पिछली बार मैंने संक्षेप में वर्णन किया था कि कैसे मेरे (भविष्य) कंप्यूटर का पहला मॉड्यूल विद्युत चुम्बकीय रिले पर बनाया गया था - एक अंकगणितीय-तर्क डिवाइस। अब मैं इस ALU के संचालन के सिद्धांतों के बारे में, या यों कहें कि तार्किक और अंकगणितीय संचालन के निष्पादन को कैसे व्यवस्थित किया जाए, इसके बारे में थोड़ी बात करना चाहता हूं।

एक विद्युत चुम्बकीय रिले कैसे काम करता है?

विद्युत चुम्बकीय रिले में वाइंडिंग, आर्मेचर और स्विच शामिल हैं। जब एक चालू घुमावदार होता है, तो यह अपने आप में एक आर्मेचर को आकर्षित करता है, और यह एक राज्य से दूसरे में स्विच स्थानांतरित करता है। ऊपर दी गई तस्वीर दिखाती है कि ALU में प्रयुक्त रिले कैसे दिखते हैं, और नीचे दी गई तस्वीर उनके संपर्कों का उद्देश्य दर्शाती है।







इन रिले में 4 स्विच हैं। जब चालू घुमावदार के माध्यम से प्रवाह नहीं करता है, तो स्विच संपर्क 1-9, 2-10, 3-11 और 4-12 से जुड़ते हैं। यदि वोल्टेज घुमावदार पर लागू होता है (मेरे मामले में यह 24 वी है), तो स्विच की स्थिति 5-9, 6-10, 7-11, 8-12 में बदल जाएगी।

कंप्यूटर घटकों के आरेख तैयार करने के लिए, मैंने उसी रिले पदनामों का उपयोग किया जैसे कि HPRC प्रलेखन:







यहां, कॉइल को खींचे गए कंडक्टरों में से केवल एक को खींचा जाता है, क्योंकि दूसरा हमेशा ग्राउंडेड होता है, जिसका अर्थ है कि सर्किट पर इसे इंगित करने का कोई मतलब नहीं है। चूंकि मैंने पॉवर-ऑन एलईडी के साथ रिले का उपयोग किया था, इसलिए यह स्पष्ट रूप से निर्धारित किया गया था कि कौन सा कॉइल संपर्क "+" के रूप में उपयोग किया जाता है और कौन सा संपर्क "-" के रूप में उपयोग किया जाता है।

विद्युत चुम्बकीय रिले सर्किट में द्विआधारी तर्क

अर्धचालक तर्क सर्किट में, एक कम वोल्टेज स्तर का अर्थ तार्किक "0" होता है, और उच्चतर का मतलब तार्किक "1" होता है। उदाहरण के लिए, CMOS सर्किट में, एक दिए गए इनपुट को जमीन से जोड़ा जाता है यदि एक तार्किक "0" इसे लागू किया जाना चाहिए।



विद्युत चुम्बकीय रिले के लिए योजनाओं में, सब कुछ कुछ सरल है। यदि हम वोल्टेज स्तर को लेते हैं जिसमें रिले को "1" के रूप में शामिल किया जाता है, तो किसी भी वोल्टेज को "0" के रूप में लिया जा सकता है, जिस पर रिले बंद हो जाता है, और कनेक्शन की अनुपस्थिति। दूसरे मामले में, रिले भी बंद हो जाएगा, जैसा कि इरादा था। इस प्रकार, "1" आपूर्ति वोल्टेज के रूप में लिया जाता है (मेरे मामले में यह 24 वी है), और "0" आपूर्ति सर्किट से कनेक्शन की अनुपस्थिति है। यह विधि आपको शक्ति स्रोत के कंडक्टरों से कनेक्ट / डिस्कनेक्ट करके आसानी से संकेतों को नियंत्रित करने की अनुमति देती है।



विद्युत चुम्बकीय रिले और अर्धचालक तर्क के बीच एक और अंतर आउटपुट की भार क्षमता है। यह केवल बिजली की आपूर्ति की शक्ति से सीमित है, अर्थात। एक असीमित (उचित सीमा के भीतर, निश्चित रूप से) इनपुट की संख्या किसी भी रिले आउटपुट से जुड़ी हो सकती है, जो डिवाइस के डिजाइन को सरल बनाती है।

ALU कम्प्यूटिंग ब्लॉक

जिन सिद्धांतों पर मैंने अधिकांश भाग के लिए ALU का निर्माण किया था, उन्हें HPRC के विस्तृत विवरण से उधार लिया गया था। और यह कंप्यूटर, आंशिक रूप से, 1941 मॉडल के कोनराड ज़ूस के विचारों पर आधारित है। विशेष रूप से, यह वहीं से उत्पन्न होता है।

योजक

मेरे ALU में इस्तेमाल किए गए योजक का आविष्कार कोनराड ज़्यूस ने सैन्य जर्मनी में निर्मित अपनी Z3 मशीन के लिए किया था। इस तरह के योजक में 8 श्रृंखला-जुड़े 1-बिट योजक होते हैं। उनमें से प्रत्येक के इनपुट में ऑपरेंड के दो बिट्स हैं, साथ ही ट्रांसफर और इनवर्टेड ट्रांसफर के बिट्स भी हैं। प्रत्येक 1-बिट योजक गणना के परिणाम को आउटपुट करता है, अर्थात् इनपुट बिट्स का योग, हस्तांतरण को ध्यान में रखता है। इसके अलावा, स्थानांतरण और उलटा स्थानांतरण की गणना की जाती है, अगले योजक को खिलाया जाता है।



इस सर्किट के लिए गणनाओं को पूरा करने में सक्षम होने के लिए, यह आवश्यक है कि 8 श्रृंखला-जुड़े रिले स्विच करने का समय बीत चुका है। पूर्ण योजक सर्किट चित्र में दिखाया गया है:







यदि सर्किट 2 को 2 और 2 को योजक के इनपुट पर लागू किया जाता है (कंडक्टर, जिसमें आपूर्ति वोल्टेज लागू किया जाता है, तो लाल रंग में इंगित किया जाता है)। दो ऑपरेंड के पहले बिट्स के अनुरूप रिले स्विच किए गए हैं, और बाकी प्रारंभिक अवस्था में बने हुए हैं:

तर्क मॉड्यूल

मैंने HPRC से तार्किक मॉड्यूल की पूरी तरह से नकल की है। बिटवाइज़ लॉजिकल ऑपरेशंस को एक ही बार में परिणाम के सभी 8 बिट्स के समानांतर किया जाता है। चूंकि सभी बिट स्वतंत्र हैं, सर्किट योजक की तुलना में तेजी से काम करता है (हालांकि यह नोटिस करना लगभग असंभव है)। लॉजिकल मॉड्यूल ऑपरेशंस NOT, AND, OR और EXCLUSIVE OR (वे नहीं हैं, AND, OR और XOR) करते हैं।



तर्क इस तरह से काम नहीं करता है: तर्क तत्व का इनपुट रिले कॉइल से जुड़ा है; एक शक्ति स्रोत इनपुट में से एक से जुड़ा है; तत्व इनपुट इस इनपुट के लिए एक सामान्य रूप से बंद संपर्क है। इस प्रकार, इनपुट पर "1" लागू करते समय, रिले स्विच करता है, और आउटपुट संपर्क से बिजली स्रोत काट दिया जाता है:







तार्किक और दो सामान्य रूप से खुले संपर्कों के एक सीरियल कनेक्शन का उपयोग करके कार्यान्वित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक इनपुट तत्व में से एक द्वारा नियंत्रित किया जाता है:







विद्युत संकेतों का उपयोग करके तार्किक मानों का प्रतिनिधित्व करने की उपयोग की गई विधि आपको संबंधित तारों को कनेक्ट करके "बढ़ते या" का उपयोग करके ऑपरेशन को लागू करने की अनुमति देती है:







लेकिन इस तरह के एक सर्किट में एक खामी है - इनपुट संकेतों में से एक का मूल्य दूसरे को प्रभावित कर सकता है (और इनमें से प्रत्येक तार को कहीं से जोड़ा जा सकता है)। उदाहरण के लिए, नीचे दिए गए आंकड़े में, बी = 1 इस तथ्य को जन्म देगा कि "1" न केवल दोनों आउटपुट पर होगा, बल्कि इनपुट सी और डी पर भी होगा, भले ही सी और डी खुद "0" के बराबर हों।







समस्या को आम तौर पर खुले रिले संपर्कों के साथ संकेतों को डुप्लिकेट करके हल किया जाता है, कॉइल के लिए जिसमें ये संकेत जुड़े हुए हैं:







पूर्ण तर्क मॉड्यूल आरेख इस तरह दिखता है:





उपरोक्त तार्किक संचालन के अलावा, यह सर्किट कतरनी मापांक के लिए इनपुट सिग्नल भी उत्पन्न करता है। यह उसी कारण से आवश्यक है कि ज्यादातर मामलों में एक साधारण "माउंटिंग ओआर" का उपयोग करना संभव नहीं है - कतरनी मॉड्यूल का संचालन अपने स्वयं के इनपुट संकेतों को प्रभावित कर सकता है।

subtractor

मेरे पास सबट्रैक्टर मॉड्यूल की प्रतिलिपि बनाने के लिए कोई नहीं है (चूंकि एचपीआरसी केवल घटाया नहीं जा सकता है), इसलिए मैंने उनकी तुलना में सिंगल-बिट एडिटर और सबट्रैक्टर के लिए सत्य तालिकाओं को लिया, और एडिटर सर्किट को एक सबटाइटर सर्किट में बदल दिया। परिणाम एक योजक के समान डिजाइन था:

कतरनी मापांक

जो मॉड्यूल शिफ्ट करता है वह इस मायने में विशिष्ट है कि इसमें केवल तार होते हैं। मुझे केवल सही शिफ्ट ऑपरेशन की आवश्यकता थी (लेफ्ट शिफ्ट आसानी से अतिरिक्त ऑपरेशन के साथ किया जाता है): राइट शिफ्ट बिना और हाइफ़नेशन के साथ, और राइट रोटेशन। इस प्रकार, इन परिचालनों को करने के लिए, डेटा बस से इनपुट संकेतों को वांछित क्रम में आंतरिक ALU बस के आउटपुट से जोड़ना पर्याप्त है:







अंत में, मैं एक तस्वीर दिखाऊंगा कि ऑपरेशंस 3 और 2 के लिए सभी ऑपरेशनों की गणना करने का परिणाम क्या है (चयनित मान निचले बाएं कोने में टॉगल स्विच द्वारा और साथ ही साथ प्रत्येक मॉड्यूल में रिले संकेतक द्वारा दिखाई देते हैं)। यह संभव है, चूंकि मॉड्यूल का संचालन इस बात पर निर्भर नहीं करता है कि कौन सा ऑपरेशन चुना गया है (यह केवल इस बात पर निर्भर करता है कि कौन से परिणाम तड़क जाएंगे)।

आगे क्या है?

यहां उन सभी ब्लॉकों का वर्णन किया गया है जो ALU में तार्किक और अंकगणितीय संचालन करते हैं, जो विद्युत चुम्बकीय किरणों पर कंप्यूटर का हिस्सा होगा।



मैंने इस काम को ALU के साथ शुरू किया, क्योंकि इसमें बहुत सारी चीजें शामिल हैं जिनका उपयोग अन्य मॉड्यूल में किया जाएगा: प्राथमिक तर्क संचालन, एक योजक (पीसी को बढ़ाने का कार्य एक विशेष वेतन वृद्धि ब्लॉक द्वारा किया जाएगा), साथ ही बसों और रजिस्टरों पर स्विच करने के लिए ब्लॉक।



अगले लेख में, मैं ALU की तार्किक संरचना का वर्णन करने की योजना बना रहा हूं, साथ ही साथ समग्र रूप से कंप्यूटर की योजनाबद्ध वास्तुकला और कमांड सिस्टम को प्रभावित करता हूं।