Επισκόπηση υπολογιστή 8-bit σε Breadboard: 3 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Ο στόχος μου για αυτό το έργο ήταν να δημιουργήσω μια καλύτερη κατανόηση της αρχιτεκτονικής υπολογιστών, του σχεδιασμού υλικού και των γλωσσών επιπέδου συναρμολόγησης. Όντας νεότερος στο πανεπιστήμιο που σπούδαζε μηχανική υπολογιστών, είχα ολοκληρώσει πρόσφατα μαθήματα ηλεκτρονικών, εργαστήρια που με γνώρισαν στη γλώσσα συναρμολόγησης και την αρχιτεκτονική υλικού. Λαμβάνοντας μια εισαγωγή σε αυτά τα θέματα, ήθελα να αυξήσω την κατανόησή μου για τις λεπτότερες λεπτομέρειες και στα τρία μαθήματα και ποιος καλύτερος τρόπος να μάθω από την εργασία σε ένα έργο;

Η αρχική μου πρόθεση ήταν να συναρμολογήσω πλήρως αυτόν τον υπολογιστή 8-bit χρησιμοποιώντας τα βίντεο διάλεξης που παρέχονται στο κανάλι του Ben Eater στο youtube, τα οποία κάνουν μια φανταστική δουλειά να διασπάσουν τη διαδικασία σχεδιασμού σε ένα συμπαγές μείγμα υλικού που έχω καλύψει και πτυχές που δεν είχα ακόμη μαθαίνω. Δεδομένου ότι είχα ήδη μια βασική κατανόηση του συνδυαστικού σχεδιασμού και της βασικής λογικής των ηλεκτρονικών, ήθελα να αμφισβητήσω τον εαυτό μου προσπαθώντας να σχεδιάσω και να κατασκευάσω τμήματα του υπολογιστή μετά από τις επισκοπήσεις του σχεδιασμού, αλλά χωρίς να παρακολουθώ τις οδηγίες κατασκευής. Καθ 'όλη τη διάρκεια του έργου, ο στόχος μου ήταν να μάθω και να βελτιώσω την κατανόησή μου περισσότερο από το να χτίσω κάτι νέο, οπότε σε κάθε βήμα του έργου, διάβαζα λίγο από διαδικτυακά άρθρα και φόρουμ σχετικά με την αρχιτεκτονική των συστατικών και βασικές συμβάσεις που χρησιμοποιούνται για κάθε από αυτούς.

Βήμα 1: Έρευνα στην πορεία

Αυτό το έργο με έκανε να διαβάσω πολύ περισσότερο από ό, τι περίμενα. Μία από τις κύριες προσεγγίσεις μου σε κάθε στοιχείο ήταν να διαβάσω μια επισκόπηση από ένα διαδικτυακό φόρουμ ή ένα άρθρο, να παρακολουθήσω τις διαλέξεις από τα βίντεο του Eater και να προσπαθήσω να σχεδιάσω το δικό μου κομμάτι πριν κατασκευάσω, δοκιμάσω και τις περισσότερες φορές χρειαστεί να το αφαιρέσω για ένα πιο καθοδηγούμενη προσέγγιση από το κανάλι του Eater. Ένα παράδειγμα αυτού ήταν όταν έχτιζα το στοιχείο ALU του υπολογιστή. Καθώς παρακολουθούσα τα βίντεο σχεδίασης, διάβασα άρθρα σχετικά με στοιχεία τσιπ που ήταν υψηλότερης λειτουργικότητας και ενεργοποίησαν εισόδους που θα επέτρεπαν την εναλλαγή εσωτερικών τύπων οδηγιών και την αντιστροφή εισόδων σε συμπλήρωμα 2. Ωστόσο, πριν αγοράσω αυτά τα τσιπ για να το κάνω πιο εύκολο, αναθεώρησα τη σχεδιαστική προσέγγιση για την οποία μίλησε ο Ben Eater στα βίντεό του, με τη μίξη προσθηκών και λογικών πύλων XOR για να αυξήσει τη λειτουργικότητα της μονάδας ALU χωρίς να χρειάζεται τσιπ υψηλότερου κόστους. Αυτό με έκανε να εκτιμήσω τη χρήση της διακριτής λογικής και την εφαρμογή της στον σχεδιασμό υπολογιστών και να μάθω διαφορετικές προσεγγίσεις για την κατασκευή εξαρτημάτων. Συνδυάζοντας μάρκες χαμηλότερου επιπέδου στο breadboard, έμαθα επίσης μερικά βασικά αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται στο ALU, τα οποία αύξησαν την κατανόησή μου για αυτό το στοιχείο εκτέλεσης στον υπολογιστή.

Ένα άλλο βασικό στοιχείο για το οποίο έμαθα ήταν η χρήση πομποδεκτών, γνωστών και ως buffer. Πριν μπω βαθύτερα στο έργο, σκέφτηκα ότι απλώς θα ενεργοποιούσα και θα απενεργοποιούσα διαφορετικά εξαρτήματα χρησιμοποιώντας σήματα ελέγχου, αλλά γρήγορα διαπίστωσα σε όλα τα άρθρα ότι τα buffer έπρεπε να χρησιμοποιηθούν για να λειτουργήσει σωστά αυτή η αρχιτεκτονική στυλ Von-Neuman. Επειδή ο υπολογιστής χρησιμοποιεί ένα κοινόχρηστο δίαυλο για τα δεδομένα που ταξιδεύουν μεταξύ των διαφορετικών μονάδων στον υπολογιστή, ο συγχρονισμός των κύκλων υπαγορεύτηκε από το ρολόι. Ωστόσο, επιτρέποντας την αποθήκευση και τα φορτία να συμβούν χωρίς να παρεμβαίνουμε στα διαθέσιμα δεδομένα στο δίαυλο, διαπίστωσα ότι οι πομποδέκτες ήταν ζωτικής σημασίας για να λειτουργήσουν ως πύλες, απαιτώντας ένα σήμα ενεργοποίησης που επιτρέπει στα δεδομένα να ρέουν στον δίαυλο εγκαίρως. Η ικανότητα ανάγνωσης δεν ήταν τόσο δύσκολο να κατανοηθεί, καθώς τα καλώδια θα κρατούσαν πάντα τις τιμές στο δίαυλο, αλλά η χρήση της σωστής τιμής σήμαινε ότι οι καταχωρητές θα μπορούσαν να διατηρήσουν τη νέα τιμή.

Ένα τελευταίο συμπέρασμα από την έρευνα σε όλο αυτό το έργο ήταν η κατανόηση των διαφορών προδιαγραφών μεταξύ των τσιπ που ήταν παρόμοια. Συχνά βρήκα μάρκες με τις ίδιες τιμές ταυτότητας αλλά διαφορετικά περιγραφικά γράμματα όπως LS και HC. Αυτό που έμαθα ήταν ότι δεν ήταν απλώς η κατασκευή ετικετών, αλλά και οι προδιαγραφές χρονισμού και ισχύος για τα τσιπ. Ευτυχώς δεδομένου ότι ο υπολογιστής μου χρησιμοποιούσε αρκετά χαμηλού επιπέδου, εξαρτήματα υψηλής ανοχής, δεν χρειαζόμουν να ανησυχώ για την αντιστοίχιση πολλών προδιαγραφών, αλλά σε σχεδιασμό υψηλότερου επιπέδου, έμαθα ότι πράγματα όπως η ταχύτητα του ρολογιού και η ισχύς είναι κρίσιμα για την επιτυχία ή την αποτυχία των ηλεκτρονικών σχέδιο

Βήμα 2: Δυσκολίες που συναντώνται

Αρκετά γρήγορα στο έργο μπόρεσα να σχεδιάσω απλά στοιχεία όπως το ρολόι χρονισμού για συγχρονισμό διαδικασιών και βασική αρχιτεκτονική μνήμης, αλλά η ανάγκη να παραγγείλω μέρη παράλληλα με ένα βαρύ εξάμηνο μαθημάτων δυσκόλεψε να διαθέσω εκτός έργου χρόνο, με επανατοποθέτησε χρονοδιάγραμμα ολοκλήρωσης. Μετά την πρώτη μου μεγάλη αποτυχία από την ανάγκη να περιμένω μια εβδομάδα για να φτάσουν τα μέρη, κατέληξα να παρακάμψω περαιτέρω καθυστερήσεις παραγγέλνοντας όλα τα μέρη που πίστευα ότι θα χρειαζόμουν για να ολοκληρώσω αυτό το έργο, το οποίο αποδείχθηκε χρήσιμο καθώς δεν αντιμετώπισα καθυστερήσεις μέχρι τη δημοσίευση αυτού Το Αφού έμαθα κάποιες βασικές προσεγγίσεις για τον εντοπισμό σφαλμάτων, άρχισα να παραβλέπω κάποια συναρμολόγηση που σήμαινε ότι πρέπει να επιστρέψω και να παρακολουθήσω ξανά βίντεο για να καταλάβω τα λάθη μου, κάτι που συνήθως οδήγησε στο να αφαιρέσω το μεγαλύτερο μέρος ενός πίνακα. Αυτό δεν είχε συντόμευση. Έμαθα την αξία του ελέγχου της προόδου σας στην κατασκευή οποιασδήποτε ηλεκτρονικής συσκευής. Με τον εντοπισμό σφαλμάτων σε κάθε πίνακα στην πορεία, ήμουν σε θέση να προχωρήσω στο συνδυασμό τους με περισσότερη εμπιστοσύνη, και στη συνέχεια ο εντοπισμός σφαλμάτων σε συνδυασμένους πίνακες έγινε πολύ πιο εύκολος.

Βήμα 3: Επιτεύγματα και προβληματισμός

Συνολικά, έχω ολοκληρώσει αυτήν τη στιγμή το ρολόι, τον κωδικό πρόσβασης και τον μετρητή προγράμματος, τη μονάδα ALU, τους καταχωρητές rs rt και rd και τη μνήμη RAM. Εκτός από την ανάγκη να ολοκληρώσω το λεωφορείο και τα περιφερειακά για να ολοκληρώσω αυτό το έργο, έμαθα ένα σημαντικό ποσό για την αρχιτεκτονική υπολογιστών, το οποίο ελπίζω να συνεχίσω στα μαθήματα επιλογής του τελευταίου έτους, κάνοντας μαθήματα αρχιτεκτονικής υπολογιστών.

Το M5 μου παρείχε όλα τα απαραίτητα εργαλεία για να δουλέψω στο έργο μου και τα εξαρτήματα ήταν πολύ καλά τοποθετημένα στους τοίχους των μερών, οπότε γνώριζα πολύ νωρίς τα μέρη που χρειάζονταν παραγγελία και τι ήταν αναγκαίο. Αν κάποιος άλλος μαθητής αναλάμβανε αυτό το έργο, σίγουρα θα σημειώσω ότι αυτό το έργο απαιτεί πολύ χρόνο αν προσπαθείτε να καταλάβετε όλα όσα συμβαίνουν στον υπολογιστή. ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΔΥΣΚΟΛΟ, αλλά απαιτεί προσοχή αν θέλετε να λειτουργήσει με επιτυχία. Συνιστώ ανεπιφύλακτα να παρακολουθήσετε τη λίστα αναπαραγωγής βίντεο στο κανάλι του Ben Eater στο youtube για να κατανοήσετε όλα τα μέρη που πρέπει να χρησιμοποιήσετε για να μην μείνετε έγκαιρα εάν δεν σχεδιάζετε να σχεδιάσετε τη δική σας προσέγγιση. Δεδομένου ότι αγόρασα τα περισσότερα από τα μέρη, σκοπεύω να το πάρω μαζί μου για να το ολοκληρώσω μόνος μου, αλλά θα ήταν ωραίο να το παραδώσω για να επιτρέψει σε έναν άλλο μαθητή να το ολοκληρώσει, πράγμα που θα σήμαινε έκθεση στο φως στον σχεδιασμό των υπολοίπων τμημάτων, αλλά μεγάλη έμφαση στη γλώσσα συναρμολόγησης, την οποία ευτυχώς ασχολήθηκα κατά τη διάρκεια άλλων μαθημάτων