Viljelijä, kettu, hanhi, viljapalapeli: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Kun olin lapsi, otin käsiini isäni kirjan, nimeltään The Scientific American Book of Projects For The Amateur Scientist. Minulla on edelleen kirja, ja ymmärrän, että se on vaikea kirja näinä päivinä. Mutta voit lukea sen verkossa nyt. Tämä kirja esitteli minulle monia asioita, mutta kiinnostukseni herätti luku matemaattisista koneista. Se voi hyvinkin olla se asia, joka sai minut lähtemään myöhempään uraan ohjelmistokehityksen parissa.

Tässä luvussa kuvataan palapelinratkaisukoneita, jotka käyttävät aikapiirejä… jotka edeltivät nykyaikaisia integroituja piirejä tai jopa transistoreita (releiden avulla). Mutta jotkut samoista käsitteistä olivat olemassa, logiikkalaitteet, jotka ovat olennaisesti sama asia kuin nykyaikaiset tietokoneet käyttävät edelleen.

Nykyään voit helposti ja halvalla hankkia kokonaisia tietokonejärjestelmiä muutamalla dollarilla ja ohjelmoida palapelin tai pelin. Mutta voit myös tehdä paljon asioita alemmalla tasolla käyttämällä logiikkaportteja, joista tietokoneet on rakennettu, luomaan räätälöityjä laitteita palapelillesi. Vaikka tämä ei ehkä ole käytännöllistä tai ihanteellista, sen avulla voit oppia, kuinka tietokoneet todella toimivat. Se on myös tavallaan hauskaa.

Vaihe 1: Tarvittavat materiaalit

Voit rakentaa tämän kokonaan Tinkercad Circuitsissa ja simuloida palapelin todellista toimintaa.

Jos haluat rakentaa sen fyysisesti, tarvitset seuraavat asiat:

4 vaihtokytkintä tai liukukytkintä.

1 painike (hetkellinen)

2 pientä leipälautaa.

9 LEDiä.

9 1K vastusta.

1 7475 nelisalpainen siru

2 7408 quad JA portit

1 7432 quad OR -portti

1 akku sisältää 3 AA- tai AAA -kennoa.

hyppyjohtimien sarja.

74xx -sarjan siruille voit käyttää mitä tahansa muunnelmaa. IE, 74xx -versiot ovat alkuperäinen TTL, mutta voit käyttää myös 74LSxx -versioita (pienempi virrankulutus) tai 74HCxx (jopa pienemmän tehon CMOS -versiot) jne. Muista vain, että 74xx- ja 74LSxx -versioita on helppo käsitellä, mutta kaikki muut muunnelmat ovat herkkää staattista sähköä.

Vaihe 2: Boolen logiikka

Boolen logiikka saattaa kuulostaa pelottavalta, mutta se on oikeastaan aika yksinkertaista. Boolean tarkoittaa vain sitä, että olet tekemisissä vain 1: n ja 0: n tai tosi ja epätosi kanssa. Tai elektroniikassa, + ja -. Sen logiikkaosassa on vain paljon "jos tämä sitten se". Yksinkertaisimmat logiikkaoperaatiot ovat yksinkertaisesti nämä kolme asiaa: AND, OR ja NOT. Näitä kutsutaan portteiksi, koska ne toimivat olennaisesti kirjaimellisesti portteina sähkövirtaan piirin läpi.

AND -portti toimii seuraavasti. Siinä on kaksi tuloa ja yksi lähtö. Nämä kaksi tuloa voivat olla 1 tai 0 ja lähtö 1 tai 0. AND -portille, jos molemmat tulot ovat 1, lähtö on 1. Muussa tapauksessa se antaa a 0.

TAI -portille siinä on myös kaksi tuloa ja yksi lähtö. Jos toinen tai toinen tulo on 1, ulostulo on 1.

Viimeinen portti on NOT -portti, ja siinä on vain yksi tulo ja yksi lähtö. Jos tulo on 1, niin lähtö on 0. Jos tulo on 0, se antaa a 1.

OR- ja AND -porteissa voi olla myös enemmän kuin 2 tuloa. Yksinkertaisuuden vuoksi ne voidaan näyttää siten, että yhteen porttiin menee kaksi tai useampia rivejä, mutta itse asiassa 3 -tuloportti on vain kaksi 2 tuloporttia, joista toinen syötetään toiseen.

Tiedät nyt kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää tietokoneen rakentamiseksi. Jopa uusimmat tietokoneet käyttävät vain näitä kolmea asiaa, vaikka ne saattavat käyttää niitä miljoonia.

Joten rakennetaan palapeli.

Vaihe 3: Viljelijä, kettu, hanhi ja viljapalapeli

Kirjan ensimmäinen asia on logiikkapiiri, jolla luodaan klassinen palapeli maanviljelijästä, ketusta, hanhesta ja viljasta. Tämä palapeli on ollut olemassa satoja vuosia eri muodoissa. Se on logiikan peruspalapeli, jossa on vain muutama sääntö. Palapeli on seuraava.

Viljelijällä on kettu, hanhi ja viljaa. Hän tulee joelle, jonka hänen on ylitettävä, ja siellä on vene, mutta se voi pitää vain hänet ja yhden muun asian kerrallaan.

Hän ei voi jättää kettua hanhen kanssa, koska kettu syö hanhen. Niin ketut tekevät, se on vain heidän luonteensa.

Hän ei voi jättää hanhet viljan kanssa, koska hanhi syö sen.

Kuinka hän voi viedä kaikki kolme turvallisesti joen toiselle puolelle?

Tämän palapelin luomiseksi tarvitsemme muutamia asioita. Aloita ensin neljällä kytkimellä, yksi kullekin viljelijälle, ketulle, hanhelle ja viljalle. Näin asetamme veneeseen menevän.

Toiseksi tarvitsemme palapelin muistaa, missä kaikki on askel askeleelta.

Sitten tarvitsemme painikkeen, joka kertoo, milloin venettä on siirrettävä.

Lopuksi tarvitsemme logiikkaa sääntöjen noudattamiseksi.

Vaihe 4: Muisti

Muistaaksemme tämän palapelin kohteiden sijainnit käytämme jotain kehittyneempää kuin alkuperäisessä piirissä käytetyt releet. Kun tämä kirja kirjoitettiin, transistoreita ei ollut, mutta niissä oli releitä. Nämä releet on kytketty siten, että kun painat painiketta, ne sulkeutuvat ja pysyvät kiinni, kunnes painat painiketta toisella puolella.

Tänään käytämme yleistä ja halpaa osaa, jota kutsutaan 4 -bittiseksi salpaksi. "Bitti" tietokoneen logiikassa viittaa vain yhteen 1 tai 0. Se on sama asia kuin numero. Tämä integroitu piiri (tai "IC" tai "Chip") sisältää 4 logiikkakomponenttia, jotka tunnetaan nimellä flip flops. Flip flop on vain pari porttia, jotka on konfiguroitu niin, että kun annat sille tulon 1 tai 0, se antaa 1 tai 0 ja pysyy sitten "jumissa". Siksi nimi flip / flop. Se kääntyy 1: stä 0: een tai floppi 0: sta 1: een (vai onko se toisinpäin?) Ja pysyy siellä. Tämä tekee pohjimmiltaan saman asian kuin neljä releet vanhassa piirissä.

Voit tehdä yksinkertaisen flip flopin, jossa on vain kaksi porttia, mutta tämän salvan ovissa on lisäominaisuus (vaatii vielä muutaman portin). Sen sijaan, että lähtö muuttuisi välittömästi tulon muuttuessa, sillä on toinen tulo, joka ottaa käyttöön tai poistaa käytöstä tulot. Normaalisti se pysyy poissa käytöstä. Näin voit asettaa kaksi kytkintä (maanviljelijä ja yksi muu) ennen kuin se yrittää lähettää veneen toiselle puolelle. Piirimme on jo älykkäämpi kuin vanha.

Meillä on nyt kyky asettaa ja muistaa palapelimme kaikkien periaatteiden sijainnit.

Tässä on piirimme toistaiseksi: 4 -bittinen salpa

Vaihe 5: Säännön logiikka

Jotta voisimme valvoa sääntöjä ja ilmoittaa ongelmista, käytämme joitain boolean logiikkaportteja tarvittavien rajoitusten toteuttamiseksi.

Tarvitsemme neljä testiä selvittääksemme, onko ongelma - jos jokin näistä on totta, sytytä varoitus.

1. Jos vilja ja hanhi ovat joen toisella puolella eivätkä maanviljelijä.

2. Jos kettu ja hanhi ovat joen toisella puolella eivätkä maanviljelijä.

3. Jos maanviljelijä ylittää joen, eikä kettu eikä hanhi ole hänen kanssaan.

4. Jos maanviljelijä ylittää joen eikä hänen kanssaan ole viljaa eikä hanhia.

Huomaa tapa, jolla olen muotoillut tämän täsmälleen vastaamaan käyttämäämme logiikkaa, jotka ovat JA -portteja, joissa on joko salvan normaali tai käänteinen lähtö, ja käänteiset toimivat "ei" tai "EI".

Koska mikä tahansa niistä voi olla totta, aiheuttaen ongelman, ne kaikki syötetään TAI -porttiin.

Valmis logiikka, mukaan lukien 4 -bittinen salpa, näkyy kuvakaappauksessa. Tämä on ohjelmasta nimeltä logicaly. Tämä ohjelma on loistava logiikan kulun näyttämiseen kytkimiä käsiteltäessä, korostamalla sinisellä 1 -arvoiset liitännät. Olen liittänyt tiedoston, johon voit ladata loogisesti.

Vaihe 6: Todellisen piirin prototyyppi

Nyt voimme luoda todellisen toimivan piirin. Käyttämällä Tinkercad -piirejä voimme tehdä tämän simuloimalla laitteiston todellista ulkoasua ja toimivuutta.

Tinkercad on sisäänrakennettu 7475 4 -bittinen salpa, joten tämä osa on helppo. Porteissa olen valinnut käyttää kahta pelimerkkiä, joissa on 4 AND -porttia (7408). Luodaksemme neljä, kolme tulo- ja porttia käytämme kahta AND -porttia, joiden yhden lähtö menee toisen tuloon. Tämä jättää 1 tulon toiseen ja 2 tuloa ensimmäiseen, jolloin syntyy 3 tulon AND -portti. TAI -portille teen saman. Neljä TAI -porttisiru käyttää kahta TAI -porttia, joiden lähdöt menevät kolmanteen TAI -porttiin. Yksi portti jää käyttämättä.

Suorita simulaatio Tinkercad -piireillä