Kikokotoo cha Binary 4-bit: Hatua 11 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:48

Nilianza kupendezwa na jinsi kompyuta zinavyofanya kazi kwa kiwango cha msingi. Nilitaka kuelewa utumiaji wa vifaa vyenye diski na nyaya zinazohitajika kutimiza kazi ngumu zaidi. Sehemu moja muhimu ya msingi katika CPU ni kitengo cha mantiki ya hesabu au ALU ambayo hufanya shughuli kwa nambari kamili. Ili kufanikisha kazi hii, kompyuta hutumia nambari za binary na milango ya mantiki. Moja ya shughuli rahisi zaidi ni kuongeza nambari mbili pamoja, kwenye mzunguko wa nyongeza. Video hii ya nambari hufanya kazi nzuri ya kuelezea dhana hii kupitia nyongeza ya Domino. Matt Parker anapanua dhana hii ya kimsingi na anaunda mzunguko wa Kompyuta ya Domino akitumia 10, 000 dominos. Kuunda kompyuta nzima ya kibinafsi kutoka kwa watawala ni upuuzi lakini bado nilitaka kuelewa utumiaji wa vifaa vyenye tofauti kutimiza kazi hii ya kuongeza. Kwenye video, milango ya mantiki iliundwa kutoka kwa domo lakini pia inaweza kufanywa kutoka kwa vifaa vya msingi, ambazo ni transistors na vipinga. Madhumuni ya mradi huu ilikuwa kutumia vifaa hivi tofauti kujifunza na kuunda kikokotozi changu cha nyongeza 4-bit.

Malengo yangu ya mradi huu ni pamoja na: 1) Jifunze jinsi ya kuunda na kutengeneza PCB2 ya kawaida) Fanya muundo uwe rahisi kudhani kuwa unaongeza nambari za kibinadamu

Msukumo mwingi na uelewa wa mradi huu ulitoka kwa Simon Inns.

Vifaa

Nilitumia Fritzing kutengeneza hesabu, kuunda na kutengeneza PCB

Hatua ya 1: Nadharia

Kuhesabu katika msingi 10 ni rahisi kwa sababu kuna nambari tofauti kuwakilisha jumla ya nambari mbili. Mfano rahisi zaidi:

1 + 1 = 2

Kuhesabu katika msingi 2 au binary hutumia tu 1 na 0. Mchanganyiko wa 1 na 0 hutumiwa kuwakilisha nambari tofauti na hesabu zao. Mfano wa kuhesabu katika msingi 2:

1 + 1 = 0 na unabeba 1 hadi kidogo inayofuata

Wakati wa kuongeza bits mbili (A na B) pamoja, matokeo 4 tofauti yanawezekana na matokeo ya Sum na Carry (Cout). Hii ndio inavyoonyeshwa kwenye meza.

Milango ya mantiki huchukua pembejeo na hutoa pato. Baadhi ya milango ya mantiki ya msingi inajumuisha NOT, NA, na AU milango ambayo yote hutumiwa katika mradi huu. Zimeundwa na mchanganyiko tofauti na wiring ya transistors na resistors. Skimu za kila lango hutolewa.

Akirejelea meza, Mchanganyiko wa milango hii inaweza kutumika kutoa matokeo ya Jumla kwenye meza. Mchanganyiko huu wa mantiki pia hujulikana kama lango la kipekee la AU (XOR). Ingizo lazima liwe haswa 1 kusababisha pato la 1. Ikiwa pembejeo zote ni 1 pato linalosababisha ni 0. Matokeo ya kubeba kidogo yanaweza kuwakilishwa na lango rahisi NA. Kwa hivyo, kutumia XOR na lango la NA linaweza kuwakilisha meza nzima. Hii inajulikana kama Nusu Adder na skimu imeonyeshwa hapo juu.

Ili kuongeza nambari kubwa zaidi za kibinadamu, kitufe cha kubeba lazima kiingizwe kama pembejeo. Hii inafanikiwa kwa kuchanganya mizunguko 2 ya Nusu ya Adder ili kuzalisha Adder Kamili. Viongezaji kamili vinaweza kuunganishwa pamoja ili kuongeza nambari kubwa zaidi za kibinadamu. Katika mradi wangu nilibadilisha nyongeza 4 kamili ambazo ziliniwezesha kuwa na pembejeo 4 kidogo. Mpangilio wa Adder Kamili uko hapo juu.

Simon Inns ana maandishi mazuri na ya kina zaidi juu ya nadharia hiyo. Pia kuna PDF chache ambazo nimeona zinasaidia.

Hatua ya 2: Kupima Mzunguko

Hatua ya kwanza baada ya kuelewa jinsi milango ya mantiki inavyofanya kazi na nadharia nyuma ya Adder Kamili ni kujenga mzunguko. Nilianza kwa kukusanya vifaa vyote nilivyohitaji: vipingaji vya 10K na 1K, Transistors ya NPN, Breadboard, Jumperwires. Nilifuata pamoja na kuchapishwa kwa nyongeza kamili. Mchakato huo ulikuwa wa kuchosha lakini niliweza kupata mzunguko wa kufanya kazi kwa nyongeza kamili. Ningefunga pembejeo juu au chini na nilitumia multimeter kupima matokeo. Sasa nilikuwa tayari kutafsiri ubao wa mkate na mpango kwa PCB.

Hatua ya 3: Kubuni PCB ya Adder Kamili

Kubuni PCB nilitumia Fritzing peke. Hii ilikuwa mara yangu ya kwanza kubuni PCB na programu hii ilionekana kama ya kirafiki zaidi na ya angavu na kijiko kidogo cha ujifunzaji. Kuna programu zingine nzuri kama EasyEDA na Eagle inapatikana kusaidia kuunda PCB. Pamoja na Fritzing, unaweza kuanza kubuni kwenye ubao wa mkate au mpango, kisha uende kwa PCB. Nilitumia njia hizi mbili kwa mradi huu. Unapokuwa tayari kutengeneza PCB, ni rahisi kama bonyeza kitufe cha kusafirisha faili zako na kuzipakia moja kwa moja kwa Aisler, mtengenezaji aliyeshirikiana wa Fritzing.

Chora SchematicI ilianza na kichupo cha skimu kuanza mchakato. Kwanza, nilipata na kuingiza vifaa vyote kwenye nafasi ya kazi. Ifuatayo, nilichora athari zote kati ya vifaa. Nilihakikisha kuongeza pembejeo 5V na ardhi kwa maeneo yanayofaa.

Kubuni PCBI ilibofya kwenye kichupo cha PCB. Unapohama moja kwa moja kutoka kwa mpangilio unapata fujo na vifaa vyote vilivyounganishwa na mistari ya ratsnest kulingana na athari ulizotengeneza katika mpango. Jambo la kwanza nililofanya ni kubadilisha ukubwa wa PCB kijivu kwa saizi ambayo nilitaka na kuongeza mashimo ya kuongezeka. Niliongeza pia pini 16 za pembejeo na matokeo. Ifuatayo, nilianza kupanga vifaa kwa mtindo wa kimantiki. Nilijaribu kupanga vifaa na unganisho ambavyo vilikuwa karibu na kila mmoja ili kupunguza umbali wa kufuatilia. Nilikwenda hatua ya ziada na kupanga vifaa pamoja kwa lango la mantiki. Moja ya malengo yangu ilikuwa kuweza kuibua jinsi mzunguko unavyofanya kazi na kuweza kufuata "kidogo" kupitia mzunguko. Baada ya hapo, nilitumia kazi ya kujipigia kura ambayo hupitia kiatomati na kuchora ufuatiliaji ulioboreshwa kati ya vifaa. Nilikuwa na wasiwasi kwamba mchakato huu ulikamilisha nyayo zote sahihi kwa hivyo nikapita kukagua tena na kuchora tena njia ambazo walipaswa kuwa. Kwa bahati nzuri, kipengee cha kutengeneza gari kilifanya kazi nzuri sana na ilibidi tu nifuatishe njia kadhaa. Autorouter pia alifanya pembe za kushangaza na athari ambazo sio "mazoezi bora" lakini nilikuwa sawa na hiyo na kila kitu kilifanya kazi vizuri. Kitu cha mwisho nilichofanya ni kuongeza maandishi ambayo yangechapishwa kama skrini ya hariri. Nilihakikisha kuwa vifaa vyote vimeandikwa. Niliingiza pia picha za milango ya mantiki ya kawaida ili kusisitiza upangaji wa vifaa. Picha ya mwisho hapo juu inaonyesha skrini ya silks.

Tengeneza PCBI ilibonyeza kitufe cha kutunga chini ya skrini. Ilinipeleka moja kwa moja kwenye wavuti ya Aisler ambapo niliweza kufanya akaunti na kupakia faili zangu zote za Fritzing. Niliacha mipangilio yote chaguomsingi na kuweka agizo.

Hatua ya 4: Kubuni PCB zingine

PCB zilizobaki ambazo nilihitaji ni bodi ya kiingilio / pato na bodi ya IC. Nilifuata mchakato kama Hatua ya 3 kwa bodi hizi. Pdf ya hesabu imechapishwa hapa chini. Kwa IC, nilifanya unganisho lote kutumia kipengee cha ubao wa mkate. Nilijumuisha mpango wa ukamilifu lakini niliweza kwenda moja kwa moja kutoka kwenye ubao wa mkate hadi kwenye kichupo cha PCB ambacho kilikuwa kizuri sana. Niliongeza pia msingi 10 hadi msingi 2 chati ya ubadilishaji kwenye skrini ya hariri kwenye ubao wa kiolesura cha I / O kabla ya kupakia na kuagiza katika Aisler.

Hatua ya 5: Vipengee vya Soldering kwa PCB

PCB zote zilifika na nilivutiwa sana na ubora. Sikuwa na uzoefu wowote na bidhaa zingine lakini sitasita kutumia Aisler tena.

Kazi iliyofuata ilikuwa kuuza vifaa vyote ambayo ilikuwa mchakato mgumu lakini ustadi wangu wa kutengenezea uliboresha sana. Nilianza na bodi kamili za viboreshaji na kuuzia vifaa kuanzia na transistors, kisha vipinga 1K, kisha vipinga 10K. Nilifuata njia kama hiyo ya kugeuza vifaa vingine kwenye bodi ya I / O na IC. Baada ya kila bodi ya Adder Kamili kukamilika niliwajaribu kwa njia sawa na mkate wa Adder Kamili. Kwa kushangaza, bodi zote zilifanya kazi kwa usahihi bila shida. Hii ilimaanisha kuwa bodi zilipelekwa kwa usahihi na kwamba ziliuzwa kwa usahihi. Endelea kwa hatua inayofuata!

Hatua ya 6: Kumaliza PCB za kubaki

Kazi iliyofuata ilikuwa kugeuza pini zote za kichwa kwa kila bodi. Nilihitaji pia kuongeza waya za kuruka kati ya pini sahihi ya kichwa na pembejeo / matokeo ya bodi za Adder Kamili (A, B, Cin, V +, GND, Sum, Cout). Hatua hii inaweza kuepukwa ikiwa ulibuni PCB tofauti kwa kila ngazi ya mzunguko wa nyongeza lakini nilitaka kupunguza muundo na gharama kwa kuunda PCB moja tu ya Adder kamili. Kama matokeo, unganisho kwa pembejeo / matokeo haya yanahitaji waya za jumper. Mpangilio uliyopewa ni jinsi nilivyokamilisha kazi hii na ni pini gani zilizotumiwa kwa kila ngazi ya bodi za Adder Kamili. Picha zinaonyesha jinsi nilivyouza waya za kuruka kwa kila bodi. Nilianza kwa kuuza waya za bure kwenye pini sahihi kwenye kichwa. Kisha nikauza kichwa kwa PCB. Baada ya kuwa na pini za kichwa na waya za kuruka zilizouzwa mahali, niliuza ncha za bure za waya za kuruka kwa njia sahihi kwenye PCB. Picha hapo juu inaonyesha kufungwa kwa pini za kichwa na waya za jumper zilizouzwa kwao.

Hatua ya 7: Kuwezesha nyaya

Nilipanga kutumia usambazaji wa umeme wa pipa ya 12V DC kwa mradi huu kwa hivyo nilibuni bodi ya kiolesura cha I / O kuwa na jack / kontakt ya pipa ya DC kwa pembejeo ya umeme. Kwa sababu nilikuwa nikitumia bodi moja ya I / O na nilitaka kutumia usambazaji wa umeme pekee nilihitaji kudhibiti voltage kwa 5V kwani hii ndio pembejeo kubwa ya SN7483A IC. Ili kukamilisha hii nilihitaji mdhibiti wa 5V na swichi ambayo inaweza kugeuza kati ya 12V na 5V. Mpangilio hapo juu unaonyesha jinsi nilivyounganisha mzunguko wa umeme pamoja.

Hatua ya 8: Uchapishaji wa 3D Msingi

Sasa kwa kuwa wiring na soldering imekamilika, nilihitaji kugundua jinsi yote ingefanyika pamoja. Nilichagua uchapishaji wa CADing na 3D muundo ambao ungeshughulikia na kuonyesha sehemu zote za mradi huu.

Nilihitaji maeneo ya kuweka PCB na bolts na standoffs. Viongezeo vilivyowekwa ni vya kupendeza zaidi na nilitaka kuwa na zile zinazoonyeshwa wakati hazitumiki kwa hivyo nilitaka mahali pa kuhifadhi PCB ya IC. Nilihitaji kubeba mzunguko wa umeme na vipandikizi vya swichi na kipipa cha DC cha pipa / kontakt. Mwishowe, nilitaka aina fulani ya kesi ya kuonyesha iliyofungwa ili kuzuia vumbi kukusanyika kwenye PCB zilizo wazi kwa hivyo nilihitaji mahali pa kukaa kukaa.

Uundaji wa 3DNilitumia Fusion360 kubuni msingi. Nilianza na vipimo vya PCB na nafasi ya mashimo yanayopanda. Baada ya hapo nilitumia msururu wa michoro na utaftaji kuweka urefu na saizi ya msingi na alama za kuweka PCB. Ifuatayo nilifanya vipandikizi vya ua, na mzunguko wa nguvu. Kisha, nilitengeneza eneo la kuhifadhi PCB ya IC wakati haitumiki. Mwishowe niliongeza maelezo ya kumaliza na kuipeleka kwa Cura, programu yangu ya kukata.

UchapishajiNichagua filamenti nyeusi ya PLA. Uchapishaji ulichukua zaidi ya masaa 6 na ukawa mzuri. Kwa kushangaza, vipimo vyote vilikuwa sahihi na kila kitu kilionekana kama kitatoshea vizuri. Picha hapo juu inaonyesha uchapishaji baada ya kuongeza msimamo kwenye mashimo yanayopanda. Walikuwa fit kamili!

Hatua ya 9: Mkutano

Ingiza msimamo. Niliweka msimamo wote kwenye mashimo yaliyowekwa juu ya msingi.

Weka mzunguko wa nguvu ndani ya msingi. Nilikuwa nimeunganisha kila kitu pamoja na kuvuta vifaa vyote kupitia shimo kwa swichi. Ifuatayo, niliingiza jack / adapta ya nguvu nyuma ya msingi. Nilisukuma mdhibiti wa 5V kwenye mpangilio wake na mwishowe swichi iliweza kushinikizwa kuwekwa kwenye nafasi.

Weka PCB ya I / O. Niliweka PCB ya IC kwenye nafasi yake ya kuhifadhi na kuweka PCB ya interface ya I / O juu. Nilipunguza PCB kwa kutumia bolts 4x M3 na dereva wa hex. Mwishowe nikachomeka pipa ya DC ndani ya PCB.

Bodi ya Adder PCB. Niliweka Adder ya kwanza mahali pake. Nilipiga chini nyuma ya PCB ndani ya mashimo ya kupandisha nyuma na kusimama 2. Nilirudia mchakato huu hadi Adder wa mwisho alipokuwepo na kuulinda na bolts 2 zaidi za M3.

Fanya kiambatisho. Nilitumia akriliki 1/4 kwa kiambata. Nilipima urefu wa mwisho wa mradi na, na vipimo vya CAD, nilikata vipande 5 kwa pande na juu kutengeneza sanduku rahisi na chini wazi. Nilitumia epoxy gundi vipande vyote kwa pamoja.

Uko Tayari Kuhesabu

Hatua ya 10: Kuhesabu na Kulinganisha

Chomeka kikokotoo chako kipya na anza kuongeza! Chati ya msingi 10 hadi 2 inaweza kutumika kubadilisha haraka kati ya binary na nambari. Ninapendelea kuweka pembejeo kisha kugonga "sawa" kwa kubonyeza swichi ya nguvu na kutazama pato la binary kutoka kwa LED.

Kulinganisha vifaa vyenye tofauti na mzunguko ulijumuishwa. Sasa, unaweza kufungua Viongezeo kamili na kuziba SN7483A IC kwenye ubao wa I / O. (Usisahau kupindua swichi kuelekea mwelekeo tofauti ili kuwezesha IC na 5V badala ya 12V). Unaweza kufanya mahesabu sawa na utapata matokeo sawa. Inavutia sana kufikiria kuwa sehemu ya Adder na IC hufanya kazi kwa njia ile ile kwa kiwango tofauti kabisa. Picha zinaonyesha pembejeo sawa na matokeo ya mizunguko.

Hatua ya 11: Hitimisho

Natumai umefurahiya mradi huu na umejifunza kama vile mimi. Inaridhisha sana kujifunza kitu kipya na kuibadilisha kuwa mradi wa kipekee ambao pia unachukua kujifunza ustadi mpya kama muundo wa PCB / upotoshaji. Hesabu zote zimeorodheshwa hapa chini. Kwa mtu yeyote anayevutiwa naweza pia kuunganisha faili zangu za PCB Gerber ili uweze kutengeneza Kikokotoo chako cha 4-bit Binary. Kufanya furaha!