Máy tính nhị phân 4 bit: 11 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Tôi bắt đầu quan tâm đến cách máy tính hoạt động ở mức độ cơ bản. Tôi muốn hiểu việc sử dụng các thành phần rời rạc và các mạch cần thiết để hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp hơn. Một thành phần cơ bản quan trọng trong CPU là đơn vị logic số học hoặc ALU thực hiện các phép toán trên các số nguyên. Để thực hiện nhiệm vụ này, máy tính sử dụng số nhị phân và cổng logic. Một trong những thao tác đơn giản nhất được thực hiện là cộng hai số với nhau, trong một mạch cộng. Video này của numberphile đã thực hiện một công việc xuất sắc khi giải thích khái niệm này thông qua Domino Addition. Matt Parker mở rộng khái niệm cơ bản này và xây dựng một mạch Máy tính Domino sử dụng 10.000 dominos. Xây dựng toàn bộ một máy tính cá nhân từ dominos là vô lý nhưng tôi vẫn muốn hiểu cách sử dụng các thành phần rời rạc để thực hiện nhiệm vụ bổ sung này. Trong video, các cổng logic được tạo ra từ dominos nhưng chúng cũng có thể được tạo ra từ các thành phần cơ bản, cụ thể là bóng bán dẫn và điện trở. Mục đích của dự án này là sử dụng các thành phần rời rạc này để tìm hiểu và tạo máy tính cộng 4 bit của riêng tôi.

Mục tiêu của tôi cho dự án này bao gồm: 1) Tìm hiểu cách tạo và chế tạo một PCB2 tùy chỉnh) Làm cho thiết kế dễ dàng hình thành ý tưởng thêm các số nhị phân3) Thể hiện sự khác biệt về quy mô giữa các thành phần rời rạc và một mạch tích hợp thực hiện cùng một nhiệm vụ

Phần lớn nguồn cảm hứng và sự hiểu biết về dự án này đến từ Simon Inns.

Quân nhu

Tôi đã sử dụng Fritzing để tạo sơ đồ, tạo và chế tạo PCB

Bước 1: Lý thuyết

Việc đếm trong cơ số 10 rất đơn giản vì có một số nguyên khác để biểu diễn tổng của hai số nguyên. Ví dụ đơn giản nhất:

1 + 1 = 2

Đếm trong cơ số 2 hoặc nhị phân chỉ sử dụng 1 và 0. Sự kết hợp của số 1 và số 0 được sử dụng để biểu diễn các số nguyên khác nhau và tổng của chúng. Một ví dụ về đếm trong cơ số 2:

1 + 1 = 0 và bạn chuyển từ 1 đến bit tiếp theo

Khi cộng hai bit (A và B) với nhau, có thể có 4 kết quả khác nhau với đầu ra là Sum và Carry (Cout). Đây là những gì được hiển thị trong bảng.

Cổng logic nhận đầu vào và tạo ra đầu ra. Một số cổng logic cơ bản nhất bao gồm các cổng NOT, AND và OR đều được sử dụng trong dự án này. Chúng được tạo thành từ các sự kết hợp và đấu dây khác nhau của các bóng bán dẫn và điện trở. Sơ đồ của mỗi cổng được cung cấp.

Quay lại bảng, Có thể sử dụng kết hợp các cổng này để tạo ra kết quả Tổng trong bảng. Sự kết hợp logic này còn được gọi là cổng OR (XOR) độc quyền. Đầu vào phải chính xác là 1 để tạo ra kết quả là 1. Nếu cả hai đầu vào là 1 thì kết quả đầu ra là 0. Kết quả bit mang có thể được biểu diễn bằng một cổng AND đơn giản. Do đó, việc sử dụng cả XOR với cổng AND có thể đại diện cho toàn bộ bảng. Đây được gọi là Half Adder và giản đồ được hiển thị ở trên.

Để thêm các số nhị phân lớn hơn, bit mang phải được kết hợp làm đầu vào. Điều này được thực hiện bằng cách kết hợp 2 mạch Half Adder để tạo ra Full Adder. Các Bộ cộng đầy đủ sau đó có thể được xếp tầng với nhau để thêm các số nhị phân lớn hơn. Trong dự án của tôi, tôi đã xếp tầng 4 Bộ bổ sung đầy đủ cho phép tôi có đầu vào 4 bit. Sơ đồ cho Quảng cáo đầy đủ ở trên.

Simon Inns có một bài viết tuyệt vời và chuyên sâu hơn về lý thuyết này. Ngoài ra còn có một số tệp PDF mà tôi thấy hữu ích.

Bước 2: Kiểm tra mạch

Bước đầu tiên sau khi hiểu cách các cổng logic hoạt động và lý thuyết đằng sau Full Adder là xây dựng mạch. Tôi bắt đầu bằng cách thu thập tất cả các thành phần tôi cần: điện trở 10K và 1K, bóng bán dẫn NPN, Breadboard, Jumperwires. Tôi đã làm theo cùng với một bản in của bộ cộng đầy đủ. Quá trình này rất tẻ nhạt nhưng tôi đã có thể có được một mạch làm việc cho bộ cộng đầy đủ. Tôi sẽ buộc các đầu vào cao hoặc thấp và sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra các đầu ra. Bây giờ tôi đã sẵn sàng dịch breadboard và schematic thành PCB.

Bước 3: Thiết kế toàn bộ Adder PCB

Để thiết kế PCB, tôi đã sử dụng độc quyền Fritzing. Đây là lần đầu tiên tôi thiết kế PCB và chương trình này có vẻ thân thiện và trực quan nhất với người dùng với đường cong học tập nhỏ nhất. Có những chương trình tuyệt vời khác như EasyEDA và Eagle có sẵn để giúp thiết kế PCB. Với Fritzing, bạn có thể bắt đầu thiết kế trên breadboard ảo hoặc sơ đồ, sau đó chuyển sang PCB. Tôi đã sử dụng cả hai phương pháp này cho dự án này. Khi bạn đã sẵn sàng chế tạo PCB, chỉ cần một cú nhấp chuột vào nút để xuất các tệp của bạn và tải chúng trực tiếp lên Aisler, nhà chế tạo hợp tác cho Fritzing.

Vẽ SchematicI bắt đầu bằng tab schematic để bắt đầu quá trình. Đầu tiên, tôi đã tìm và chèn tất cả các thành phần vào không gian làm việc. Tiếp theo, tôi vẽ tất cả các dấu vết giữa các thành phần. Tôi đã đảm bảo thêm đầu vào 5V và nối đất vào những nơi thích hợp.

Thiết kế PCBI nhấp vào tab PCB. Khi bạn di chuyển trực tiếp từ một giản đồ, bạn sẽ thấy một mớ hỗn độn với tất cả các thành phần được kết nối bằng các đường thẳng dựa trên các dấu vết bạn đã tạo trong giản đồ. Điều đầu tiên tôi làm là thay đổi kích thước của PCB màu xám thành kích thước mà tôi muốn và thêm các lỗ gắn. Tôi cũng đã thêm 16 chân cho đầu vào và đầu ra. Tiếp theo, tôi bắt đầu sắp xếp các thành phần một cách hợp lý. Tôi đã cố gắng nhóm các thành phần có kết nối gần nhau để giảm thiểu khoảng cách theo dõi. Tôi đã thực hiện thêm một bước và nhóm các thành phần lại với nhau bằng cổng logic. Một trong những mục tiêu của tôi là có thể hình dung cách hoạt động của mạch và có thể theo dõi "bit" thông qua mạch. Tôi nghi ngờ rằng quá trình này đã hoàn thành tất cả các thứ đúng nên tôi đã đi kiểm tra lại và vẽ lại những thứ mà chúng được cho là đúng. May mắn thay, tính năng tự động định tuyến đã hoạt động khá tốt và tôi chỉ phải sửa một vài lỗi. Máy tính tự động cũng tạo ra một số góc kỳ lạ với các dấu vết không phải là "phương pháp hay nhất" nhưng tôi đã ổn với điều đó và mọi thứ vẫn hoạt động tốt. Điều cuối cùng tôi đã làm là thêm văn bản sẽ được in dưới dạng màn hình lụa. Tôi đảm bảo rằng tất cả các thành phần đã được dán nhãn. Tôi cũng đã nhập hình ảnh cổng logic tùy chỉnh để nhấn mạnh nhóm các thành phần. Hình cuối cùng ở trên cho thấy màn hình lụa.

Chế tạo PCBI nhấp vào nút chế tạo ở cuối màn hình. Nó trực tiếp đưa tôi đến trang web Aisler nơi tôi có thể tạo tài khoản và tải lên tất cả các tệp Fritzing của mình. Tôi đã để lại tất cả các cài đặt mặc định và đặt hàng.

Bước 4: Thiết kế các PCB khác

PCB còn lại mà tôi cần là bo mạch giao diện đầu vào / đầu ra và bo mạch cho IC. Tôi đã làm theo một quy trình như Bước 3 cho các bảng này. Bản pdf của các sơ đồ được đăng bên dưới. Đối với vi mạch, tôi đã thực hiện tất cả các kết nối bằng cách sử dụng tính năng breadboard ảo. Tôi đã bao gồm sơ đồ để hoàn thiện nhưng có thể đi trực tiếp từ breadboard đến tab PCB khá tuyệt. Tôi cũng đã thêm biểu đồ chuyển đổi cơ sở 10 sang cơ sở 2 trên màn hình lụa trên bảng giao diện I / O trước khi tải lên và đặt hàng trong Aisler.

Bước 5: Hàn các thành phần với PCB

Tất cả các PCB đã đến và tôi thực sự ấn tượng với chất lượng. Tôi chưa có bất kỳ kinh nghiệm nào với các nhà sản xuất khác nhưng sẽ không ngần ngại sử dụng lại Aisler.

Nhiệm vụ tiếp theo là hàn tất cả các thành phần, đó là một quá trình gian khổ nhưng kỹ năng hàn của tôi đã được cải thiện rất nhiều. Tôi bắt đầu với các bảng bổ sung đầy đủ và hàn các thành phần bắt đầu bằng bóng bán dẫn, sau đó là điện trở 1K, sau đó là điện trở 10K. Tôi đã làm theo một phương pháp tương tự để hàn phần còn lại của các thành phần vào I / O và bảng mạch IC. Sau khi mỗi bảng Full Adder hoàn thành, tôi đã kiểm tra chúng bằng phương pháp tương tự như Full Adder trên bảng breadboard. Đáng ngạc nhiên là tất cả các bảng đều hoạt động bình thường mà không có vấn đề gì. Điều này có nghĩa là các bo mạch đã được định tuyến chính xác và chúng được hàn chính xác. Chuyển sang bước tiếp theo!

Bước 6: Hoàn thiện PCB để xếp chồng

Nhiệm vụ tiếp theo là hàn tất cả các chân tiêu đề vào mỗi bo mạch. Tôi cũng cần thêm dây jumper giữa chân tiêu đề chính xác và các đầu vào / đầu ra của bảng Adder đầy đủ (A, B, Cin, V +, GND, Sum, Cout). Bước này có thể tránh được nếu bạn thiết kế các PCB khác nhau cho từng cấp của mạch cộng nhưng tôi muốn giảm thiểu thiết kế và chi phí bằng cách chỉ tạo một PCB đầy đủ của Adder. Do đó, các kết nối với các đầu vào / đầu ra này yêu cầu dây jumper. Sơ đồ được cung cấp là cách tôi hoàn thành nhiệm vụ này và các chân nào được sử dụng cho mỗi cấp của bảng Full Adder. Hình ảnh cho thấy cách tôi hàn dây jumper cho mỗi bảng. Tôi bắt đầu bằng cách hàn các dây miễn phí vào các chân chính xác trên tiêu đề. Sau đó tôi hàn tiêu đề vào PCB. Sau khi tôi đã hàn các chân tiêu đề với dây nhảy vào đúng vị trí, tôi đã hàn các đầu còn lại của dây nhảy vào đúng dây dẫn trên PCB. Hình trên cho thấy cận cảnh các chân tiêu đề với các dây jumper được hàn vào chúng.

Bước 7: Cấp nguồn cho mạch

Tôi đã lên kế hoạch sử dụng nguồn điện giắc cắm thùng DC 12V cho dự án này vì vậy tôi đã thiết kế bảng giao diện I / O để có giắc cắm / đầu nối thùng DC cho đầu vào nguồn. Bởi vì tôi đang sử dụng cùng một bảng I / O và muốn sử dụng một nguồn điện duy nhất, tôi cần điều chỉnh điện áp thành 5V vì đây là đầu vào tối đa cho IC SN7483A. Để thực hiện điều này, tôi cần một bộ điều chỉnh 5V và một công tắc có thể chuyển đổi giữa 12V và 5V. Sơ đồ trên cho thấy cách tôi đấu dây mạch nguồn với nhau.

Bước 8: In 3D đế

Bây giờ tất cả các dây và hàn đã hoàn thành, tôi cần phải tìm hiểu xem tất cả sẽ được tổ chức với nhau như thế nào. Tôi đã chọn CADing và in 3D một thiết kế có thể chứa và hiển thị tất cả các phần của dự án này.

Tôi cần những nơi cần thiết để gắn PCB bằng bu lông và chân đế. Các Adders xếp chồng lên nhau là hấp dẫn về mặt trực quan nhất và tôi muốn có những thứ đó được trưng bày khi không sử dụng nên tôi muốn có một nơi để lưu trữ IC PCB. Tôi cần lắp mạch nguồn với các lỗ cắt cho công tắc và giắc cắm / đầu nối thùng DC. Cuối cùng, tôi muốn có một số loại hộp màn hình bao vây để ngăn bụi tích tụ trong các PCB mở, vì vậy tôi cần một chỗ để đặt bao vây.

Tạo mô hình 3D: Tôi đã sử dụng Fusion360 để thiết kế phần đế. Tôi bắt đầu với kích thước của PCB và khoảng cách của các lỗ gắn. Sau đó, tôi sử dụng một loạt các bản phác thảo và ép đùn để thiết lập chiều cao và kích thước của đế với các điểm gắn PCB. Tiếp theo, tôi thực hiện các phần cắt cho vỏ và mạch nguồn. Sau đó, tôi tạo ra một khu vực để lưu trữ IC PCB khi không sử dụng. Cuối cùng, tôi đã thêm một số chi tiết về cạnh hoàn thiện và gửi nó tới Cura, phần mềm cắt của tôi.

Tôi đã chọn dây tóc PLA màu đen. Bản in mất hơn 6 giờ một chút và trở nên tuyệt vời. Đáng ngạc nhiên là tất cả các kích thước đều chính xác và mọi thứ dường như sẽ khớp với nhau đúng cách. Hình trên cho thấy bản in sau khi tôi thêm các giá đỡ vào các lỗ lắp. Họ là một sự phù hợp hoàn hảo!

Bước 9: Lắp ráp

Chèn các điểm chờ. Tôi đã đặt tất cả các chân đế vào các lỗ lắp của đế.

Đặt mạch nguồn vào đế. Tôi đã kết nối mọi thứ lại với nhau và kéo tất cả các thành phần qua lỗ cho công tắc. Tiếp theo, tôi lắp giắc cắm nguồn / bộ chuyển đổi vào mặt sau của đế. Tôi đã đẩy bộ điều chỉnh 5V vào khe cắm của nó và cuối cùng công tắc đã có thể được đẩy vào vị trí.

Gắn I / O PCB. Tôi đặt PCB IC vào không gian lưu trữ của nó và đặt PCB giao diện I / O lên trên. Tôi đã vặn chặt PCB bằng cách sử dụng 4x bu lông M3 và một trình điều khiển hex. Cuối cùng tôi cắm giắc thùng DC vào PCB.

Xếp chồng của Adder PCB. Tôi đã xếp chồng Adder đầu tiên vào đúng vị trí. Tôi vặn mặt sau của PCB vào các lỗ gắn phía sau với 2 giá đỡ. Tôi lặp lại quá trình này cho đến khi Adder cuối cùng ở đúng vị trí và cố định nó bằng 2 bu lông M3 nữa.

Làm cho bao vây. Tôi đã sử dụng 1/4 acrylic cho vỏ bọc. Tôi đo chiều cao cuối cùng của dự án và với kích thước CAD, cắt ra 5 miếng cho các cạnh bên và trên cùng để tạo thành một hộp đơn giản có đáy mở. Tôi đã sử dụng epoxy để dán Các mảnh ghép lại với nhau. Cuối cùng tôi chà nhám một nửa hình tròn nhỏ ở phía bên phải để lắp công tắc.

Sẵn sàng tính toán

Bước 10: Tính toán và so sánh

Cắm máy tính mới của bạn và bắt đầu thêm! Biểu đồ cơ số 10 đến cơ số 2 có thể được sử dụng để chuyển đổi nhanh chóng giữa số nhị phân và số nguyên. Tôi thích đặt các đầu vào sau đó nhấn "bằng" bằng cách lật công tắc nguồn và quan sát đầu ra nhị phân từ các đèn LED.

So sánh các thành phần rời rạc với một mạch tích hợp. Bây giờ, bạn có thể mở khóa các Bộ bổ sung đầy đủ và cắm IC SN7483A vào bảng I / O. (Đừng quên gạt công tắc sang chiều ngược lại để cấp nguồn cho IC bằng 5V thay vì 12V). Bạn có thể thực hiện các phép tính tương tự và bạn sẽ nhận được kết quả tương tự. Thật ấn tượng khi nghĩ rằng cả Adder thành phần rời rạc và IC đều hoạt động theo cách giống nhau chỉ trên một tỷ lệ kích thước rất khác nhau. Các hình ảnh cho thấy các đầu vào và đầu ra giống nhau cho các mạch.

Bước 11: Kết luận

Tôi hy vọng bạn thích dự án này và học được nhiều như tôi đã làm. Thật là hài lòng khi học một thứ gì đó mới và biến nó thành một dự án độc đáo, đồng thời cũng cần học một kỹ năng mới như thiết kế / chế tạo PCB. Tất cả các sơ đồ được liệt kê dưới đây. Đối với bất kỳ ai quan tâm, tôi cũng có thể liên kết các tệp PCB Gerber của mình để bạn có thể tạo Máy tính nhị phân 4-bit của riêng mình. Chúc bạn làm vui vẻ!