بابت مطمئنم).

امیدوارم شما هم با 8086 لحظات شادی رو تجربه کنید، درسته که یه پردازشگر قدیمیه، ولی کار باهاش شدیدا فانه!

موفق باشید :)

FacebookTwitterGoogle+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.

FacebookTwitterGoogle+Share