Scene.hu

Emlékeztek Linus Åkessonra, vagy közismertebb nevén lft-re? Biztosan sokan érdeklődtök hogyan is sikerült neki összehozni azokat a kis kütyüket, amikre a demóit írja. A legtöbb ilyen akciójáról bőséges információval szolgál weboldalán. Azonban ezek a leírások egyenest kínainak tűnhetnek annak, aki nem tanult legalább alap szinten digitális technikákról vagy esetleg automatizálásról. Nekik igyekszek segíteni ezzel a kis linkgyűjteménnyel. Az itt összegyűjtött anyagok megértése – reményeim szerint – jó alapul szolgál majd a tovább fejlődéshez. Ígérem, hogy a végére mindenki meg fog tudni építeni egy 8-bites számítógépet! ;)

Alapok

Rendben, kezdjük az elején. A digitális technológia használatához azért nem árt ha némi elektrotechnikai és valamivel több elektronikai alapismeretekkel rendelkezünk. Ezen kívül ismernünk kell a 2-es és 16-os számrendszert, valamint a logikai kapukat. Alább találjátok a legfontosabb információkat:

Elektrotechnika (általános iskolás anyag…):

• Töltés
• Áram
• Feszültség
• Ellenállás
• Ohm-törvény
• Kapacitás
• Soros és párhuzamos kapcsolás

Elektronika (érdemes elolvasni a működésük és a lényegesebb jellemzőik):

• Ellenállás
• Kondenzátor
• Dióda
• Tranzisztor
• Tranzisztorok alkalmazásai (angol)

Számrendszerek (szintén ismerős kell, hogy legyen):

• 2-es számrendszer
• 16-os számrendszer

Logikai cucc (az angol leírások csak hardcore wannabe arcoknak):

• Boole-algebra
• Kapuk és típusaik
• Kapuk és helyettesítéseik (angol)
• AND, OR, NAND és NOR kapuk tranzisztorokból (angol)
• XOR és XNOR kapuk tranzisztorokból (angol)

 Bevezetés

Most, hogy az alapokkal mindenki tisztában van, biztonsággal beléphetünk a digitális technika világába. Ezen a linken találtok egy elég bő lére eresztett kis elméleti bevezetést a témába kidolgozott példákkal és gyakorló feladatokkal. Érdemes végig olvasni! Tárgyalja mi a kód és bemutat pár kódolási példát, feleleveníti a logikai kapcsolatokat és leírja a függvények megadási módját, majd tovább halad a különböző egyszerűsítési módokra. Ez utóbbi nagyon fontos abból a szempontból, hogy jobban ki tudjuk használni a különböző chip-eken lévő kapukat. Illetve minél kevesebb elemből tudjuk összerakni az adott funkciót.

Miután ezekkel megismerkedtünk rátérhetünk a gyakorlatiasabb témákra. Megosztom veletek azt a bevezető jellegű egyetemi jegyzetet amiből én tanultam. Sokkal szűkszavúbban magyaráz, mint az előbbi anyag, de hát ez nem is bölcsész téma… :) A jegyzet első 7 fejezete tulajdonképpen ugyanazt a témát taglalja, mint az előző anyag, csak rövidebben, de több és jobb példákkal – ezért javaslom mindenképpen az áttekintését. Nekem legalább is könnyebb ábrákból tanulni, mint szövegből. A következő fejezetek rátérnek a logikai kapukból építhető bonyolultabb elemekre – és itt kezd vadul érdekes lenni a téma. Ezek azok az elemek amik a legózáshoz hasonlóvá teszik a számítógép építést. A vonalválasztók (multiplexerek) kiválasztják a végrehajtandó műveletet a bemenő adatokon, a Flip Flop-ok… billegnek. :) Persze azért nem össze-vissza! Az RS F.F. Például egy 1 bites tárolóként funkcionál – amiből bizony a jól ismert regiszterek és memóriák építhetők -, míg a JK F.F.-ok számlálók és léptető regiszterek létrehozására jók. Ezek működése és használata jól szemléltetett a jegyzetben.

Utólag találtam még egy jegyzetet ami egy kicsit elgondolkodtatott… a PTE-n ilyenekből tanulnak?! O.o Teljes és komplett és halálra taglalt és rengeteg ábrával illusztrált kivesézése a teljes témakörnek. Fel sem tudom fogni, hogy mi lett volna ha nekem ilyen jegyzeteim lettek volna anno!

Gyakorlat (Hurrá!)

Amennyiben az eddigieket mind képesek voltatok abszorbeálni, akkor már semmi nem állíthat meg benneteket, mert hiszitek vagy sem, meglehetősen kevés dolog létezik ezeken a dolgokon kívül. Nosza teszteljük is le a tudásotok. Az alábbi angol nyelvű projektek különböző memóriák építését tárgyalják:

• 3-bites TTL RAM (Felismeritek-e az RS Flip Flop-ot?)
• 1-bites CMOS RAM (Össze tudnátok rakni az ehhez használt Master-Slave D Flip Flop-ot?)
• 1 byte CMOS RAM a chips-es zacskóból (Integrált NAND kapus megvalósítás.)
• 1-bites SRAM (Csak a teljesség kedvéért…)
• 3 x 4-bites címezhető RAM modul (Ez már a real thing!)
• 4-bites összeadó áramkör IC verzió  (Készül már az ALU! :) )
• 4-bites összeadó áramkör tranzisztorokból (Összehasonlítás képpen…)

A zavartság eloszlatása végett vegyük át röviden, hogy mit érdemes tudni a TTL és a CMOS technológiákról. Ezek a megoldások mind logikai áramkörök építésére készültek, tehát funkciójukban azonosak, de felépítésükben mások. A CMOS térvezérlésű tranzisztorokat (MOSFET-eket) használ, e végett csak logikai szint váltásakor fogyaszt energiát. Ezért használják előszeretettel nem hálózatról működő kütyükben. Azonban a működési frekvenciájuk növelésével fogyasztásuk nagyobb mértékben nő TTL társaikéhoz képest. Működésüknek köszönhetően van némi inkompatibilitás a két technológia között, bár az utóbbi időben a CMOS gyártóknak vannak TTL-t helyettesítő verzióik (kompatibilis ki – és bemeneti jel, azonos lábkiosztás) csak tudni kell melyik melyik. Ez a cikk tárgyalja részletesen a helyettesítési lehetőségeket és a jelkorrekciót is – ha netán valaki kénytelen ez utóbbit választani.

Rend! Akkor most már láttuk hogyan is működnek az eddig tanult digitális technikák a gyakorlatban. Bátran belevághattok valami nagyobb mókába. Mondjuk egy CPU megépítésébe, vagy egy már meglévő processzor felhasználásával építhettek saját számítógépet. Íme néhány projekt ami pontosan ezt teszi:

• 12-bites processzor építése (Nagyon jól magyarázza az egyes részek felépítését.)
• 8-bites számítógép építése Z80-nal (Könnyen beszerezhető és olcsó Z80 CPU-val)
• 8-bites számítógép építése (Komplett gép nulláról!)

Ne felejtsük el, hogy manapság már rengeteg komplex áramkör és cél IC könnyen és olcsón megvásárolható a sarki vegyesboltban. Ha az eddig tárgyalt alapokat ismerjük, akkor gyakorlatilag bármit össze tudunk állítani pillanatok alatt. Annyi a dolgunk csupán, hogy kitaláljuk mit szeretnénk és az milyen elemekből lesz összelegózva. Ez után már csak az illesztéseket kell kitalálnunk, amit viszonylag könnyen megtehetünk az elemek leírásaiból – amik persze könnyen hozzáférhetőek az interneten. Szintén észben tartandó, hogy mindig vannak olyan emberek akik szívesen megosztják a tapasztalataikat a megfelelő fórumokon és szívesen adnak tanácsot a tervezéshez.

Könyvek

Álljon itt egy lista a beszerezhető könyvekről segítségképp a témában. Várom a javaslatokat!

• Gergely István – Elektrotechnika
  Alapvető elektrotechnikai ismeretek és feladatok középiskola I-II osztály számára.
• Kovács Csongor – Elektronikus áramkörök
  Alapvető áramkörök középiskola III osztály számára.
• Kovács Csongor – Elektronika
  A leggyakrabban használt analóg és digitális áramkör típusokat vesézi ki mélységében.
• Szittya Ottó – Digitális és analóg technika informatikusoknak I-II
  Felsőoktatási tankönyvek. Meglehetősen komoly tartalommal a témában.
• Texas – TTL receptek
  A Texas Instruments által kiadott TTL áramkör gyűjtemény. Kész megoldások adott problémákra.
• Veres László, Simkó György, Urbán István – PC bővítő kapcsolások I-II
  Nem mai darab, de még használható megoldásokat tárgyal és jó tanulási lehetőség ha PC-nkhez saját hardvert szeretnénk építeni.
• Jákó Péter – Digitális hangtechnika
  Tárgyalja a hangtechnikában használt különböző digitális rendszereket, mint a konverterek, adattömörítés, stb… jópár adattárolási módszert, mint a CD, DVD, mágneslemezes és szalagos rögzítők, stb… ezen kívül még rengeteg advanced stuff-ot is részletesen.
• Dr. Gárdus Zoltán Ph. D. – Mikroprocesszorok és alkalmazásuk
  Ez egy oktatási segédlet, amiben – megint csak szerintem – minden fontosabb tudnivaló megtalálható az Intel 8085, 8086 és 8088 processzorok plusz a 8255 PIO programozásáról.

…

Ha valaki úgy gondolná, hogy nincs elég pénze ehhez az egészhez, annak itt egy lista az elérhető ingyenes szimulációs szoftverekről.

Jómagam inkább ezt a kevésbé komoly megoldást szeretem: Minecraft. Igaz nem ingyenes, de tartalmaz egy elég jó digitális áramkör szimulációs rendszert, ami TTL szintű logikához töklétes. Nem beszélve a rengeteg extráról ami a játékkal jár… :) ÉS ha netán valakinek ez nem lenne elég komoly, annak üzenem, hogy nézze meg ezt a játékban épített 8-bites 5 műveletet ismerő CPU-t 16 byte RAM-mal 0.08 Hz-es órajellel és gondolja át újra:

Ha netán azt hinnétek, hogy ez csak egy nagyon ráérő ember alkotása, akkor megint csak csalódnotok kell. Ugyanis egy hegynyi ember építgeti nap mint nap a saját kis CPU-it, ALU-it és egyéb hasonló kütyüit. Bizonyítéknak itt egy fórum téma ahol rengeteg ilyet találtok.