LXF162:CPU своими руками

Подписка на печатную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подписка на электронную версию Весь 2015 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

Подшивки старых номеров журнала (печатные версии) Весь 2014 год (12 номеров) Первое полугодие (6 номеров) Второе полугодие (6 номеров)

CPU свои­ми ру­ка­ми

Часть вто­рая

Еще два ком­по­нен­та элек­трон­но­го серд­ца ва­ше­го CPU: Джо­на­тан Ро­бертс под­во­дит вас на шаг бли­же к ра­бо­че­му про­цес­со­ру.

В LXF158 мы по­ка­за­ли вам, как по­стро­ить соб­ст­вен­ный ком­пь­ю­тер из ба­зо­вых элек­трон­ных бло­ков. По су­ти, мы из­го­то­ви­ли дво­ич­ный сум­ма­тор. Мы за­кон­чи­ли ста­тью, ска­зав, что соз­дан­ное на­ми — это еще да­ле­ко не на­стоя­щий ком­пь­ю­тер, и вам нуж­ны еще несколь­ко ком­понен­тов, пре­ж­де чем ва­ша ма­ши­на смо­жет пре­тен­до­вать на звание ком­пь­ю­те­ра.

В этой ста­тье мы рас­смот­рим дальней­шие ша­ги и пред­ста­вим вам еще несколь­ко ком­понен­тов, про­де­мон­ст­ри­ро­вав, как рас­ши­рить воз­мож­но­сти ва­ше­го сум­ма­то­ра до вы­полнения дру­гих дей­ст­вий (AND [И], XOR [ИСКЛ.ИЛИ] и NOT [ИЛИ]) и соз­дать це­пи па­мя­ти для хранения вво­да и вы­во­да.

Пе­ред чтением этой ста­тьи вам сто­ит про­честь пре­ды­ду­щую часть, что­бы осве­жить па­мять, по­сколь­ку мы ис­хо­дим из то­го, что вы с ней оз­на­ком­ле­ны. Ес­ли у вас нет эк­зем­п­ля­ра LXF158, вы смо­же­те най­ти PDF этой ста­тьи на дис­ке это­го ме­ся­ца.

Де­ко­дер

Пер­вый ком­понент, ко­то­рый мы рас­смот­рим – это де­ко­дер, или, точнее, линей­ный де­ко­дер. Он очень прост, но очень удо­бен в ра­бо­те и сам по се­бе, и де­ко­де­ры так­же ис­поль­зу­ют­ся в муль­ти­п­лек­со­рах – что ис­клю­чи­тель­но важ­но для осталь­ной час­ти на­шей ста­тьи.

По су­ти, все де­ко­де­ры по­зво­ля­ют сде­лать вы­бор из мно­же­ст­ва вы­хо­дов, ис­поль­зуя толь­ко по­ло­ви­ну вхо­дов. Бо­лее кон­крет­но – при един­ст­вен­ном вхо­де де­ко­дер по­зво­лит вам вы­би­рать ме­ж­ду дву­мя вы­хо­да­ми, два вхо­да обес­пе­чат вам вы­бор из че­ты­рех вы­хо­дов, и т. д. В слу­чае де­ко­де­ров мы го­во­рим не о вхо­де и вы­хо­де, а об ад­рес­ной линии и линии пе­ре­да­чи дан­ных. Таб­ли­ца ис­тин­но­сти для про­сто­го линей­но­го де­ко­де­ра 1-в-2 раз­ме­ще­на ниже, а схе­ма со­единений при­ве­де­на на рис. 1.

Рис. 1. На этой схе­ме вы ви­ди­те ли­ней­ный де­ко­дер 1-в-2 сле­ва и муль­ти­п­лек­сор 2-в-1 спра­ва. Ус­лов­ное обо­зна­че­ние ни­же — это встро­ен­ное пред­став­ле­ние KTechlab, где X0 и X1 — эк­ви­ва­лен­ты I0 и I1.

Как ви­ди­те, все очень про­сто. Ад­рес­ная линия раз­двое­на, и вход NOT раз­ме­щен на од­ном от­ветв­лении это­го раз­двоения. Та­ким об­ра­зом, толь­ко од­на из этих линий пе­ре­да­чи дан­ных мо­жет за один раз пе­ре­дать 1.

Муль­ти­п­лек­со­ры

Муль­ти­п­лек­сор по­до­бен де­ко­де­ру, но спо­со­бен на боль­шее. Вме­сто вы­бо­ра ме­ж­ду дву­мя линия­ми пе­ре­да­чи дан­ных, он ис­поль­зу­ет ад­рес­ную линию для вы­бо­ра ме­ж­ду дву­мя вхо­да­ми, и вы­бран­ная ве­ли­чи­на (0 или 1) бу­дет пе­ре­на­прав­ле­на на един­ст­вен­ную линию пе­ре­да­чи дан­ных.

Его таб­ли­ца ис­тин­но­сти приведена ниже, а его схе­му со­единений вы так­же мо­же­те уви­деть на рис. 1. На этой схе­ме вы ви­ди­те, что муль­ти­п­лек­сор – это про­сто рас­ши­рен­ный де­ко­дер.

Боль­ше ло­ги­ки

Рис. 2. АЛУ, ис­поль­зую­щее муль­ти­п­лек­со­ры для обес­пе­че­ния вы­бо­ра ме­ж­ду опе­ра­ция­ми.

Что­бы это про­де­мон­ст­ри­ро­вать, мы ском­биниру­ем наш пол­ный сум­ма­тор с про­шло­го раза с дру­ги­ми ло­ги­че­­ски­­ми схе­ма­ми (AND, OR и XOR), и ис­поль­зу­ем муль­ти­п­лек­сор для ука­зания опе­ра­ций, ко­то­рые тре­бу­ет­ся вы­полнить.

Пер­вое, что нуж­но сде­лать – соз­дать ло­ги­че­скую схе­му. Это про­сто, по­сколь­ку, что­бы вы­полнить AND для двух дво­ич­ных чи­сел, все, что вам нуж­но сде­лать – это со­единить ка­ж­дый из пер­вых би­тов с вхо­дом AND, вто­рые би­ты – с дру­гим, тре­тьи – с дру­гим, и так да­лее. То же вер­но и для опе­ра­ций OR и XOR. По­ка что мо­же­те оста­вить вы­хо­ды несо­единен­ны­ми.

При­смот­рев­шись внима­тельнее, вы смо­же­те уви­деть все это на рис. 2. Од­на­ко помните, что KTechlab не очень хо­ро­шо ра­бо­та­ет со слож­ны­ми схе­ма­ми, по­доб­ны­ми этой, и будь­те внима­тель­ны, ри­суя со­единения – про­ще все­го бу­дет пе­ре­вес­ти это в ре­жим Manual, вы­брав нуж­ную оп­цию под знач­ком с крас­ной руч­кой.

Сде­лав это, соз­дай­те че­ты­ре муль­ти­п­лек­со­ра, на­стро­ив дли­ну ад­ре­са ка­ж­до­го на два. Это мож­но сде­лать, щелк­нув по муль­ти­п­лек­со­ру, за­тем за­гля­нув в поя­вив­шую­ся панель спра­ва (Item Editor). По­лу­чит­ся муль­ти­п­лек­сор с че­тырь­мя вхо­да­ми, ме­ж­ду ко­то­ры­ми вы смо­же­те вы­би­рать, соз­да­вая раз­ные ком­би­на­ции двух ад­рес­ных линий.

Да­лее, со­едините пер­вый вход AND, вход OR, вход XOR и сум­ма­тор с пер­вым муль­ти­п­лек­со­ром, вто­рой вход – со вто­рым муль­ти­п­лек­со­ром, и так да­лее. За­тем со­едините ло­ги­че­­ские вы­во­ды с со­единением муль­ти­п­лек­со­ра, от­ме­чен­ным x, и, на­конец, при­сое­дините еще два ло­ги­че­­ских вво­да: один – ко всем A0, и дру­гой – ко всем A1 на муль­ти­п­лек­со­рах.

Все это по­ка­за­но на рис. 2, хо­тя вы мо­же­те так­же за­гру­зить схе­му с дис­ка – ALU.circuit – и рас­смот­реть ее хо­ро­шень­ко. Важ­ная под­сказ­ка: все долж­но быть вы­ровнено, по­то­му что начнет­ся боль­шая пу­таница, ес­ли би­ты од­но­го и дру­го­го вхо­дов пой­дут в раз­ном по­ряд­ке, а по­ря­док вы­ход­ных би­тов то­же ока­жет­ся дру­гим!

• Метамодернизм в позднем творчестве В.Г. Сорокина
• ЛитРПГ - последняя отрыжка постмодерна
• "Ричард III и семиотика"
• 3D-визуализация обложки Ridero создаем обложку книги при работе над самиздатом.
• Архитектура метамодерна - говоря о современном искусстве, невозможно не поговорить об архитектуре. В данной статье будет отмечено несколько интересных принципов, характерных для построек "новой волны", столь притягательных и скандальных.
• Литература
• Метамодерн
• Рокер-Прометей против изначального зла в «Песне про советскую милицию» Вени Дркина, Автор: Нина Ищенко, к.ф.н, член Союза Писателей ЛНР - перепубликация из журнала "Топос".
• Как избавиться от комаров? Лучшие типы ловушек.
• Что делать если роблокс вылетает на windows
• Что делать, если ребенок смотрит порно?
• Почему собака прыгает на людей при встрече?
• Какое масло лить в Задний дифференциал (мост) Visco diff 38434AA050
• О чем может рассказать хвост вашей кошки?
• Верветки
• Отчетность бюджетных учреждений при закупках по Закону № 223-ФЗ
• Срок исковой давности как правильно рассчитать
• Дмитрий Патрушев минсельхоз будет ли преемником Путина
• Кто такой Владислав Поздняков? Что такое "Мужское Государство" и почему его признали экстремистским в России?
• Как правильно выбрать машинное масло в Димитровграде?
• Как стать богатым и знаменитым в России?
• Почему фильм "Пипец" (Kick-Ass) стал популярен по всему миру?
• Как стать мудрецом?
• Как правильно установить FreeBSD
• Как стать таким как Путин?
• Где лучше жить - в Димитровграде или в Ульяновске?
• Почему город Димитровград так называется?
• Что такое метамодерн?
• ВАЖНО! Временное ограничение движения автотранспортных средств в Димитровграде
• Тарифы на электроэнергию для майнеров предложено повысить

Рас­смот­рев схе­му по­бли­же, вы уви­ди­те ря­дом с ад­рес­ны­ми вхо­да­ми спи­сок зна­чений, на ко­то­рые они долж­ны быть на­строе­ны для вы­бо­ра раз­ных опе­ра­ций. В на­стоя­щем ком­пь­ю­те­ре это име­ну­ет­ся opcodes (со­кра­щение от «ко­ды опе­ра­ций»). Их нуж­но пе­ре­дать про­цес­со­ру, что­бы за­ста­вить его вы­полнить оп­ре­де­лен­ное дей­ст­вие. Ря­дом с ко­да­ми на­хо­дят­ся трех­бу­к­вен­ные опи­сания функ­ций – это мнемоника, для про­сто­ты за­по­ми­нания и че­ло­ве­ко-чи­тае­мо­го опи­сания то­го, что де­ла­ют раз­ные ко­ды. Ес­ли вы когда-нибудь пи­са­ли на язы­ке ас­семб­ле­ра, то это как раз и есть мнемониче­­ские зна­чения, ко­то­рые ком­пи­ля­то­ры ас­семб­ле­ра за­тем пре­вра­ща­ют в дво­ич­ные эк­ви­ва­лен­ты.

Вот та­ким об­ра­зом и соз­да­ет­ся схе­ма, ко­то­рую мож­но про­ин­ст­рук­ти­ро­вать на вы­полнение вся­ких опе­ра­ций. Од­на­ко на дан­ный мо­мент ввод в эту схе­му осу­ще­ст­в­ля­ет­ся непо­сред­ст­вен­но на­ми – мы вруч­ную на­страи­ва­ем ло­ги­че­­ский вход, а вы­ход яв­ля­ет со­бой ло­ги­че­­ские вы­во­ды, ко­то­рые вклю­ча­ют­ся и вы­клю­ча­ют­ся.

А ес­ли мы хо­тим, что­бы вы­ход не про­сто ис­че­зал, но пре­вра­щал­ся во вход сле­дую­ще­го уст­рой­ст­ва? Или ес­ли мы хо­тим за­про­грам­ми­ро­вать вхо­ды за­ранее?

Об­рат­ная связь

Что­бы это сде­лать, нам нуж­на па­мять, и имен­но это станет пред­ме­том осталь­ной час­ти на­шей ста­тьи. Но пре­ж­де чем пе­рей­ти к схе­мам па­мя­ти, начнем с рас­смот­рения по­ня­тия об­рат­ной свя­зи, ко­то­рая ле­жит в осно­ве схем па­мя­ти.

Возь­мем обыч­ный вен­тиль OR. На­помним его таб­ли­цу ис­тин­но­сти:

Дру­гие по­лез­ные опе­ра­ции

Мы ис­поль­зо­ва­ли AND, OR и XOR как при­ме­ры опе­ра­ций для рас­ши­рения на­ше­го сум­ма­то­ра, по­то­му что эти схе­мы про­сты в соз­дании. Но ес­ли вы ра­бо­тае­те с чис­ла­ми без зна­ка, то ло­ги­че­­ский сдвиг вле­во или впра­во мо­жет ока­зать­ся бо­лее ес­те­ст­вен­ным вы­бо­ром для рас­ши­рения на­ше­го сум­ма­то­ра.

Как и пред­по­ла­га­ет на­звание, ло­ги­че­­ский сдвиг вле­во сдви­га­ет все би­ты на од­ну по­зи­цию вле­во, а ло­ги­че­­ский сдвиг впра­во – на од­ну по­зи­цию впра­во. Бит, ко­то­рый вы­па­да­ет, по­те­рян на­всегда, а сво­бод­ное ме­сто, поя­вив­шее­ся в на­ча­ле, занима­ет 0.

Ес­ли чис­ло яв­ля­ет­ся без­зна­ко­вой пе­ре­мен­ной, эти опе­ра­ции име­ют эф­фект ум­но­жения (сдвиг вле­во) или де­ления (сдвиг впра­во) чис­ла на два. Это долж­но быть оче­вид­но, по­сколь­ку ка­ж­дая по­зи­ция име­ет вес в два раза боль­ший, чем по­зи­ция спра­ва от нее.

Сра­ба­ты­вание по пе­ре­па­ду сиг­на­ла

В соз­дан­ном на­ми триг­ге­ре за­держ­ки вход дей­ст­ву­ет, толь­ко когда пе­ре­клю­ча­тель enable уста­нов­лен на 1. Это пре­крас­но, но в ком­пь­ю­те­рах и в циф­ро­вой элек­тронике в це­лом удоб­ны схе­мы, ко­то­рые ак­ти­ви­ру­ет­ся за бо­лее ко­рот­кое вре­мя, то есть по­ка вход enable пе­ре­хо­дит из од­но­го со­стояния в дру­гое. Это по­зво­ля­ет соз­да­вать на­мно­го бо­лее чув­ст­ви­тель­ные схе­мы, с бо­лее тон­ким кон­тро­лем над ними. Когда схе­мы, по­доб­ные триг­ге­ру за­держ­ки, за­пуска­ют­ся во вре­мя пе­ре­бро­са вхо­да enable из 0 в 1, это на­зы­ва­ет­ся уже не триг­ге­ром, а муль­ти­виб­ра­то­ром. Мы го­во­рим о «сра­ба­ты­вании по пе­ре­па­ду сиг­на­ла [edge triggering]».

Быть мо­жет, это зву­чит чуть ли не мис­ти­че­­ски, но ес­ли вы пред­ста­ви­те се­бе гра­фик пря­мо­уголь­ной вол­ны, все станет яс­но. Когда линия вы­со­ко, то вход или вы­ход рав­ны 1; когда она низ­ко, это 0. В слу­чае с триг­ге­ром за­держ­ки вы­хо­ды по­вто­ря­ют вхо­ды все вре­мя, по­ка enable вы­со­ко. В слу­чае с муль­ти­виб­ра­то­ром, он бу­дет реа­ги­ро­вать толь­ко на од­но реб­ро пря­мо­уголь­но­го гра­фи­ка, об­ра­зо­ван­но­го тогда, когда вход enable пе­ре­хо­дит в соc­тояние 1.

Это не про­сто ин­те­рес­но, по­сколь­ку при ра­бо­те со встро­ен­ным D Flip-Flop от KTechlab вам нуж­но обес­пе­чить вклю­чение и вы­клю­чение так­то­во­го сиг­на­ла, что­бы он дей­ст­во­вал. Он сра­ба­ты­ва­ет при пе­ре­хо­де от вы­со­ко­го уров­ня к низ­ко­му, так что вам нуж­но уста­но­вить пе­ре­клю­ча­тель на 1 и сно­ва на 0, что­бы ак­ти­ви­ро­вать муль­ти­виб­ра­тор и за­ста­вить его со­хранить но­вую ве­ли­чи­ну.