Présentation de l'ordinateur 8 bits sur une planche à pain : 3 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Mon objectif pour ce projet était de mieux comprendre l'architecture informatique, la conception matérielle et les langages de niveau assembleur. Étant un junior à l'université étudiant en génie informatique, j'avais récemment terminé des cours sur l'électronique, des laboratoires m'initiant au langage d'assemblage et à l'architecture matérielle. En recevant une introduction à ces sujets, je voulais augmenter ma compréhension des détails les plus fins dans les trois cours, et quelle meilleure façon d'apprendre que de travailler sur un projet ?

Mon intention initiale était d'assembler entièrement cet ordinateur 8 bits à l'aide des vidéos de conférence fournies sur la chaîne youtube de Ben Eater, qui font un travail fantastique pour décomposer le processus de conception en un solide mélange de matériel que j'ai couvert et d'aspects que je n'avais pas encore apprendre. Étant donné que j'avais déjà une compréhension de base de la conception combinatoire et de la logique électronique de base, je voulais me mettre au défi en essayant de concevoir et de construire des parties de l'ordinateur après les aperçus de conception, mais sans regarder les instructions de construction. Tout au long du projet, mon objectif était d'apprendre et d'améliorer ma compréhension plus que de simplement construire quelque chose de nouveau, donc à chaque étape du projet, j'ai lu un peu d'articles et de forums en ligne sur l'architecture des composants et les conventions de base utilisées pour chaque d'eux.

Étape 1: Recherche en cours de route

Ce projet m'a vraiment fait lire beaucoup plus que ce à quoi je m'attendais. L'une de mes principales approches pour chaque composant consistait à lire un aperçu d'un forum ou d'un article en ligne, de regarder les conférences des vidéos d'Eater et d'essayer de concevoir ma propre pièce avant de la construire, de la tester et, la plupart du temps, de devoir la supprimer pour un approche plus guidée de la chaîne Eater. Un exemple de ceci était lorsque je construisais le composant ALU du PC. En regardant les vidéos de conception, j'ai lu des articles sur les composants de la puce dotés de fonctionnalités supérieures et d'entrées de déclenchement qui permettraient de changer de type d'instruction et d'inverser les entrées en complément à 2 en interne. Cependant, avant d'acheter ces puces simplifiées, j'ai examiné l'approche de conception dont Ben Eater a parlé dans ses vidéos, avec le mélange d'additionneurs et de portes logiques XOR pour augmenter les fonctionnalités du module ALU sans avoir besoin de puces plus coûteuses. Cela m'a permis d'apprécier l'utilisation de la logique discrète et son applicabilité à la conception informatique, et d'apprendre différentes approches des composants de construction. En combinant des puces de niveau inférieur sur la maquette, j'ai également découvert certains traits architecturaux clés utilisés à l'intérieur de l'ALU, ce qui a amélioré ma compréhension de ce composant d'exécution sur le PC.

Un autre élément clé que j'ai appris était l'utilisation d'émetteurs-récepteurs, également appelés tampons. Avant d'approfondir le projet, j'ai pensé que j'allais simplement activer et désactiver différents composants à l'aide de signaux de contrôle, mais j'ai rapidement trouvé dans les articles que des tampons devaient être utilisés pour faire fonctionner correctement cette architecture de style Von-Neuman. Comme l'ordinateur utilise un bus partagé pour que les données circulent entre les différents modules du PC, la synchronisation des cycles était dictée par l'horloge. Cependant, en permettant au stockage et aux charges de se produire sans interférer avec les données disponibles sur le bus, j'ai découvert que les émetteurs-récepteurs étaient essentiels pour agir comme des portes, nécessitant un signal d'activation pour permettre aux données de circuler sur le bus en temps opportun. la capacité de lecture n'était pas aussi difficile à comprendre, car les fils contiendraient toujours les valeurs sur le bus, mais utiliser la valeur correcte signifiait permettre aux registres de conserver la nouvelle valeur.

Un dernier point à retenir de la recherche tout au long de ce projet a été de comprendre les différences de spécifications entre des puces similaires. Souvent, j'ai trouvé des puces avec les mêmes valeurs d'identification mais des lettres de description différentes comme LS et HC. Ce que j'ai appris, c'est qu'il ne s'agissait pas simplement de fabriquer des étiquettes, mais aussi des spécifications de synchronisation et de puissance concernant les puces. Heureusement, étant donné que mon ordinateur utilisait des composants de niveau assez bas et à haute tolérance, je n'avais pas à me soucier de faire correspondre de nombreuses spécifications, mais sur une conception de niveau supérieur, j'ai appris que des éléments tels que la vitesse d'horloge et la consommation d'énergie sont essentiels au succès ou à l'échec de l'électronique. conception

Étape 2: Difficultés rencontrées

Assez rapidement dans le projet, j'ai pu concevoir des composants simples comme l'horloge de synchronisation pour les processus de synchronisation et l'architecture de base de la mémoire, mais le fait de devoir commander des pièces parallèlement à un semestre de cours intensif rendait difficile l'allocation de temps extérieur au projet, me remettant sur calendrier d'achèvement. Après mon premier gros revers d'avoir dû attendre une semaine pour que les pièces arrivent, j'ai fini par éviter de nouveaux retards en commandant toutes les pièces dont je pensais avoir besoin pour terminer ce projet, ce qui s'est avéré utile car je n'ai plus fait face à des retards jusqu'à la publication de ce. Après avoir également appris quelques approches de base du débogage, j'ai commencé à négliger certains assemblages, ce qui impliquait de revenir en arrière et de revoir des vidéos pour détecter mes erreurs, ce qui conduisait généralement à démonter la majeure partie d'une carte. Cela n'avait pas de raccourci. J'ai appris l'importance de vérifier vos progrès dans la construction de tout appareil électronique. En déboguant chaque carte en cours de route, j'ai pu les combiner avec plus de confiance, puis le débogage des cartes combinées est devenu beaucoup plus facile.

Étape 3: Réalisations et réflexion

Dans l'ensemble, j'ai actuellement terminé l'horloge, l'opcode et le compteur de programme, l'unité ALU, les registres rs rt et rd et la RAM. En plus d'avoir besoin de compléter le bus et les périphériques pour mener à bien ce projet, j'ai beaucoup appris sur l'architecture informatique, que j'espère poursuivre dans mes cours au choix de dernière année, en prenant le cours d'architecture informatique.

M5 m'a fourni tous les outils nécessaires pour travailler sur mon projet, et les composants étaient très bien disposés le long des parois des pièces, j'ai donc su très tôt les pièces à commander et ce qui était superflu. Si un autre étudiant devait se charger de ce projet, je noterais certainement que ce projet prend beaucoup de temps si vous essayez de comprendre tout ce qui se passe sur l'ordinateur. CE N'EST PAS DIFFICILE, mais cela nécessite des soins si vous voulez qu'il fonctionne avec succès. Je recommande fortement de parcourir la liste de lecture vidéo sur la chaîne youtube de Ben Eater pour comprendre toutes les parties que vous devez utiliser afin de ne pas prendre de retard si vous ne prévoyez pas de concevoir votre propre approche. Depuis que j'ai acheté la plupart des pièces, je prévois d'emporter cela avec moi pour terminer sur mon temps libre, mais ce serait cool de transmettre cela pour permettre à un autre étudiant de le terminer, ce qui signifierait une exposition à la lumière à la conception des pièces restantes, mais une grande concentration sur le langage d'assemblage, sur lequel j'ai heureusement pu travailler pendant d'autres cours