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一握りのリレー、または電磁リレー上のコンピューター。 パート1-ALU

自分の手で電磁リレー上にコンピューター（より正確には、その一部のみ）を作成する方法について説明します。







それがすべて始まった方法



それはすべて、ポートランド大学の愛好家であるハリー・ポーターによって作成された電磁リレー上のコンピューターについて読んだことから始まりました。 このコンピューターの横にある彼の写真は次のとおりです。







私は古いコンピューターに興味があるので（私のアルバムの一部はこのアルバムで見ることができます）、似たようなものを作成したかったのです。 私は他のプロジェクトを探し始め、多くを見つけました



電磁リレーを備えたその他の最新コンピューター



ハリーのプロジェクトを多かれ少なかれ繰り返した者もいれば、そのようなコンピューターの作成が可能であることを実証した者もいた。 たとえば、次の図に示すDUO 14 Premiumでは、最大8つの単純なコマンドを含むプログラムを実行できます。







プロジェクト



そこで、 HPRCに似たコンピューターを作成することを計画しました。 少なくとも実際の何かを数え、そのすべての要素を視覚化できるようにしたかったのです。ALU、レジスタ、命令カウンターなどの作業を追跡できました。



ALUで製造を開始することにしました。 その要件を決定するために、一般的には一連の命令を作成し、必要なバスと信号を把握しました。 ALUは並列設計（すべてのビットが同時に計算される）を備えており、8ビット計算用です。



私はすぐに減算モジュールを実行する必要があると判断しました。 他の多くのコンピューターでは、このモジュールは実装されていません。否定と加算を使用して作業を実行できるためです。 したがって、ALUは次の操作を実行します：加算、減算（ハイフネーションの有無にかかわらず）、論理AND、OR、NOT、排他的OR、および右へのシフト（ハイフネーションまたは円内）。 HPRCから追加と論理演算のための回路を取りました。



もう1つのまれな機能は、計算結果がシャドウレジスタにラッチされることです。 同じ汎用レジスタを入力および出力として使用できるようにするために必要です。



ALUはこれまでのところ、コンピューターの他のコンポーネントなしで機能するはずなので、そのデバッグのために、リレースイッチはリレーコイルに接続され、リレーコイルは電力を供給します。 計算結果は、回路の出力に接続されたLEDを使用して観察できます。 ラッチされた結果に関係なく、コンピューティングユニットは継続的に動作するため、インジケーターの助けを借りて、すべての操作の結果を同時に観察できます。







リレー



電線を細くするために、電磁リレーを使用する他のほとんどの最新のコンピューターのように、12 Vではなく24 Vの電源電圧が選択されました。 その後、このソリューションにも欠点があることが判明しました。24V用に設計された抵抗を内蔵したLEDがないため、抵抗を別途購入してはんだ付けする必要がありました。



コンピューターの主要なプロパティの1つは視覚的なものでなければならないため、透明なケースと組み込みのLEDを備えたリレーを選択しました。 美しく見えるという事実に加えて、これにより、入力信号を示すために余分なLEDを取り付ける必要がなくなります。



コンピューターの組み立てを開始した後、ブログの1つを読んでいると、リレーが開いたときにアーク放電の発生やインジケーターのノックアウトを防ぐのに十分な保護ダイオードがないことに気付きました。 そこで、100個の1N4448ダイオードを購入し、それらを各コイルに平行にはんだ付けしました。



素材



コンピューターは視覚的なものでなければならないのに、なぜ美しくないのでしょうか？ ハリーは船体にマホガニーを使用しました。 同じ厚さのかんな板の形の適切な材料からメルバウの木を見つけました。



すべてのコンポーネントは、6 mmのプレキシガラスシートに取り付けられています。 リレーは接着されており、他のすべては特別に開けられた穴に取り付けられるか、ねじ止めされます。 銘板は真鍮に刻まれています。 最も困難なことは、プレートを固定するのに適切なサイズの真鍮製ボルトを見つけることでした。 ロシアでは、どこでも注文することは不可能でしたが、その後、ほとんど偶然にヘルシンキのホビーストアでそれらを見つけました。



仕事



まず、電源、3ダースのリレー、ワイヤー、および作成されたALUの入力と内部信号を制御するスイッチを購入しました。 リレーには4つのオン/オフスイッチが含まれます。 場合によっては、4つのスイッチすべてが使用されないこともありますが、接点の少ないリレーを使用してお金を節約することは事実上不可能です。





これらのリレーには約200ルーブルの費用がかかったので、ALUモジュール全体で予備的な見積もりによれば約100個必要だったため、より安価なオプションを探し始めました。 リレーあたり100ルーブル強の卸売価格で100個のバッチを注文することができました。 しかし、このサプライヤでは、リレー自体がすぐに現れないはずだったので、検索を続けました。



中国から直接リレーをより安く注文できることがわかりました。 私は100個の別のバッチを1個あたり約1ドルで注文しました（当時の1ドルは約30ルーブルかかりました）。 その後、中国から入手したいくつかのリレーは故意に欠陥があることが判明しました。 たとえば、次の図は、リレー内のワイヤが逆になっていることを示しています。 幸いなことに、このバグを修正するには、このリレーへの外部接続を同様の方法で交換するだけで十分でした。





また、接点が酸化したリレーがかなりありました。 場合によっては、これは重大であることが判明し、リレーを廃棄する必要がありました。 ただし、入力と出力を他の接点に転送することが依然として可能である場合がありました。4つのスイッチを備えたリレーの冗長性がその役割を果たしました。



ケースを製造するとき、私は木材加工の簡単な作業を習得しなければなりませんでしたが、はんだ付けには最も時間がかかりました-多くのリレーでは、14ピンすべてにワイヤをはんだ付けする必要がありました。



まとめ



記事はそれほど長くなく、わずかに表面的なものでした。 詳細については、プロジェクトのWebサイトを参照してください 。 コミュニティが関心を抱くようになれば、ALUと設計中のコンピューターの両方の動作の特性と原理について詳しく説明できます。



コンピューターを作ることに決めてから1年半が経ちました。 この間に、命令のアーキテクチャとシステムの概要を説明し、最初のコンピューターモジュールである算術論理デバイスも作成しました。 正式には、もちろん、ALU半導体で使用されます-表示用LEDおよび保護ダイオード。 しかし、すべてのロジックは電気機械式リレーに基づいています。 このブロックには外部接続のみが欠けていますが、ALUが接続する他のブロックが表示された後にそれらを行います。 次に、レジスタのブロックを作成する予定です。







統計



ALUは88個のリレーで構成され、43個のトグルスイッチを使用してデバッグ信号が送信され、70個のLEDを使用して出力が表示されます。 ブロック寸法-74x56x14センチ。



さまざまな種類の誤動作を伴うリレーが10の周りに見つかりました。この理由のために回路内に若干の変更が残っているため、正確に計算することは困難です。



費用





これまでのところ、それはハリーのそれより2倍安いことが判明しています。 これには、はんだやフラックス、サンドペーパー、欠陥部品や損傷部品、ケースの製造過程で持っていた工具の費用は含まれません。



より良くできること



私のコンピューターの最初のモジュールの実装の終わりに、私はいくつかのことがもっとよくできるという結論に達しました。

  1. おそらく、ALUで使用されるリレーの数は、加算モジュールと減算モジュールを組み合わせることにより削減できます。 このようにして、8個のリレーを節約できると思います。
  2. 次のモジュールで作業するときは、より正確に穴を開ける必要があります。 今回は、それらの一部に小さな（および大きな）亀裂が見つかった。
  3. 私たちの街では、真鍮に高品質のレーザー彫刻を施すことは非常に簡単ではないことが実践により示されています。 どうやら、次回は碑文を作るためにフォトリソグラフィーを試す必要があります。
  4. おそらく、クロックジェネレーターなどの頻繁にスイッチングする回路では、リレーの信頼性があまり高くないことが証明されているため、複製を使用する必要があります。




参照資料



プロジェクトサイト： github.com/Dovgalyuk/Relay

他のコンピューター：



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