Aufbau und Funktionsweise eines Minimalcomputers

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  • Date:27 Jun 2020
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Kann man es sich heute noch leisten nicht zu wissen wie mit einem Computer umzugehen ist. Ich denke nicht Zwar muss man im Alltag nur wissen wie der Computer zu bedienen ist aber. wie ein Computer funktioniert hat keinerlei Bedeutung Viele Personen so auch ich ben tzen den. Computer t glich haben aber keine Ahnung was dahinter steckt. Als es um die Auswahl eines Themas f r die Maturaarbeit ging diskutierte ich wieder einmal mit. meinem Vater dar ber dass zwar alle den PC brauchen aber keiner wirklich versteht wie er oder. auch nur ein ganz einfacher Computer funktioniert Im Verlauf von diesem Gespr ch entschied ich. mich dies f r mich zu ndern So kam es dass ich als Thema f r meine Maturaarbeit Aufbau und. Funktionsweise eines Minimalcomputers w hlte, Mit meiner Maturaarbeit wollte ich die Funktionsweise eines einfachen Computers von unten her. verstehen lernen also aufbauend auf die Transistorlogik Ich wollte aber nicht nur theoretisch ver. stehen wie ein Computer funktioniert nein ich wollte auch praktisch soweit wie m glich einen. Minimalcomputer bauen So entstand mit der Zeit MINICOMP mein Minimalcomputer der alle. Anforderungen die ich an einen Minimalcomputer stelle erf llt. Ich m chte mich hier bei allen bedanken die mich w hrend meiner Maturaarbeit begleitet haben. Ein besonderer Dank gilt meiner betreuenden Lehrkraft Herr J Degen der mir meinen Freiraum. liess aber dennoch immer Zeit f r mich hatte und meinem Vater der mich w hrend dem ganzen. Projekt unterst tzt hat,Inhaltsverzeichnis,Inhaltsverzeichnis 3. Zusammenfassung 5,1 Einleitung 6,1 1 Fragestellung 6. 1 2 Definition eines Minimalcomputers 6,1 3 Methodik 7. 1 3 1 Angewandte Techniken 7,1 3 2 Verwendete Programme 9.
2 Grundlagen 10,2 1 Theorie 10,2 1 1 Boolsche Algebra 10. 2 1 2 Wahrheitstabelle 11,2 1 3 Karnaugh Diagramm 11. 2 1 4 Zahlendarstellung 13,2 2 Kombinatorische Digitalelektronik 15. 2 2 1 Transistoren 15,2 2 2 Logische Gates 17,2 2 3 Multiplexer Demultiplexer 17. 2 2 4 Halbaddierer 20,2 2 5 Volladdierer 20,2 2 6 7 Segment Anzeige 21.
2 2 7 Schmitt Trigger 21,2 2 8 Transistor Gate 22,2 3 Sequenzielle Digitalelektronik 22. 2 3 1 Flipflop 22,2 3 2 Register 25,2 3 3 Z hler 26. 2 3 4 Speicher 27,2 3 5 GAL Generic Array Logic 28. 3 MINICOMP mein Minimalcomputer 30,3 1 Architektur 30. 3 2 Einzelteile 31,3 2 1 Hauptschalter 31,3 2 2 Taktgenerator 32.
3 2 3 8 Bit Schalter und ungepufferte LED Anzeigen 32. 3 2 4 Arithmetisch logische Einheit ALU 33,3 2 5 Zweistellige Hexadezimalanzeige 36. 3 2 6 Schaltbare dreistellige Anzeige 37,3 2 7 Akkumulator ACC 41. 3 2 8 Instruktionsregister IR 42,3 2 9 Programmz hler PC 44. 3 2 10 Memory Adress Register MAR 45, 3 2 11 Schalterspeicher f r Programme und Konstanten 45. 3 2 12 Lese Schreib Speicherregister f r variable Daten 48. 3 2 13 Schalteinheit 49,3 2 14 Stecker GAL Stecker 53.
3 3 Verkn pfung der einzelnen Computerteile 53,3 4 Adressierung und Befehlsstruktur 56. 3 4 1 Operanden 56,3 4 2 Instruktionen 57,3 4 3 Codierung der Schaltsignale 62. 3 5 Programmierung 66,3 5 1 Dekrementierschleife 66. 3 5 2 Bitz hler 67,3 5 3 Quadratzahlen 68,3 5 4 Multiplikation 69. 3 5 5 Programmiervorlage 70, 4 Pers nliche Reflexionen und Schlussfolgerungen 71.
Literaturverzeichnis 72,Programmverzeichnis 72,Anhang A 1. A GAL Programmierung A 1,A 1 Lese Schreibspeicherregister A 1. A 2 Programmz hler und Adressregister A 3,A 3 Akkumulator A 4. A 4 Instruktionsregister A 5,A 5 Schalteinheit A 6. A 6 Stecker GAL Stecker A 8,A 7 Zweistellige Hexadezimalanzeige A 10.
B EPROM Programmierung B 1,B 1 Schaltbare dreistellige 7 Segment Anzeige B 1. B 2 Codierung der Schaltsignale B 2,Zusammenfassung. Das Hauptziel meiner Arbeit bestand darin den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise. eines Computers von unten her zu verstehen Um dieses Ziel zu erreichen stellte ich mir die. Aufgabe einen minimalen d h auf das Allerwesentlichste beschr nkten einfachen Computer zu. entwerfen und mindestens einen Teil davon das Rechenwerk selbst zu bauen. Da die Welt der Digitaltechnik f r mich ganz neu war musste ich mir als Erstes die n tigen Grund. lagen erarbeiten Von der theoretischen Seite her bedeutete dies mich mit der auf 0 und 1 be. schr nkten Zahlenwelt vertraut zu machen und mich in die boolsche Algebra Wahrheitstabellen. und die verschieden M glichkeiten der digitalen Zahlendarstellung einzulesen Meine elektroni. schen Grundkenntnisse habe ich mir basierend auf dem Prinzip eines Transistors von unten her. aufgebaut Aus Transistoren entstehen logische Gates aus diesen lassen sich komplexere Funktio. nen bauen wie z B Multiplexer Volladdierer und Flipflops Mit diesem Basiswissen war ich dann. in der Lage die eigentlichen Baugruppen eines Computers die Register das Rechenwerk der. Speicher und die Schalteinheit zu verstehen, Nun musste ich mich entscheiden wie MINICOMP so der Name meines Minimalcomputers kon. kret aufgebaut ist Das Problem das ich zuerst l sen musste war die Grundidee des Computers. soweit zu reduzieren dass er mit meinen beschr nkten M glichkeiten baubar wurde dass seine. Funktionalit t jedoch nicht so einfach wurde dass alle damit noch m glichen Programme jeden. Reiz verlieren w rden, Das Resultat war der Entwurf eines Computers mit folgenden Eigenschaften. 8 Bit Datenwort, 8 Bit Instruktionen aufgeteilt in je 4 Bits f r Befehlscode und Operand.
16 einfache Befehle f r Laden und Speichern Addition Subtraktion logische Funktionen. AND OR XOR und NOT bedingte und unbedingte Sprungbefehle und einem Haltbefehl. 32 adressierbare Speicherworte aufgeteilt in 24 auf Schalter basierten Lesespeicher f r Pro. gramme und Konstanten und 8 Lese Schreib Speicher f r Programmvariablen. 8 Bit Rechenwerk das mittels 6 Kontrollsignalen f r viele verschiedene arithmetische und. logische Operationen verwendet werden kann, 8 Bit Datenbus welcher den Speicher das Rechenwerk und die folgenden Register mitein. ander verbindet Akkumulator Programmz hler Instruktionsregister und Adressregister. Schalteinheit die jeden Befehl in eine Abfolge von Mikrobefehlen zerlegt und mittels 16 Kon. trollsignalen den Computer steuert, Zum Bau von MINICOMP verwendete ich vorwiegend CMOS Chips Diese und die brigen Kom. ponenten l tete ich auf selbst entworfene und selbst ge tzte Kupferplatinen je eine Platine pro. Funktionseinheit Ich montierte die einzelnen Computerteile auf eine solide Spanplatte und ver. band sie mit Flachbandkabeln untereinander Beim Design von MINICOMP achtete ich besonders. darauf dass m glichst alle internen Vorg nge mittels Leuchtdioden und 7 Segment Anzeigen f r. das Auge sichtbar gemacht wurden, Um die F higkeiten von MINICOMP demonstrieren zu k nnen schrieb ich einige Programme. Eines davon berechnet hintereinander die Quadratzahlen zwischen 1 und 225 Ein anderes multi. pliziert zwei eingegebene Werte miteinander, Durch dieses Projekt habe ich viel Theoretisches und Praktisches gelernt und ich bin froh dass. ich trotz gewissen Schwierigkeiten mein Ziel erreicht habe. 1 Einleitung, Der t gliche Gebrauch des Computers ist f r mich wie f r viele andere Leute eine Selbstverst nd.
lichkeit Schularbeiten E Mails austauschen Informationen beschaffen ber das World Wide Web. digitale Fotos anschauen und bearbeiten bei all diesen T tigkeiten bin ich auf den Computer an. Ich kann zwar mit dem Computer umgehen doch weiss ich auch warum und wie ein Computer. berhaupt funktionieren kann, Diese Frage gab mir die Idee zum Thema meiner Maturaarbeit. 1 1 Fragestellung, F r meine Maturaarbeit habe ich mir folgende Fragen gestellt. Wie einfach darf ein Computer sein damit er noch als Computer gilt. Aus welchen Grundbausteinen besteht ein solcher Minimalcomputer. Wie funktionieren die darin verwendeten Bauteile, Wie sind sie zu verbinden damit daraus ein Computer entsteht. Ist es mir m glich einen solchen Minimalcomputer nicht nur auszudenken sonder ihn effektiv. auch zu bauen,1 2 Definition eines Minimalcomputers. Da der erste Punkt der Fragestellung den Rest dieser Arbeit bestimmt m chte ich meine Definition. eines Minimalcomputers schon hier erl utern, Das wichtigste Merkmal eines Computer ist dass er programmierbar sein muss Das bedeutet.
dass der Computer Befehle erkennen und selbstst ndig abarbeiten kann Die Befehlsfolge das. Programm wird jedoch nicht zum Vornherein beim Bau des Computers festgelegt sondern kann. vom Benutzer innerhalb wohldefinierter Regeln frei gestaltet werden. Aus dieser Definition l sst sich schon schliessen dass die Hauptsache an einem Computer nicht. der Bildschirm die Tastatur und die Maus ist Damit mein Minimalcomputer rechnen Werte lesen. und speichern kann sowie programmierbar ist gen gt es v llig wenn er folgende Eigenschaften. 7 Segment Anzeigen anstelle eines Bildschirms, Schalter f r die Eingabe von Programmen und Zahlen anstelle einer Tastatur. 16 Befehle um einfache arithmetische logische und Sprung Funktionen auszuf hren an. stelle von hunderten von verschiedenen Befehlsvarianten. 8 Bit Worte anstelle von 32 oder gar 64 Bit Worten. 28 Bytes Speicher f r Programme und Daten anstelle von hunderten von Megabytes Haupt. speicher und zig Gigabytes Festplattenspeicher,1 3 Methodik. Ich wollte den Computer wirklich von Grund auf verstehen und so eignete ich mir als Erstes ein. Grundwissen ber Transistoren an wie sie gebaut sind und wie sie funktionieren Danach mach. te ich mich mit den Gates und anderen Hilfsmitteln Wahrheitstabelle Karnaugh Diagramm etc. bekannt Sobald ich diese kannte fing ich an die Gates zu komplexeren Komponenten zusam. menzuf gen Ich baute relativ fr h ein RS Flipflop und schaffte mich immer weiter hinauf bis ich. schliesslich alle wichtigen Teile eines Computers gebaut hatte Als Informationsmaterial dienten. mir die B cher welche im Literaturverzeichnis aufgelistet sind sowie die Hilfe meines Vaters wenn. ich alleine nicht mehr weiter kam Sp ter als es ans Programmieren von GALs und EPROMs ging. benutzte ich zum Programm schreiben das Computerprogramm ispLever 12 und um die Chips. zu brennen das Computerprogramm Galep32 11,1 3 1 Angewandte Techniken. Um meinen Minimalcomputer zu bauen verwendete ich drei verschiedene Techniken Das Test. board mit Steckkontakten die Wirewrap Technik und selbst ge tzte Kupferplatinen auf welche ich. dann die Komponenten l tete, Meine ersten Kontakte mit den verschiedenen Gates machte ich einfachheitshalber auf den Test. boards Da man auf Testboards die Komponenten nur stecken kann und auch einfach wieder ent. fernen kann testete ich auch die Durchf hrbarkeit einzelner Teile meines Computers auf Test. boards Abbildung 1 zeigt ein RS Flipflop auf einem Testboard. Abbildung 1 Einfaches RS Flipflop auf Testboard, Mein erstes Alu Bit fertigte ich mit Wirewrap Technik an Bei der Wirewrap Technik wickelt man mit.
einem speziellen Werkzeug einen feinen Draht um einen Pfosten das andere Ende des Drahtes. wird mit einem anderen Pfosten verbunden der Draht ist dann die Leitung zwischen diesen beiden. Komponenten Abbildung 2 zeigt den ersten Prototyp eines Bits der ALU von oben und unten. Da die Wirewrap Technik sehr zeitaufw ndig ist vorallem wenn man mehrere gleiche Teile her. stellen will tzte ich f r den Bau des Minimalcomputers Kupferplatinen die als Leiterbahnen und. Tr ger f r die elektronischen Komponenten dienen Vor dem tzen muss man den Plan f r die. Platine kreieren Einmal fertig legt man die Folie auf welcher dieser Plan aufgedruckt ist auf eine. photobeschichtete Platine und belichtet sie f r ca drei Minuten mit UV Strahlen Danach gibt man. die Platte in einen Entwickler NaOH Nach dem Entwickeln w scht man die Platte mit Wasser. ab Die UV Strahlen und der Entwickler bewirken dass die Photoschicht nur entsprechend den. Linien auf dem Plan fixiert bleibt und so das darunterliegende Kupfer vor der tzl sung sch tzt. Nun gibt man die Platine in die tzl sung Natriumperoxodisulfat bis dass alles berfl ssige Kup. fer abge tzt ist Nach diesem Vorgang sp lt man die Platine erneut mit Wasser Nun ist auf den. Abbildung 2 Prototyp Alu Bit in Wirewrap Technik links von oben rechts von unten. Leiterbahnen noch berall ein Lack Photoschicht der an den sp teren L tstellen entfernt werden. muss F r das Entfernen belichtet man die Platte erneut mit UV Strahlen durch eine L taugenmas. ke danach gibt man sie noch einmal in den Entwickler Nach dem erneuten Absp hlen mit Wasser. ist der tzvorgang fertig Nun werden die L cher gebohrt damit die Komponenten eingesetzt und. angel tet werden k nnen Abbildung 3 zeigt die wichtigsten Arbeitsschritte der Platinenherstellung. Abbildung 3 Herstellung einer Kupferplatine Belichten entwickeln tzen bohren v l n r. Abbildung 4 EPROM L schger t und Galep Programmierger t. Nachdem ich mich mit den einfachen Bausteinen Gates vertraut gemacht hatte und mich an. kompliziertere Schaltungen wagte war es nicht mehr sinnvoll diese ausschliesslich aus einfachen. Gates zu bauen da dies zuviel Zeit beansprucht h tte Deshalb verwendete ich bald komplizier. tere festverdrahtete Chips z B Multiplexer Demultiplexer sowie programmierbare Bausteine d h. EPROMs und GALs Der Vorteil dieser Bauteile ist dass sie elektrisch programmierbar sind und. auch gel scht und wieder beschrieben werden k nnen Das ist sehr praktisch um Fehler zu kor. rigieren EPROMs werden mit kurzwelligen UV Strahlen gel scht Dazu besitzen sie ein kleines. Im Verlauf von diesem Gespr ch entschied ich mich dies f r mich zu ndern So kam es dass ich als Thema f r meine Maturaarbeit Aufbau und Funktionsweise eines Minimalcomputers w hlte Mit meiner Maturaarbeit wollte ich die Funktionsweise eines einfachen Computers von unten her verstehen lernen also aufbauend auf die Transistorlogik Ich wollte aber nicht nur theoretisch ver

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