Máy tính 8 bit trên Breadboard Tổng quan: 3 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Mục tiêu của tôi cho dự án này là xây dựng sự hiểu biết tốt hơn về kiến trúc máy tính, thiết kế phần cứng và các ngôn ngữ cấp lắp ráp. Đang là sinh viên Đại học ngành kỹ thuật máy tính, gần đây tôi đã hoàn thành các khóa học về điện tử, phòng thí nghiệm giới thiệu cho tôi về hợp ngữ và kiến trúc phần cứng. Khi nhận được lời giới thiệu về các chủ đề này, tôi muốn nâng cao hiểu biết của mình về các chi tiết tốt hơn trong cả ba khóa học và cách học nào tốt hơn là làm việc trong một dự án?

Ý định ban đầu của tôi là lắp ráp hoàn chỉnh chiếc máy tính 8-Bit này bằng cách sử dụng các video bài giảng được cung cấp trên kênh youtube của Ben Eater. học. Vì tôi đã có hiểu biết cơ bản về thiết kế tổ hợp và logic điện tử cơ bản, tôi muốn thử thách bản thân bằng cách cố gắng thiết kế và xây dựng các bộ phận của máy tính sau khi xem tổng quan thiết kế, nhưng không xem hướng dẫn xây dựng. Trong suốt dự án, mục đích của tôi là học hỏi và nâng cao hiểu biết của mình hơn là chỉ xây dựng một cái gì đó mới, vì vậy dọc theo mỗi bước của dự án, tôi đã đọc một chút từ các bài báo và diễn đàn trực tuyến về kiến trúc thành phần và các quy ước cơ bản được sử dụng cho mỗi của họ.

Bước 1: Nghiên cứu trên đường đi

Dự án này thực sự khiến tôi đọc nhiều hơn tôi mong đợi. Một trong những cách tiếp cận chính của tôi đối với mỗi thành phần là đọc tổng quan từ một diễn đàn hoặc bài báo trực tuyến, xem các bài giảng từ video của Eater và cố gắng thiết kế phần của riêng tôi trước khi xây dựng, thử nghiệm và hầu hết thời gian cần phải cắt bỏ nó để cách tiếp cận có hướng dẫn hơn từ kênh của Eater. Một ví dụ về điều này là khi tôi đang xây dựng thành phần ALU của PC. Khi xem các video thiết kế, tôi đã đọc các bài viết về các thành phần chip có chức năng cao hơn và đầu vào kích hoạt cho phép chuyển đổi các loại lệnh và đảo ngược đầu vào thành phần bổ sung của 2 bên trong nội bộ. Tuy nhiên, trước khi mua những con chip dễ dàng hơn này, tôi đã xem xét cách tiếp cận thiết kế mà Ben Eater đã đề cập trong video của mình, với sự kết hợp của bộ cộng và cổng logic XOR để tăng chức năng trong mô-đun ALU mà không cần đến chip giá cao hơn. Điều này khiến tôi đánh giá cao việc sử dụng logic rời rạc và khả năng ứng dụng của nó vào thiết kế máy tính, đồng thời tìm hiểu các cách tiếp cận khác nhau để xây dựng các thành phần. Bằng cách kết hợp các chip cấp thấp hơn trên breadboard, tôi cũng đã biết được một số đặc điểm kiến trúc chính được sử dụng bên trong ALU, điều này giúp tăng hiểu biết của tôi về thành phần thực thi này trên PC.

Một thành phần quan trọng khác mà tôi đã học được là việc sử dụng các bộ thu phát, còn được gọi là bộ đệm. Trước khi đi sâu hơn vào dự án, tôi nghĩ rằng tôi sẽ chỉ cần kích hoạt và hủy kích hoạt các thành phần khác nhau bằng cách sử dụng các tín hiệu điều khiển, nhưng nhanh chóng nhận thấy trong các bài báo rằng bộ đệm cần được sử dụng để vận hành đúng kiến trúc phong cách Von-Neuman này. Bởi vì máy tính sử dụng một xe buýt chia sẻ để dữ liệu di chuyển giữa các mô-đun khác nhau trên PC, việc đồng bộ hóa các chu kỳ được quyết định bởi đồng hồ. Tuy nhiên, cho phép việc lưu trữ và tải diễn ra mà không ảnh hưởng đến dữ liệu có sẵn trên xe buýt, tôi thấy rằng các bộ thu phát rất quan trọng để hoạt động như các cổng, yêu cầu phải có tín hiệu kích hoạt để cho phép dữ liệu truyền vào xe buýt một cách kịp thời. khả năng đọc không quá khó hiểu, vì các dây sẽ luôn giữ các giá trị trên bus, nhưng việc sử dụng giá trị chính xác có nghĩa là cho phép các thanh ghi giữ giá trị mới.

Một kết quả cuối cùng rút ra từ nghiên cứu trong suốt dự án này là hiểu được sự khác biệt về đặc điểm kỹ thuật giữa các chip tương tự nhau. Thông thường, tôi thấy các chip có cùng giá trị ID nhưng các chữ cái mô tả khác nhau như LS và HC. Những gì tôi tìm hiểu là nó không chỉ đơn giản là sản xuất nhãn, mà còn là thời gian và thông số kỹ thuật về chip. Rất may vì máy tính của tôi sử dụng các thành phần cấp độ khá thấp, khả năng chịu đựng cao, nên tôi không cần phải lo lắng về việc khớp với nhiều thông số kỹ thuật, nhưng trên thiết kế cấp cao hơn, tôi biết được rằng những thứ như tốc độ xung nhịp và mức tiêu thụ điện là rất quan trọng đối với sự thành công hay thất bại của thiết bị điện tử. thiết kế

Bước 2: Khó khăn gặp phải

Tham gia vào dự án khá nhanh chóng, tôi có thể thiết kế các thành phần đơn giản như đồng hồ thời gian để đồng bộ hóa các quy trình và kiến trúc bộ nhớ cơ bản, nhưng cần phải sắp xếp các bộ phận cùng với một học kỳ khóa học nặng khiến việc phân bổ thời gian bên ngoài cho dự án trở nên khó khăn. tiến độ hoàn thành. Sau thất bại lớn đầu tiên của tôi là phải đợi một tuần để các bộ phận đến tay, cuối cùng tôi đã bỏ qua sự chậm trễ hơn nữa bằng cách đặt hàng tất cả các bộ phận mà tôi nghĩ mình sẽ cần để hoàn thành dự án này, điều này trở nên hữu ích vì tôi không còn phải đối mặt với sự chậm trễ cho đến khi xuất bản cuốn sách này. Sau khi học một số cách tiếp cận cơ bản để gỡ lỗi, tôi bắt đầu bỏ qua một số lắp ráp có nghĩa là cần phải quay lại và xem lại video để phát hiện lỗi của tôi, điều này thường dẫn đến việc tháo rời hầu hết một bảng. Điều này không có đường tắt. Tôi đã học được giá trị trong việc kiểm tra tiến độ của bạn trong việc chế tạo bất kỳ thiết bị điện tử nào. Bằng cách gỡ lỗi từng bảng trong quá trình thực hiện, tôi có thể chuyển sang việc kết hợp chúng một cách tự tin hơn, sau đó việc gỡ lỗi các bảng kết hợp trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Bước 3: Thành tựu và Suy ngẫm

Nói chung, tôi hiện đã hoàn thành bộ đếm đồng hồ, opcode và chương trình, đơn vị ALU, thanh ghi rs rt và rd, và RAM. Bên cạnh việc cần hoàn thiện xe buýt và các thiết bị ngoại vi để hoàn thành dự án này, tôi đã học được một số lượng đáng kể về kiến trúc máy tính, tôi hy vọng sẽ tiếp tục các môn tự chọn năm cuối của mình, tham gia khóa học kiến trúc máy tính.

M5 cung cấp tất cả các công cụ cần thiết để tôi làm việc trong dự án của mình và các thành phần được bố trí rất tốt dọc theo các bức tường bộ phận, vì vậy tôi biết rất sớm về các bộ phận cần đặt hàng và những gì không thể thiếu. Nếu một sinh viên khác tham gia dự án này, tôi chắc chắn sẽ lưu ý rằng dự án này mất rất nhiều thời gian nếu bạn đang cố gắng hiểu mọi thứ đang diễn ra trên máy tính. NÓ KHÔNG KHÓ, nhưng nó đòi hỏi sự cẩn thận nếu bạn muốn nó hoạt động thành công. Tôi thực sự khuyên bạn nên xem qua danh sách phát video trên kênh youtube của Ben Eater để nắm bắt tất cả các phần bạn cần sử dụng để không bị tụt lại thời gian nếu bạn không có kế hoạch thiết kế cách tiếp cận của riêng mình. Vì tôi đã mua hầu hết các bộ phận nên tôi dự định sẽ mang theo nó để hoàn thành trong thời gian của riêng tôi, nhưng sẽ rất tuyệt nếu giao nó lại để cho phép một sinh viên khác hoàn thành nó, điều đó có nghĩa là sẽ tiếp xúc với thiết kế của các bộ phận còn lại., nhưng tập trung nhiều vào hợp ngữ, điều mà tôi may mắn được làm việc trong các lớp học khác