Основные схемы логических элементов

Логические элементы (в майнкрафте они почему-то называются гейты или вентили) являются основой всех механизмов.

Элемент NOT (инвертор) возвращает сигнал, противоположный полученному. Это реализация логического НЕ.

Рис. 4. Инвертор.

Таблица истинности:

a	a

Рис. 5. Повторитель

Два вентиля NOT, установленные на линию подряд, называются повторителем. Повторитель возвращает такой же сигнал, какой и принял ( a = a ) и пропускает сигнал только в одну сторону. До появления красных повторителей, такие повторители были единственным способом передать сигнал более чем на 15 блоков.

Элемент OR (логическое ИЛИ) возвращает 1, если хотя бы на одном из входов 1. Обычно необходимости в отдельном устройстве нет, достаточно просто объединить провода. Однако провод пропускает сигнал в обе стороны - если это мешает, то можно использовать элемент.

Таблица истинности:

a	b	c	a ∨ b ∨ c

Рис. 6. Элемент ИЛИ

Элемент AND (логическое И) возвращает 1, если на всех входах 1.

Формула: a ∧ b = (a ∨ b)

Таблица истинности:

a	b	a ∧ b

Рис. 7. Элемент И

Простой оператор сложения

Складывает два сигнала на входе и выдает результат (на выходе старший разряд внизу (схема)). В основе лежит XOR/XNOR Gate (в основе которого лежит AND Gate).

Работает это так:

Младший разряд на выходе горит, если на входе имеем два разных сигнала.

Старший разряд на выходе горит, если на входе оба сигнала 1 .

На схеме присутствуют два слоя 0 и 1 и находятся они на разных (соседних) плоскостях.

Рис. 8. Оператор сложения.

Структура устройства

Калькулятор состоит из:

1) Устройства ввода. Оно состоит из девятнадцати рычагов (9 рычагов первое число, 9 – второе и один для выбора операции сложения или вычитания)

2) Шифратора

3) Сумматора.

4) Оператора вычитания.

5) Мультиплексора

6) Дешифратора

7) Дисплея.

Картинки каждого элемента приведены в приложении.

 

 

Ввод первого числа

Ввод второго числа

Шифратор

Шифратор

Устройство сложения

Устройство вычитания

Дешифратор

Дисплей

Ввод знака операции

Мультиплексор

 

Рис. 9. Принципиальная схема устройства

Как оно все работает.

На устройстве ввода выбирается первое и второе число. Оба числа передаются для отображения на дисплей и параллельно поступают на шифратор. Преобразуются в двоичный код и поступают одновременно на устройства сложения и вычитания.

1) Устройство сложения. Состоит из восьми простых операторов сложения.

2) Устройство вычитания. Расположено выше сумматора. Сначала второе число преобразуется в дополнительный код, то есть инвертируется и к нему прибавляется единица. Потом складываем полученный результат с первым числом. Крайний разряд – знаковый, если он равен единице, то результат отрицательный.

Далее стоит мультиплексор, который состоит из четырех И-элементов. Он выпускает результат если знаковый разряд равен нулю (ответ выражен в прямом коде), и отправляет ответ на обратное преобразование из дополнительного кода в прямой. Знаковый разряд соединен с знаком «-» на дисплее.

Оба сигнала поступают на мультиплексор, который подключен к рычагу выбора операции. В зависимости от его значения дальше, на дешифратор, поступает результат сложения или вычитания.

Дешифратор состоит из восемнадцати пятиконтактных И-элементов. На выходе дешифратора – 10 контактов (десятка и первые 9 цифр). Число 10 в ответе имеет отдельный символ на дисплее. Также к этим проводам подключен «детектор нуля», который подает сигнал если на всех остальных 9 выходах сигнал отсутствует. Он выдает «0» на дисплее. Все выходы подключены в соответствии с их значением в десятичном коде.

 

Заключение

Был разработан вычислительный комплекс (он огромный!), выполняющий 2 операции: сложение и умножение чисел от 1 до 9. К нему был подключен дисплей. Работает устойчиво, отклик составляет примерно 6 секунд. Это обусловлено колоссальными размерами устройства и необходимостью использовать повторители, каждый из которых дает задержку в 0.1 секунды. Увеличить быстродействие можно за счет оптимизации цепей (меньше повторителей, короче цепи) и использования различных модификаций игры (например RedPower позволяет использовать провода в изоляции, дальность сигнала в которых в 16 раз больше, чем редстоун-цепей, а также связки проводов). Схему можно упростить за счет использования процессоров из модов ComputerCraft и RedPower. Они программируются. На их базе возможно создание программируемых микроконтроллеров.

Возможная причина отказа системы – местонахождение персонажа на большом расстоянии от цепей, что приводит к тому, то сигнал там не проходит (не обновляется территория, это нужно для оптимизации игрового процесса), решается установкой мирового якоря из модификации RailCraft.

Планы на будущее – убрать десятичный ввод и вывод чисел, увеличить разрядность шин и добавить алгоритм умножения по правилу Бута. Возможно, придется подорвать динамитом шифратор, дешифратор и дисплей.

 

Список литературы

1. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: учеб, пособие для вузов / Е. П. Угрюмов. — 2-е изд. — СПб.: ВНУ-Санкт-Петербург, 2010. – 816 с.

2. Minecraft Wiki http://ru.minecraftwiki.net/

3. Wikipedia http://ru.wikipedia.org/

4. Электроника. Методическое руководство по выполнению курсового проекта / Ю. В. Новоселов, Л. Н. Воронцова и др. Екатеринбург: УрГУПС, 2001.

5. Стандарт предприятия. СТП УГТУ. 1–96. Екатеринбург, 1969.

6. Басаков, М. И. От реферата до дипломной работы. Рекомендации студентам по оформлению текста: учебное пособие для студентов вузов и колледжей / М. И. Басаков. — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2002. – 64 с.

7. Eloraam’s blog http://www.eloraam.com/?page_id=130

 

 

Приложение

Рис. 10. Панель ввода. «Активное» число подсвечивается зеленым индикатором. Огромные цифры помогают быстро определять нужный рычаг. Защиты «от дурака» нет, поэтому можно нажать сразу несколько рычагов с непредсказуемым результатом. Сверху задается первое число, снизу – второе. Слева внизу рычаг предназначен для выбора операции (+/-), слева вверху две кнопки подключенные к командным блокам (ввод консольной команды), они предназначены для быстрой смены времени суток.

 

Рис. 11. Два шифратора, один расположен над другим. Видно, как сигнал передается одновременно вверх и вниз.

Рис 12. Сумматор. Простое устройство, состоящее из семи суммирующих устройств. На выходе имеет 5 контактов. Расположен сразу за шифратором, под оператором вычитания.

Рис. 13. Оператор вычитания. В общем, состоит из пятнадцати простых суммирующих устройств, восьми инверторов и одного мультиплексора.

Рис. 14. Мультиплексор на входе дешифратора. Управляющий сигнал поступает от рычага выбора операции (+/-).

Рис. 15. Дешифратор. Чтобы избежать проблемы дальности прорисовки (описана в заключении), он сделан компактным, в 3 уровня. Содержит 18 И-элементов. На выходе 10 контактов.

Рис. 16. «Детектор нуля». Подключен параллельно к выходам дешифратора, при отсутствии сигнала он подает сигнал на вывод нуля. По сути – большой И-элемент. К нему не подключен контакт вывода единицы следующего разряда.

Рис. 17. Дисплей. Знаки «-» и «=» горят постоянно. К вертикальной черте знака «+/-» подключен рычаг выбора операции.

Рис. 18. Дисплей. Вид с обратной стороны. Видны провода передачи первого и второго чисел. Пирамида из алмазных блоков нужна для воодушевления.

Рис 19. Общий вид.