由分立晶體管制成的計(jì)算器

描述

我一直對(duì)計(jì)算機(jī)如何在硬件級(jí)別上工作感到好奇。當(dāng)我在讀本科時(shí)終于了解了操作原理。我的問題終于有了答案。然而，我一直想利用這些知識(shí)來設(shè)計(jì)和構(gòu)建我自己的邏輯電路，而不是使用門，而是使用分立晶體管本身。這類似于早期計(jì)算機(jī)的制造方式，當(dāng)時(shí)每個(gè)晶體管都是分立的，而集成電路技術(shù)還不存在。這些本身就是對(duì)體積更大且不可靠的真空管計(jì)算機(jī)的巨大改進(jìn)。

我不得不承認(rèn)，如今使用 SMD 晶體管和中國廉價(jià)的 PCB 制造和組裝服務(wù)，制造晶體管化計(jì)算設(shè)備要容易得多。我在 7 天內(nèi)以 5 塊多一點(diǎn)的價(jià)格制造、組裝并運(yùn)送給我，5 塊，非常甜蜜！

讓我們來看看最終的結(jié)果。

那么它是怎樣工作的？如果您仔細(xì)查看 PCB，您會(huì)看到 4 個(gè)獨(dú)立的電路，每個(gè)電路都是一個(gè)全二進(jìn)制加法器。一個(gè)完整的二進(jìn)制加法器只是意味著它可以提供兩個(gè) 1 位數(shù)字A和B的總和，它還考慮到前一個(gè)數(shù)字的CARRY IN 。作為輸出，我們得到了SUM和CARRYOUT。 您可以通過將第一位的進(jìn)位輸出連接到下一位的進(jìn)位來級(jí)聯(lián)這些全位加法器，并擁有一個(gè)可以添加任意大的 N 位數(shù)字的電路。在我們的例子中，這個(gè)數(shù)字是 4。這些電路可以執(zhí)行加法的方式實(shí)際上與我們?nèi)祟愑?jì)算兩個(gè)數(shù)字之和的方式非常相似。我們將數(shù)字相加并寫入總和，如果有進(jìn)位，我們將其傳播到下一個(gè)數(shù)字。當(dāng)我們計(jì)算下一個(gè)數(shù)字的總和時(shí)，我們會(huì)考慮我們之前傳播的進(jìn)位。唯一的區(qū)別是我們以十進(jìn)制數(shù)字（0..9）執(zhí)行計(jì)算器，而計(jì)算機(jī)以二進(jìn)制執(zhí)行操作。下圖顯示了加法器的互連。

級(jí)聯(lián)全加器

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現(xiàn)在讓我們單獨(dú)談?wù)勅悠麟娐贰?/font>該電路具有三個(gè)輸入和四個(gè)輸出，因此我們可以為此制作一個(gè)真值表。我們顯示下表。

全加器真值表

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讓我快速描述一下這背后的邏輯。二進(jìn)制數(shù)的行為很像十進(jìn)制數(shù)，因此添加相同的邏輯適用。當(dāng)我們用完要計(jì)數(shù)的符號(hào)時(shí)，我們會(huì)將其移至下一個(gè)數(shù)字。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)，我們只有兩個(gè)符號(hào) 0 和 1。所以當(dāng)我們將 1 加到 0 時(shí)，我們得到 1。但是現(xiàn)在當(dāng)我們想要再添加一個(gè)時(shí)，我們沒有更多的符號(hào)來表示它，所以我們必須攜帶轉(zhuǎn)發(fā)到下一位。如果你考慮這個(gè)邏輯，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面的真值表是有道理的。

那么我們需要什么樣的電路來制作這個(gè)呢？好吧，我們可以使用邏輯門。作為一個(gè)問題，通過以特定方式組合邏輯門來為任何可能的真值表生成電路。上面真值表的電路是這樣的。

全加器電路

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現(xiàn)在我們可以使用晶體管來實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯電路。這是我的設(shè)計(jì)。

電路原理圖

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實(shí)際上，我們可以應(yīng)用相同的程序來制作各種邏輯電路，包括減法器、乘法器、多路復(fù)用器等。這些是任何 CPU 的基本部分，我們可以擴(kuò)展這種方法來制作我們自己的基本 CPU。