หน่วยความจำสำหรับคอมพิวเตอร์ที่ง่ายที่สุด (Pi0K)

ฉันต้องการสร้างคอมพิวเตอร์ที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะทำได้ ฉันไม่สนใจเกี่ยวกับความเร็วหรือการจัดเก็บแน่นอนการมีความเร็วช้าและการจัดเก็บข้อมูลต่ำเป็นข้อได้เปรียบอย่างมากเนื่องจากฉันต้องการสร้างมันจากทรานซิสเตอร์ มันจะถูกตั้งโปรแกรมผ่าน Raspberry Pi ซึ่งจะโฮสต์กล้องเพื่อให้คุณสามารถดูการทำงานของนาฬิกาแต่ละรอบได้ (ใช่มันจะทำงานที่ Hz ไม่ใช่ GHz) มันจะเป็นการออกแบบแบบเปิดที่มีจุดประสงค์ให้โรงเรียนสามารถซื้อชิ้นส่วนทำความเข้าใจและปรับปรุงการออกแบบ ดังนั้นงบประมาณทั้งหมดจะต้องอยู่ในระดับต่ำกว่า 400 ปอนด์หรือประมาณ 100 ปอนด์

ฉันค้นคว้ามาหลายปีแล้วและมีความคิดที่ดีสำหรับ CPU (การลงทะเบียนน้อยที่สุด, ไมโครโค้ดในสวิตช์ DIP และการดำเนินการทางตรรกะบิต / การคำนวณทางคณิตศาสตร์เพื่อลดจำนวนทรานซิสเตอร์) สิ่งที่ฉันไม่สามารถหาได้คือวิธีรับหน่วยความจำฉันต้องการ 1024 ถึง 8096 บิต

สิ่งที่ดีที่สุดที่ฉันสามารถทำได้คือเครื่องถอดรหัสแบบ 6 บิตสองตัวที่ให้การเข้าถึงตัวเก็บประจุแบบ 64 x 64 กริด ไม่ว่าพวกเขาจะมีการเรียกเก็บเงินในพวกเขาหรือไม่และการอ่านจะช่วยเสริมสถานะนั้น จะไม่มีไฟ LED บนตัวเก็บประจุเนื่องจากการรีเฟรชของ 'DRAM' นี้จะอยู่ในลำดับหรือนาที (ซึ่งเป็นความอัปยศเพราะนี่เป็นเพียงส่วนเดียวที่จะไม่แสดงสถานะ)

ความคิดอื่น ๆ รวมถึงเทปไดรฟ์บางรูปแบบ (กลไกเทปขนาดกะทัดรัด: การจัดเก็บที่ดี, ซับซ้อนเกินไป, ไม่ต้องค้นหา), หน่วยความจำดรัม (เทปรอบ ๆ ถั่วสามารถ: ยากเกินกว่าที่กลไกการทำงานจะทำงานได้), หน่วยความจำเชิงกล ข้อผิดพลาดบิตมากเกินไป) หน่วยความจำหลัก (แกนเฟอร์ไรต์ขนาดใหญ่ยาก: ยังคงเป็นเรื่องยากมากที่จะได้ขนาดที่ต้องการ), เทป / การ์ด (เรายังสามารถซื้อเครื่องอ่านเทปได้) หมุนดิสก์ที่มีรูเจาะตามลำดับไบนารี หน่วยความจำสำหรับจัดเก็บข้อมูล (ซับซ้อนเกินกว่าจะสร้าง)

ในที่สุดเป้าหมายก็คือการเผยแพร่การออกแบบที่สามารถสร้างในปีการศึกษาที่ทุกส่วนของ CPU และหน่วยความจำจะ 'มองเห็นได้' และเพื่อให้คุณสามารถดูคำแนะนำดึงถอดรหัสเป็นไมโครโค้ดและที่อยู่ถอดรหัส / ลงทะเบียนเข้าถึง / ตรรกะทั้งหมด เกิดขึ้นในช่วงไม่กี่นาที

หากใครมีแนวคิดสำหรับหน่วยความจำราคาถูกจริงๆ (<< £ 100) ที่ชัดเจนว่ามันทำงานอย่างไรโปรดแจ้งให้เราทราบ

โทนี่

สถานะการเล่นปัจจุบันของ PS อยู่ที่http://www.blinkingcomputer.org/

มีหลายคนที่สร้างคอมพิวเตอร์จากทรานซิสเตอร์ไม่ต่อเนื่องไอซีรีเลย์และแม้แต่หลอดสุญญากาศ พวกเขามีตั้งแต่เครื่อง 4 บิตไปจนถึง 32 บิต แน่นอนว่า 4-bitters จะง่ายที่สุดที่คุณสามารถสร้างและทำอะไรก็ได้ ไมโครโปรเซสเซอร์แรกเป็นของ Intel 4 บิต4004

ฉันจะเริ่มต้นด้วยการค้นหา " คอมพิวเตอร์ชง 4 บิตที่บ้าน " ของ Google (โดยไม่ต้องใส่เครื่องหมายอัญประกาศ)

นี่คือบอร์ดจากคอมพิวเตอร์ 4 บิตที่ทำทรานซิสเตอร์

เท่าที่หน่วยความจำดำเนินไปโครงการเหล่านี้บางโครงการซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ไม่ต่อเนื่อง "โกง" และใช้ชิป SRAM พวกเขามีราคาถูกอย่างไม่น่าเชื่อสำหรับหน่วยความจำในระดับปานกลาง32KBอยู่ที่ $ 3.28 และไม่ต้องใช้นาฬิกาและไม่ต้องรีเฟรช

แม้ว่าคอมพิวเตอร์ส่วนที่เหลือของคุณจะใช้รีเลย์ แต่การใช้มันเพื่อความจำจะมีราคาแพง

หากคุณสามารถเข้าถึงได้ด้วย 1K บิตคุณสามารถสร้างขึ้นหนึ่งรายการด้วย flip-flops 2048 2N3904 ของจะมีค่าใช้จ่าย 3 ¢ต่ออัน ($ 60 พร้อมกับส่วนประกอบอื่น ๆ ซึ่งจะถูกกว่า - resisters สำหรับ 1/2 ร้อยละ ฯลฯ ) คุณสามารถทำ PCB ได้ราคา 10 เหรียญต่อคนจากนั้นจ้างเด็กมายัดให้พวกเขา

Relay คอมพิวเตอร์วันที่ทุกทางกลับไปในช่วงปลายปี 1930 และเป็นหนึ่งในคนแรกที่เป็นฮาร์วาร์มาร์คฉัน มันคือที่มาของชื่อสถาปัตยกรรม Harvard (พื้นที่โปรแกรมและข้อมูลแยกต่างหากเมื่อเทียบกับสถาปัตยกรรม von Neumannที่รวมสอง)

คอมพิวเตอร์ถ่ายทอดเบียร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดสร้างขึ้นโดย Harry Porter

ลองชมวิดีโอการทำงานของคอมพิวเตอร์ เตือนฉันเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนโทรศัพท์ระบบไฟฟ้าเก่า

นี่เป็นส่วนหนึ่งของคอมพิวเตอร์ถ่ายทอดสัญญาณที่ใช้ในบ้านอีกเครื่องหนึ่งชื่อว่าZusie :

ไฟกระพริบจำนวนมาก

และสุดท้ายนี่คือลิงค์ไปยังวิดีโอของ adder 4 บิตซึ่งประกอบด้วย 24 รีเลย์ ผู้เพิ่มเช่นนี้เป็นหัวใจของ ALU (หน่วยคำนวณเลขคณิต) ในคอมพิวเตอร์

หากคุณต้องการที่เรียบง่ายหน่วยความจำแล้วมองไม่ไกลออกไปกว่าปัดพลิก ด้วยทรานซิสเตอร์สองตัวและตัวต้านทานสี่ตัวคุณสามารถมีหน่วยความจำได้ทั้งบิต คุณสามารถสร้างฟลิปฟล็อปด้วยประตู NOR แบบข้ามสองคู่หรือเพียงซื้อไอซีที่มีฟลิปฟล็อปอยู่ในนั้น

ในความเป็นจริงแคช CPU ที่เร็วมากนั้นเป็นฟลิปฟล็อปที่รวมเข้ากับ CPU

ฉันเห็นด้วยว่ามันค่อนข้างเจ๋งที่จะมีระบบคอมพิวเตอร์ที่สมบูรณ์พร้อม LED สำหรับทุก ๆสถานะมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์

คอมพิวเตอร์ TIM 8 รีเลย์ใช้ 8 ตัวเก็บประจุไดโอด 2 และ SPDT ถ่ายทอดต่อหนึ่งไบต์ใน 12 ไบต์ของหน่วยความจำหลัก RAM (หน่วยความจำข้อมูล) (TIM 8 มีหน่วยความจำผันแปร 16 ไบต์หากคุณรวมรีจิสเตอร์)

คอมพิวเตอร์รีเลย์ TIM 8 ใช้เทปพันช์สำหรับหน่วยความจำของโปรแกรม

เป็นไปได้หรือไม่ที่จะเปลี่ยนไดโอดเหล่านั้นด้วยไฟ LED จึงมีชีพจรสั้น ๆ ที่แสดงข้อมูลที่เข้าหรือออกจากหน่วยความจำไบต์ บางทีหากระบบ DRAM รีเฟรชอย่างรวดเร็วเพียงพอสแกนทุก ๆ ไบต์ของ RAM ดังนั้นสถานะของบิตทุกอันจะปรากฏให้เห็นที่ LED เหล่านั้น (แม้ว่าในทางเทคนิคจะมีเพียงหนึ่งไบต์ของไฟ LED ที่เปิดใช้งานทันที) (สิ่งเหล่านั้นจะต้องเป็นหลอด LED ที่ค่อนข้างสูงในปัจจุบันหากเราต้องการโหลดและเก็บข้อมูลจากตัวเก็บประจุเหล่านั้นไปยังรีจิสเตอร์ตามรีเลย์)

เป็นไปได้หรือไม่ที่จะวางตัวต้านทานและไฟ LED ข้ามตัวเก็บประจุแบบบิตแต่ละตัวพร้อมกันแสดงสถานะของบิตทุกสถานะได้อย่างแท้จริง? (สิ่งเหล่านั้นจะต้องเป็น LED ที่มีกระแสไฟต่ำและตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ถ้าเราต้องการให้ตัวเก็บประจุเก็บข้อมูลไว้นานพอสำหรับอัตราการรีเฟรชที่สมเหตุสมผลไฟ LED บางตัวสามารถมองเห็นได้ง่ายด้วยกระแส 1 mA เท่านั้นด้วยการรีเฟรช 1 วินาที รอบและตัวเก็บประจุ (คาดเดา) เริ่มต้นที่ 12 โวลต์แม้ว่า (การคาดการณ์) การชาร์จ 7 V บนตัวเก็บประจุก็เพียงพอที่จะเรียกเก็บค่าฮาร์ดแวร์ดาวน์สตรีมแล้วตัวเก็บประจุต้องการคะแนน C ~ = i * t / V = ​​1 mA * 1 s / (12 V - 7 V) = 200 uF.)

แน่นอนว่าสิ่งนี้จะมีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมากมายและใช้แรงงานคนมากขึ้นในการประกอบมากกว่าหน่วยความจำหลักที่ใช้วงจรรวม

ทำไมคุณไม่ใช้ซีพียู 8 บิตอย่างง่าย (เช่น 6502) และหน่วยความจำขนาดเล็กมาก (ลงทะเบียน CPU, IC RAM, และที่เก็บข้อมูลภายนอกจำนวนน้อยมาก (เช่น FD, HD หรือแฟลชดิสก์เป็นต้น) .) จากนั้นอธิบายด้วยสไลด์ต่อไปนี้:

1. ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ส่วนประกอบย่อยและฟังก์ชั่น
2. ระบบปฏิบัติการโปรแกรมระบบและโปรแกรมผู้ใช้
3. โหลดและเรียกใช้งานโปรแกรมอย่างง่ายเพื่อเพิ่ม 2 หมายเลขเข้าด้วยกันจัดเก็บผลลัพธ์ในหน่วยความจำแต่ละประเภทและแสดงผลบนหน้าจอวิดีโอ

หากคุณต้องการให้อุปกรณ์เรียบง่ายและราคาถูกที่สุดให้ใช้ระบบพัฒนาไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นระบบพื้นฐานของคุณหรือแม้กระทั่ง Arduino ก็ง่ายและราคาไม่แพงพอ ไม่มีนักเรียนคนใดที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ถ่ายทอดเรียบง่ายหรือหลอดสุญญากาศ - และไม่ควรมีใครต้องการให้พวกเขาทำเช่นนั้น พวกเขาควรเริ่มด้วยหนังสือที่ดีและ Arduino สำหรับความเข้าใจพื้นฐานของการเขียนโปรแกรม จากนั้นในภายหลังหากพวกเขาต้องการอ่าน / ควบคุมอุปกรณ์ภายนอกพวกเขาสามารถเจาะเข้าไปในการเขียนโปรแกรมเฉพาะหรือเป็นวิศวกรรม

นี่เป็นโครงการที่ดีสำหรับคุณที่จะต้องพิจารณาความคิด:
http://www.instructables.com/id/How-to-Build-an-8-Bit-Computer/?ALLSTEPS

ฉันยอมรับว่ามันค่อนข้างเจ๋งที่จะมีระบบคอมพิวเตอร์ที่สมบูรณ์พร้อม LED สำหรับทุก ๆ สถานะมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์แทนที่จะซ่อนอยู่ในกล่องดำลึกลับ

คุณอาจพิจารณาใช้รถบัสหน่วยความจำมากขึ้นหรือน้อยกว่ามาตรฐานเล็กน้อยขนาน - บางทีสิ่งที่ต้องการ STEbus (IEEE-1000 รถบัส)

คุณอาจลองใช้วงจรรวมเช่น 74HC273 หรือ 74LS373 หรือ 74HC564 เพื่อจัดเก็บข้อมูลเพื่อให้สถานะปัจจุบันของข้อมูลภายในชิปสามารถมองเห็นได้เสมอบน LED ที่เชื่อมต่อกับพินเอาต์พุตแบบขนาน จากนั้นใช้บัฟเฟอร์แบบ 3 สถานะ (เช่น 74HC241 หรือ 74LS245) หรือ mux ซึ่งเชื่อมต่อกับหมุดเอาต์พุตขนานเหล่านั้นเพื่อเชื่อมต่อข้อมูลลงในบัส คุณจะพบกับชิปถอดรหัสหนึ่งในไม่กี่ตัวและชิป 2 ตัวต่อการจัดเก็บ 8 บิต "สิ่งนี้ช่วยให้คุณ ... เพื่อดูข้อมูลที่จัดเก็บจริงในแต่ละไบต์ของ RAM" - พงษ์ผู้ชายของ SAP-1 ง่ายๆเป็นคอมพิวเตอร์ที่เป็นไปได้ที่มี RAM การจัดเรียงเดียวกันจะใช้สำหรับการลงทะเบียนในJaromir ของ Fourbit CPUหรือลงทะเบียนในไคล์ 8 บิตปาเก็ตตี้ CPU

ราคาปัจจุบัน (2559) จาก Mouser.com อยู่ที่ประมาณ $ 0.11 / บิตในจำนวน 10 สำหรับการจัดเรียง (สลักหน่วยเก็บแปดฐานหนึ่งบวกหนึ่งบัฟเฟอร์ฐานแปด 3 รัฐต่อ 8 บิต) และ $ 0.05 / บิตสำหรับหลอด LED ใหม่ในปริมาณ 500 สำหรับ 2 ^ 9 ไบต์ = 512 ไบต์ = 2 ^ 12 บิต = 4096 บิตนั่นคือ (โดยประมาณ)

• $ 205 ใน LED
• หน่วยเก็บข้อมูลและชิปบัฟเฟอร์ $ 450
• $ ??? ชิปถอดรหัส 1-of-N เพื่อเลือกหน่วยเก็บข้อมูลที่เหมาะสมหรือชิปบัฟเฟอร์ ค่าใช้จ่ายของบอร์ดลวดแรงงานและอื่น ๆ

บางทีคุณสามารถสร้าง (โดยประมาณ) หน่วยความจำข้อมูล 64 ไบต์ (จำนวนหน่วยความจำข้อมูลเท่ากันกับ Atmel ATTINY13 หรือ Microchip PIC16F570) โดยประมาณ $ 90 (ซึ่งอาจพอดีกับงบประมาณ $ 150 ~ = £ 100)

คุณสามารถดูได้ว่าเหตุใดจึงมีความต้องการที่จะแทนที่ที่เก็บข้อมูลและชิปบัฟเฟอร์และชิปถอดรหัสส่วนใหญ่ด้วยชิป SRAM 32Kx8 ขนาน 32Kx8 แบบขนานซึ่งให้พื้นที่เก็บข้อมูลที่น้อยกว่า $ 10 (พันธมิตร AS6C1008-55PCN, Cypress CY7C199CN-15PXC ฯลฯ )

นี่อาจเป็นเหตุผลว่าทำไมซีพียูในบ้านส่วนใหญ่ตั้งแต่ซีพียูNibbler 4 บิตเล็ก ๆ ไปจนถึงคอมพิวเตอร์รีเลย์ RC-3 ที่น่าประทับใจ http://www.computerculture.org/2012/09/rc-3-relay-computer/ http: / /www.computerculture.org/projects/rc3/ ถูกเชื่อมต่อกับชิป SRAM สีดำสำหรับหน่วยความจำหลัก

ด้วยบางสิ่งเช่นบัสหน่วยความจำมาตรฐานบางทีคุณอาจมีบอร์ดหน่วยความจำที่แตกต่างกันหลายตัวเชื่อมต่อกับ CPU ในเวลาเดียวกัน:

• พื้นที่เก็บข้อมูลตัวแปรที่มองเห็นได้ไม่กี่ไบต์และ ROM โปรแกรมแบบใช้สายฮาร์ดไดรฟ์ที่สามารถมองเห็นได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งควรจะเพียงพอสำหรับโปรแกรมตัวอย่างที่น่าสนใจ
• ชิป SRAM ที่สามารถเสียบเข้ากับโปรแกรมหรือข้อมูลได้เป็นครั้งคราวหรือทั้งสองอย่างเมื่อคุณยังไม่ได้สร้างหน่วยความจำที่มองเห็นได้เพียงพอที่จะจัดเก็บ

ต่อไปนี้เป็นคำแนะนำสำหรับโครงการที่คล้ายกันซึ่งอาจคุ้มค่า - สร้างเครื่องทัวริงมันเป็นเรื่องของเครื่องคำนวณที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้