Prehľad 8-bitového počítača na Breadboarde: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Mojím cieľom pre tento projekt bolo vybudovať lepšie porozumenie počítačovej architektúre, hardvérovému dizajnu a jazykom na úrovni zostavy. Ako junior na univerzite študujúcej počítačové inžinierstvo som nedávno absolvoval kurzy elektroniky, laboratória, ktoré ma predstavili v jazyku montáže a hardvérovej architektúre. Keď som dostal úvod k týmto témam, chcel som lepšie porozumieť jemnejším detailom vo všetkých troch kurzoch a ako sa lepšie naučiť, ako pracovať na projekte?

Mojím pôvodným zámerom bolo úplne zostaviť tento 8-bitový počítač pomocou prednáškových videí poskytovaných na kanáli YouTube Bena Eatera, ktoré robia fantastickú prácu pri rozklade procesu návrhu na solídny mix materiálu, ktorý som pokryl, a aspektov, ktoré som ešte len čakal. učiť sa. Vzhľadom na to, že som už mal základné znalosti o kombinatorickom dizajne a základnej logike elektroniky, chcel som sa vyzvať tým, že sa pokúsim navrhnúť a zostaviť časti počítača podľa prehľadov návrhu, ale bez toho, aby som sledoval návod na stavbu. V priebehu projektu som mal za cieľ naučiť sa viac porozumieť a zdokonaliť svoje chápanie, než len stavať niečo nové, takže v každom kroku projektu som si prečítal malé články a fóra online o architektúre komponentov a o základných zásadách použitých pre každý z nich. z nich.

Krok 1: Výskum na ceste

Tento projekt ma skutočne prinútil prečítať si oveľa viac, ako som očakával. Jedným z mojich hlavných prístupov ku každému komponentu bolo prečítať si prehľad z online fóra alebo článku, pozrieť si prednášky z videí spoločnosti Eater a pokúsiť sa navrhnúť vlastnú časť pred stavbou, testovaním a väčšinou potrebou zošrotovať ju. vedenejší prístup z Eaterovho kanála. Príkladom toho bolo, keď som staval ALU komponentu PC. Keď som sledoval dizajnové videá, čítal som články o čipových komponentoch, ktoré mali vyššiu funkčnosť a spúšťali vstupy, ktoré by umožňovali interné prepínanie typov inštrukcií a invertovanie vstupov na doplnok 2. Pred kúpou týchto ľahších čipov som však preštudoval prístup k dizajnu, o ktorom hovoril Ben Eater vo svojich videách, so zmiešaním prídavných zariadení a logických brán XOR, aby sa zvýšila funkčnosť modulu ALU bez toho, aby boli potrebné čipy s vyššími nákladmi. Vďaka tomu som ocenil používanie diskrétnej logiky a jej použiteľnosť v počítačovom dizajne a dozvedel som sa o rôznych prístupoch k konštrukčným prvkom. Kombináciou čipov nižšej úrovne na doske som sa tiež dozvedel o niektorých kľúčových architektonických črtách používaných vo vnútri ALU, čo zvýšilo moje porozumenie tejto súčasti vykonávania na počítači.

Ďalšou kľúčovou súčasťou, o ktorej som sa dozvedel, bolo použitie transceiverov, známych tiež ako nárazníky. Predtým, ako som sa dostal hlbšie do projektu, som si myslel, že jednoducho aktivujem a deaktivujem rôzne komponenty pomocou riadiacich signálov, ale rýchlo som v článkoch zistil, že na správnu funkciu tejto architektúry štýlu Von-Neuman je potrebné použiť vyrovnávacie pamäte. Pretože počítač používa na prenos údajov medzi rôznymi modulmi v počítači zdieľanú zbernicu, synchronizácia cyklov bola diktovaná hodinami. Aby sa však umožnilo ukladanie a načítanie bez zasahovania do údajov dostupných na zbernici, zistil som, že transceivery sú nevyhnutné na to, aby fungovali ako brány, vyžadujúce povoľovací signál, ktorý umožní dátam prúdiť na zbernicu včas. schopnosť čítať nebola až taká ťažká na pochopenie, pretože vodiče vždy uchovávali hodnoty na zbernici, ale použitie správnej hodnoty znamenalo, že registrom sa mohla uložiť nová hodnota.

Posledným záverom výskumu v rámci tohto projektu bolo pochopenie rozdielov v špecifikáciách medzi čipmi, ktoré boli podobné. Často som našiel čipy s rovnakými hodnotami ID, ale rôznymi písmenami deskriptorov, ako sú LS a HC. Dozvedel som sa, že to nebola len výroba štítkov, ale aj časové a energetické špecifikácie čipov. Našťastie, pretože môj počítač používal komponenty s pomerne nízkou úrovňou a vysokou toleranciou, nemusel som sa obávať zhody mnohých špecifikácií, ale pri návrhu na vyššej úrovni som zistil, že veci ako rýchlosť hodín a odber energie sú rozhodujúce pre úspech alebo zlyhanie elektroniky. dizajn

Krok 2: Vyskytli sa ťažkosti

Pomerne rýchlo do projektu som bol schopný navrhnúť jednoduché komponenty, ako sú načasovacie hodiny na synchronizáciu procesov a základná architektúra pamäte, ale vzhľadom na potrebu objednať si súčiastky popri ťažkom semestri bolo ťažké priradiť externý čas k projektu, čo ma vrátilo k práci. harmonogram dokončenia. Po mojom prvom veľkom neúspechu v tom, že som musel týždeň čakať, kým prídu diely, som nakoniec obišiel ďalšie meškania objednaním všetkých dielov, o ktorých som si myslel, že budem potrebovať na dokončenie tohto projektu, čo sa ukázalo ako užitočné, pretože už som nemal problémy so zdržaním, kým som tento článok nezverejnil.. Potom, čo som sa naučil niekoľko základných prístupov k ladeniu, som začal prehliadať niektoré zostavy, čo znamenalo, že sa musím vrátiť a znova sledovať videá, aby som zachytil svoje chyby, čo zvyčajne viedlo k rozobratiu väčšiny dosky. Toto nemalo žiadnu skratku. Naučil som sa, akú hodnotu má kontrola vášho pokroku pri stavbe akéhokoľvek elektronického zariadenia. Odladením každej dosky na ceste som mohol prejsť k ich kombinovaniu s väčšou dôverou a potom bolo ladenie kombinovaných dosiek oveľa jednoduchšie.

Krok 3: Úspechy a reflexia

Celkovo som v súčasnosti dokončil hodiny, operačný kód a počítadlo programov, jednotku ALU, registre rs rt a rd a pamäť RAM. Okrem toho, že som na dokončenie tohto projektu potreboval dokončiť zbernicu a periférne zariadenia, naučil som sa toho veľa o počítačovej architektúre, ktorú, dúfam, prenesiem do svojich voliteľných ročníkov, na kurz počítačovej architektúry.

M5 mi poskytol všetky potrebné nástroje na prácu na mojom projekte a komponenty boli veľmi dobre rozložené pozdĺž stien dielov, takže som veľmi skoro vedel o častiach, ktoré je potrebné objednať a čo je zbytočné. Ak by sa tohto projektu mal zúčastniť iný študent, určite by som poznamenal, že tento projekt zaberie veľa času, ak sa snažíte porozumieť všetkému, čo sa deje na počítači. NIE JE TO OBTÍŽNE, ale ak chcete, aby fungovalo úspešne, vyžaduje si starostlivosť. Vrelo odporúčam prejsť si zoznam videí na youtube kanáli Bena Eatera, aby ste pochopili všetky časti, ktoré musíte použiť, aby ste nezaostali včas, ak neplánujete navrhnúť vlastný prístup. Keďže som si kúpil väčšinu dielov, plánujem vziať to so sebou na dokončenie vo svojom vlastnom čase, ale bolo by skvelé to odovzdať inému študentovi, aby to dokončil, čo by znamenalo vystavenie zvyšných častí svetlu, ale veľké zameranie na montážny jazyk, ku ktorému som sa našťastie dostal počas ďalších vyučovacích hodín