Farmár, líška, hus, obilná logická hra: 6 krokov

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

Keď som bol dieťa, vzal som do ruky knihu, ktorá bola mojimi otcami, s názvom Vedecká americká kniha projektov pre amatérskeho vedca. Knihu stále mám a chápem, že je ťažké ju v dnešnej dobe zohnať. Teraz si to však môžete prečítať online. Táto kniha mi predstavila veľa vecí, ale kapitola, ktorá vo mne vzbudila záujem, bola kapitola o matematických strojoch. Je možné, že práve to ma odštartovalo na mojej ďalšej kariére vývoja softvéru.

V tejto kapitole sú popísané stroje na riešenie hádaniek pomocou obvodov doby …, ktoré predchádzali moderným integrovaným obvodom alebo dokonca tranzistorom (pomocou relé). Existovali však niektoré rovnaké koncepty, logické zariadenia, ktoré sú v zásade to isté, čo moderné počítače stále používajú.

V dnešnej dobe môžete ľahko a lacno získať celé počítačové systémy za pár dolárov a len programovať svoju logickú hru alebo hru. Môžete však tiež urobiť veľa vecí na nižšej úrovni pomocou logických brán, z ktorých sú počítače postavené, a vytvoriť tak prispôsobený hardvér pre svoju hádanku. Aj keď to nemusí byť praktické alebo ideálne, umožní vám to zistiť, ako počítače skutočne fungujú. Je to tiež druh zábavy.

Krok 1: Potrebný materiál

Môžete to úplne vytvoriť v obvodoch Tinkercad a simulovať skutočné fungovanie hádanky.

Ak ho chcete postaviť fyzicky, budete potrebovať:

4 prepínacie alebo posúvače.

1 tlačidlo (dočasné)

2 malé chlebníky.

9 LED diód.

9 1K odporov.

1 7475 čip so štyrmi západkami

2 7408 štvorkolky A brány

1 7432 quad ALEBO brána

1 batéria obsahujúca 3 články AA alebo AAA.

sada prepojovacích vodičov.

Pre čipy radu 74xx môžete použiť akékoľvek ich variácie. IE, verzie 74xx sú pôvodné TTL, ale môžete použiť aj verzie 74LSxx (nižšia spotreba energie) alebo 74HCxx (dokonca aj verzie s nižším výkonom cmos) atď. Pamätajte si, že verzie 74xx a 74LSxx sa ľahko ovládajú, ale všetky ostatné variácie sú citlivou statickou elektrinou.

Krok 2: Booleovská logika

Booleovská logika môže znieť strašidelne, ale v skutočnosti je celkom jednoduchá. Boolean znamená, že máte do činenia iba s 1 s a 0 s, alebo s True a False. Alebo v elektronike, + a -. Logická časť sa scvrkáva na veľa „keď toto, potom ono“. Najzákladnejšie logické operácie sú jednoducho tieto tri veci: AND, OR a NOT. Hovorí sa im brány, pretože v zásade pôsobia ako doslovné brány pre tok elektriny obvodom.

Brána AND funguje nasledovne. Má dva vstupy a jeden výstup. Dva vstupy môžu byť 1 alebo 0 a výstup je 1 alebo 0. V prípade brány AND, ak sú obidva vstupy 1, potom je výstup 1. V opačnom prípade vydá 0.

Pre bránu OR má tiež dva vstupy a jeden výstup. Ak je jeden alebo druhý vstup 1, výstup je 1.

Posledná brána je brána NOT a má iba jeden vstup a jeden výstup. Ak je vstup a 1, potom je výstup 0. Ak je vstup 0, vydá 1.

Brány OR a AND môžu mať tiež viac ako 2 vstupy. Pre zjednodušenie je možné ich zobraziť s 2 alebo viacerými riadkami vstupujúcimi do jednej brány, ale v skutočnosti sú 3 vstupné brány len dve 2 vstupné brány, z ktorých jedna vstupuje do druhej.

Teraz viete všetko, čo potrebujete vedieť pri stavbe počítača. Dokonca aj najmodernejšie počítače používajú tieto tri veci, aj keď ich môžu používať milióny.

Postavme si teda hádanku.

Krok 3: Hádanka pre farmárov, líšky, husi a obilie

Prvá vec v knihe je logický obvod na vytvorenie klasického puzzle Farmár, Líška, Husa a Obilie. Táto hádanka existuje už stovky rokov v rôznych formách. Je to základná logická hádanka s niekoľkými pravidlami. Hádanka je nasledovná.

Farmár má líšku, hus a nejaké zrno. Prichádza k rieke, ktorú musí prekročiť, a je tu čln, ktorý však môže držať iba jeho a jednu ďalšiu vec naraz.

Nemôže nechať líšku s husou, pretože líška zožerie hus. To robia líšky, je to len ich povaha.

Husa nemôže nechať s obilím, pretože hus to zje.

Ako môže dostať všetkých troch bezpečne na druhý breh rieky?

Na vytvorenie tejto hádanky potrebujeme niekoľko vecí. Najprv so štyrmi spínačmi, po jednom pre každého farmára, líšku, hus a zrno. Takto nastavíme, čo pôjde na loď.

Za druhé, hlavolam si musíme pamätať, kde je všetko krok za krokom.

Potom potrebujeme tlačidlo, ktoré nám povie, kedy sa má loď pohybovať.

Nakoniec potrebujeme určitú logiku na presadzovanie pravidiel.

Krok 4: Pamäť

Aby sme si zapamätali umiestnenie objektov v tomto puzzle, použijeme niečo pokročilejšie ako relé používané v pôvodnom obvode. V čase, keď bola táto kniha napísaná, neexistovali žiadne tranzistory, ale mali relé. Tieto relé boli zapojené tak, že keď stlačíte tlačidlo, zatvoria sa a zostanú zatvorené, kým nestlačíte tlačidlo na druhej strane.

Dnes použijeme bežnú a lacnú časť nazývanú 4 -bitová západka. „Bit“v počítačovej logike sa týka iba jednej 1 alebo 0. Je to to isté ako číslica. Tento integrovaný obvod (alebo „IC“alebo „čip“) obsahuje 4 logické komponenty známe ako žabky. Flip flop je len pár brán nakonfigurovaných tak, že keď mu zadáte 1 alebo 0 ako vstup, vydá 1 alebo 0 a potom zostane „zaseknutý“. Odtiaľ pochádza názov flip / flop. Prevráti sa z 1 na 0 alebo klesne z 0 na 1 (alebo je to naopak?) A potom tam zostane. V podstate to robí to isté ako štyri relé v starom okruhu.

Môžete si vyrobiť jednoduchý žabky iba s dvoma bránami, ale tie v tejto západke majú ešte jednu funkciu (vyžadujúcu ešte niekoľko brán). Namiesto okamžitej zmeny výstupu so zmenou vstupu má iný vstup, ktorý vstupy povoľuje alebo zakazuje. Normálne zostane deaktivovaný. To vám umožní nastaviť dva prepínače (farmár a jeden ďalší) skôr, ako sa pokúsi „poslať“čln na druhú stranu. Náš okruh je už múdrejší ako ten starý.

Teraz máme možnosť nastaviť a zapamätať si umiestnenie všetkých princípov v našom puzzle.

Tu je zatiaľ náš obvod: 4 -bitová západka

Krok 5: Logika pravidiel

Aby sme vynucovali pravidlá a naznačili, kedy nastane problém, použijeme niektoré boolovské logické brány na implementáciu obmedzení, ktoré potrebujeme.

Budeme potrebovať štyri testy, aby sme zistili, či je problém - ak je jeden z nich pravdivý, zapnite varovný signál.

1. Ak je zrno a hus na druhej strane rieky a nie farmár.

2. Ak sú líška a hus na druhom brehu rieky, a nie farmár.

3. Ak farmár prekročí rieku a nie je s ním žiadna líška ani hus.

4. Ak farmár prekročí rieku a nie je s ním zrno ani hus.

Všimnite si toho, ako som to sformuloval, aby sa presne zhodoval s logikou, ktorú použijeme, čo sú brány AND s normálnym alebo invertovaným výstupom zo západky, invertované pôsobia ako „nie“alebo „NIE“.

Pretože ktorákoľvek z nich môže byť pravda, čo spôsobuje problém, všetky sa napájajú na bránu OR.

Kompletná logika vrátane 4 -bitovej západky je zobrazená na snímke obrazovky. Toto je z programu, ktorý sa nazýva logicky. Tento program je vynikajúci na zobrazenie toku logiky pri manipulácii s prepínačmi a zvýraznenie spojov s hodnotou „1“modrou farbou. Priložil som súbor, do ktorého môžete logicky načítať.

Krok 6: Prototyp skutočného obvodu

Teraz môžeme vytvoriť skutočný pracovný obvod. Pomocou obvodov Tinkercad to dokážeme simuláciou skutočného vzhľadu a funkčnosti hardvéru.

Tinkercad má vstavanú 4 -bitovú západku 7475, takže táto časť je jednoduchá. Pre brány som sa rozhodol použiť dva čipy so 4 bránami AND (7408). Na vytvorenie štyroch, 3 vstupných AND brán používame dve AND brány s výstupom jedného vstupujúceho do 1 vstupu druhého. Zostáva 1 vstup na druhom a 2 vstupoch na prvom, čím sa vytvorí 3 vstup A brána. Pre bránu OR robím to isté. Čip brány so štyrmi OR používa dve brány OR s výstupmi smerujúcimi do tretej brány OR. Jedna brána ostala nevyužitá.

Spustite simuláciu na obvodoch Tinkercad