CPU

自分のことを思い出して、私はいつもプロセッサーを作ることを夢見ていました。 最後に、昨日私はそれを作りました。 神は何を知っている：8ビット、RISC、現在の動作周波数は4 kHzですが、それは動作します。 これまでのところ、論理回路のモデリングプログラムでは、「今日-モデルで、明日-実際に！」ということを知っています。



カットの下にいくつかのアニメーション、最小のバイナリロジックの簡単な紹介、メインプロセッサのロジックチップ、そして実際の回路に関する短いストーリーがあります。

バイナリロジック

2進数システム（知識のない人向け）は、1を超える数字がない番号システムです。 多くのこの定義は、10進数システムでは9を超える数字がないことを覚えるまで混乱を招きます。

バイナリシステムは、電圧によってエンコードしやすいため、コンピューターで使用されます。電圧が存在する場合、それは単一性を意味します。 電圧がないとゼロになります。 さらに、「ゼロ」と「1」は「偽」と「真」として簡単に理解できます。 さらに、2進数システムで動作するほとんどのデバイスは、通常、「真理」および「偽造」の配列として数字を参照します。つまり、論理量として数字で動作します。 最小の知識を持っている人や知識のない人のために、バイナリロジックの最も単純な要素がどのように機能するかを説明します。

バッファ要素

あなたがあなたの部屋に座っていて、あなたの友人が台所にいると想像してください。 あなたは彼に叫ぶ：「友人、私に言って、廊下の明かりは点灯していますか？」 友人が答えます：「はい、オンです！」または「いいえ、オンではありません。」 あなたの友人は、信号源（廊下のライト）と受信機（あなた）の間のバッファーです。 さらに、あなたの友人は通常のバッファーではなく、管理されたバッファーです。 「ライトが点灯している」または「ライトが点灯していない」と絶えず叫ぶと、通常のバッファーになります。

要素「NOT」-NOT

今、あなたの友人が常に嘘をつくジョーカーであると想像してください。 そして、廊下のライトが点灯している場合、彼は「いいえ、廊下で非常に暗い」と言い、点灯していない場合、「はい、廊下でライトが点灯しています」と言います。 もしあなたが本当にそのような友人を持っているなら、彼は「ない」という要素の具体化です。

または要素-または

残念ながら、「Or」要素の本質を説明するには、電球と友人が1人では不十分です。 2つの電球が必要です。 したがって、廊下には2つのライトがあります。たとえば、フロアランプとシャンデリアです。 あなたは叫ぶ：「友達、私に言って、廊下の少なくとも一つの光が輝いていますか？」そしてあなたの友達は「はい」または「いいえ」と答えます。 明らかに、「いいえ」という答えを得るには、すべてのライトをオフにする必要があります。

AND要素-AND

同じアパート、あなた、キッチンの友人、フロアランプ、廊下のシャンデリア。 「廊下の両方のライトが点灯していますか？」という質問に対して、「はい」または「いいえ」と答えられます。 おめでとう、今あなたの友人はAND要素です。

排他的OR要素-XOR

「Or」要素についてもう一度実験を繰り返しましょう。しかし、友人に質問を再定式化します。「友人、教えてください、廊下に光が1つだけありますか？」 正直な友人がこの質問に「はい」と答えるのは、廊下に実際に照明が1つしかない場合だけです。

加算器

四半期合計

クォーターアダーは、排他的論理和要素と呼ばれます。 なんで？ それを理解しましょう。

2進数システムの2つの数値の加算表を作成しましょう。

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 10



次に、要素「Exclusive Or」の真理値表を書き留めます。 これを行うには、電球を1、消滅した電球を0、友人の回答「はい」/「いいえ」をそれぞれ1および0と表示します。

0 XOR 0 = 0

0 XOR 1 = 1

1 XOR 0 = 1

1 XOR 1 = 0



よく似ていますよね？ 「Exclusive Or」の加算テーブルと真理値表は、1つのケースを除いて完全に一致しています。 そして、このケースはオーバーフローと呼ばれます。

半加算器

オーバーフローすると、加算の結果は、配置された桁数に適合しません。 用語は2つの1桁の数字（1つの有効数字、わかりますか？）であり、合計はすでに2桁の数字（2つの有効数字）です。 1つのライトが付いた2桁（「オン」/「オフ」）は送信できなくなりました。 2つの電球が必要です。 私たちは必要です-私たちはそれをします！





XORに加えて、加算器には要素「AND」（AND）が必要です。

0 XOR 0 = 0 0 AND 0 = 0

0 XOR 1 = 1 0 AND 1 = 0

1 XOR 0 = 1 1 AND 0 = 0

1 XOR 1 = 0 1 AND 1 = 1



タダム！

0 + 0 = 00

0 + 1 = 01

1 + 0 = 01

1 + 1 = 10



ワンダーウエハーの半加算器が動作します。 これは、2つの数字を追加する最も単純な専用プロセッサーと見なすことができます。 半加算器は、転送（別の加算器の結果）を考慮に入れることができないため、半加算器と呼ばれます。つまり、3つの1桁の2進数を追加することはできません。 この点で、1つのマルチビットを複数のシングルビット半加算器で構成することはできません。



フルディジットとマルチディジットの加算器の動作の詳細については説明しませんが、主なアイデアを理解できたことを願っています。

より複雑な要素

マルチプレクサー

想像力を再び有効にすることを提案します。 想像してみてください。 あなたはプライベートな一戸建ての家に住んでおり、この家のドアの近くにメールボックスがあります。 散歩に行くと、この郵便受けの近くに立っている奇妙な郵便屋に気づきます。 そして、これが彼の仕事です。彼はバッグからたくさんの手紙を引き出し、メールボックスの番号を読み、メールボックスの番号に応じて、そこに手紙を投げます。 郵便配達員はマルチプレクサとして機能します。 特定の方法（封筒の番号）により、信号線（メールボックス）で送信する信号（文字）が決まります。



マルチプレクサは通常、要素「And」、「Or」、および「Not」の組み合わせのみで構成されます。 シングルビットマルチプレクサには、「アドレス選択」と呼ばれる1つの入力、「入力信号」という一般名を持つ2つの入力、および「出力信号」と呼ばれる1つの出力があります。

「アドレス選択」に0を適用すると、「出力信号」は最初の「入力信号」と同じになります。 したがって、「選択」に1が適用されると、「出力信号」は2番目の「入力信号」と等しくなります。

デマルチプレクサ

しかし、このことはまったく逆に機能します。 「アドレス選択」にアドレスを与え、「データ入力」にデータを与え、出力にアドレス番号を持つ入力データがあります。

カウンター

カウンターの操作を理解するには、再び友達が必要になります。 キッチンから彼を呼び出します（退屈せず、最も重要なことは、あなたの食べ物を全部食べなかったことを願っています）。そして、彼にこれをするように頼みます。覚えている数に、結果を言うとそれを覚えています。 結果が（たとえば）3のとき、彼は「Abracadabra！」と叫ぶべきであり、次に数字の0を覚えているときに答えるべきです。今は少し複雑ですか？ 参照：



あなたは友人に触れています。 友人が「One」と言います。

あなたは友人に触れています。 友人が「2人」と言います。

あなたは友人に触れています。 友人が「3」と言います。 友人が「 Habrahabr！ 「。 クリティカル攻撃！ あなたは一時的に麻痺しており、動けません。

あなたは友人に触れています。 友人が「ゼロ」と言います。



まあ、など。 とても簡単ですね

もちろん、あなたはあなたの友人がカウンターになったことを理解しました。 友人に触れることは、「タイミング信号」、または非常に単純に、カウントを継続するための信号と見なすことができます。 「Abracadabra」という叫びは、カウンターに保存されている値が最大であり、次のクロック信号でカウンターがゼロに設定されることを示しています。 バイナリカウンターと友人には2つの違いがあります。 最初：実際のバイナリカウンタは、格納された値をバイナリ形式で表示します。 第二に、彼はあなたが彼に言ったことだけを常に行い、プロセッサシステム全体の動作を混乱させる可能性のある愚かなジョークに決してfallsしない。

記憶

トリガー

不幸な（おそらく想像上の）友人をあざ笑い続けましょう。 今、彼に数字のゼロを思い出させます。 あなたが彼の左手に触れるとき、彼は数字のゼロを覚えるべきであり、彼の右のとき-ナンバーワン。 「覚えている番号は？」と尋ねられた場合、友人は常に覚えている番号（0または1）に答えるべきです。

最も単純なメモリセルはRSトリガーです（「トリガー」は「スイッチ」を意味します）。 RSトリガーは1ビットのデータ（「ゼロ」/「1」）を保存でき、2つの入力があります。 Set入力（友人の左手と同じように）はトリガーに「1」を書き込み、Reset /入力（それぞれ右手）-「ゼロ」を書き込みます。

登録する

レジスタはもう少し複雑です。 何かを思い出すように頼むと、あなたの友人はレジになり、「ねえ、覚えているように言ったことを思い出してくれ」と言って、そして友人は正しく答えます。



通常、レジスタには1ビット以上を格納できます。 データ入力、データ出力、書き込み許可入力が必要です。 データの出力から、このレジスタに書き込まれた内容をいつでも読み取ることができます。 データ入力で、このレジスタに書き込むデータを送信できます。 退屈するまでデータを送信できます。 とにかく、書き込み許可の入力時にレジスタ、つまり「論理ユニット」を入力するまで、レジスタには何も書き込まれません。

シフトレジスタ

並んでいたことがありますか？ 確かに立っていた。 シフトレジスタのデータがどのようなものになるか想像してみてください。 人々は行の終わりに来て立ちます。 列に並んでいる最初の人がオフィスに入り、大物を狙います。 2番目に並んだ人が最初になり、3番目になった人が2番目になります。 キューは、「データ」（つまり、人々）がビジネスで逃げ出すことができ、以前は隣人に順番に警告していたような、扱いにくいシフトレジスタです。 もちろん、実際のシフトレジスタでは、「データ」はキューからエスケープできません。



そのため、シフトレジスタにはデータ入力（データが "キュー"に入る）とデータ出力（ "キュー"の最初のレコードを読み取ることができる）があります。 シフトレジスタには、入力「シフトレジスタ」もあります。 「論理ユニット」がこの入力に到着するとすぐに、キュー全体がシフトされます。



キューとシフトレジスタには重要な違いが1つあります。 シフトレジスタが4つのエントリ（4バイトなど）向けに設計されている場合、キューの最初のエントリは、入力への4つの信号「シフトレジスタ」の後にのみレジスタの出口に到達します。

RAM

多数のトリガーがレジスターに結合され、多数のレジスターが1つのチップに結合されると、RAMチップが得られます。 通常、メモリチップには、アドレス入力、双方向データ入力（つまり、この入力に書き込むことができ、そこから読み取ることができます）、および書き込み許可入力があります。 アドレスの入力時にいくつかの番号を指定します。この番号は特定のメモリセルを選択します。 その後、データの入力/出力で、このセルに書き込まれている内容を読み取ることができます。

ここで、このセルに書き込むデータの入力/出力と、書き込み許可の入力（「論理ユニット」）を同時に送信します。 結果は少し予測可能ですよね？

CPU

ビットビットジャンプ

プロセッサは、CISC-多くの異なるコマンドの実行方法を知っているCISC-少数の命令の実行方法を知っているRISC-に分かれていますが、それらはうまく機能します。 ある夕方、私は思った：たった一つのコマンドしか実行できない本格的なプロセッサを作ることができたら素晴らしいと思う。 すぐに、シングルプロセッサプロセッサのクラス全体が存在することがわかりました-OISC、ほとんどの場合、Subleq（減算、およびゼロ以下の場合はgo）またはSubeq（減算、およびゼロの場合はgo）を使用します。 OISCプロセッサのさまざまなオプションを調べたところ、ネットワーク上で、最も単純な単一コマンド言語BitBitJumpを開発したOleg Mazonkaのサイトを見つけました。 この言語の唯一のコマンドはBitBitJumpと呼ばれます（ビットをコピーしてアドレスに移動します）。 これは、もちろん、難解な言語はチューリング完全です-つまり、任意のコンピューターアルゴリズムを実装できます。



この言語のBitBitJumpおよびアセンブラーの詳細な説明は、開発者のWebサイトにあります。 プロセッサアルゴリズムを説明するには、次のことを知るだけで十分です。

1.レジスタPCでプロセッサをオンにすると、AとBに0が書き込まれます

2. PCアドレスでメモリ位置を読み取り、読み取り値をレジスタAに保存します。

3. PCを増やす

4. PCアドレスでメモリ位置を読み取り、読み取り値をレジスタBに保存します。

5. PCを増やす

6.レジスタBに記録されたアドレスでセルに書き込み、アドレスAでビットの内容を書き込みます。

7. PCアドレスでメモリ位置を読み取り、読み取り値をレジスタBに保存します。

8.レジスタBの内容をPCレジスタに書き込みます

9.計画のパラグラフ2に進みます。

10.利益!!!



残念ながら、アルゴリズムは無限であるため、PROFITは達成されません。

実際には、スキーム

計画は自発的に構築されたため、恐怖、恐怖、混乱が支配しました。 しかし、それは機能し、きちんと機能します。 プロセッサをオンにするには、次のものが必要です。

1. RAMにプログラムを入力します

2.スイッチを押します

3.カウンターを位置4に設定します（これはハードウェアでも実行できますが、回路はさらに面倒になります）

4.クロックをオンにします



ご覧のとおり、1つのレジスタ、1つのシフトレジスタ、1つのRAMチップ、2つのバイナリカウンタ、1つのデマルチプレクサ（コンパレータで表されます）、2つのマルチプレクサ、および純粋な論理ビットが使用されました。







Logisimの 回路をcirc形式でダウンロードして再生できます。

次は？

まず、プロセッサの容量を増やすことができます-8ビット要素を16ビット要素に置き換えます。

第二に、プロセッサからRAMを削除し、プロセッサを一時停止し、RAMを変更してプロセッサを再びオンにする簡単な回路を追加できます。 このような回路は、単純なI / Oコントローラーとして機能します。 その後、このプロセッサに基づいて、電卓、コントローラ、またはその他の面白い役に立たないものを作成することが可能になります。

第三に、このスキーム全体をハードウェアで実装することが可能です。 私は何をするつもりです。 すぐに私は間違いなく教えて見せます。



ご清聴ありがとうございました！



PSリンク（読むのが面倒な人向け）：

1. URISCプロセッサ-en.wikipedia.org/wiki/Urisc

2. BitBitJump言語サイト-mazonka.com/bbj/index.html

3. Logisim Logic Modeling Program- http: //ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/

4. Logisim用の自家製URISC（ORISC）プロセッサ-narod.ru/disk/31367690001/oo.circ.html